Skip to content

Basic ​

信息消息信号 ​

信息的度量:信息量 ​

信息量定义:对发生概率为p(X)的事件X,其信息量定义为:

I(X)=−log2⁡p(X)

抛硬币:p(X)=12,信息量:I(X)=−log2⁡12=1bit

简单说,对于bit由于只有01两种状态,故对于一个概率为1/2的事件,其信息量为1bit,而对于概率为1的事件,其信息量为0bit,−log2⁡0.001≈9.97bit。

信息量与熵 ​

熵:平均信息量

定义 ​

设概率为p(x),则熵定义为:

H(X)=−∑x∈Xp(x)log2⁡p(x)

如果是确定性事件 P(x)=1 ,则H(X)=−1×log2⁡1=0,没有不确定性。

离散变量计算:

H(X)=−∑i=1np(xi)log2⁡p(xi)

e.g.:抛硬币:H(X)=−12log2⁡12−12log2⁡12=1bit 信息熵最大

e.g.2:

alt text

e.g.3:

设有千字文,每一字从万字表中选,求一篇的信息量:

总共有:1000001000=104000 篇文章

信息量为:H(X)=−104000×1104000log2⁡1104000=log2⁡104000≈13288.97bit

信源 ​

对于一个二元信源:

(XP)=(01pq)

如果横轴是概率 P,纵轴是熵 H,则曲线近似于一个对称轴为 P=0.5 的抛物线,在 P=0 和 P=1 时,熵为0,在 P=0.5 时,熵最大为1。

对于一个n元信源,熵取值范围为 0≤H(X)≤log2⁡n,当且仅当各符号概率相等时,熵达到最大值 log2⁡n。

而对于一个加密算法而言,熵越大,破解难度越大。假设有一个映射 P→C,其中P为明文,C为密文,显然在为双射时,即每个明文对应唯一密文时,熵最大。

联合熵 ​

表示 X 和 Y 同时发生时的不确定性:

H(X,Y)=−∑x∈X∑y∈Yp(x,y)log2⁡p(x,y)

e.g.:

alt text

H(X,Y)=−4×0.25×log20.25=2

条件熵 ​

表示在已知Y的条件下,X的不确定性:

H(X|Y)=−∑x∈X∑y∈Yp(x,y)log2⁡p(x|y)H(X|Y)=∑jp(x)H(X|Y=yj)

可用以下公式计算:

⋇H(X,Y)=H(Y)+H(X|Y)=H(X)+H(Y|X)

互信息 ​

定义:

I(X;Y)=∑x∈X∑y∈Yp(x,y)log2⁡p(x,y)p(x)p(y)

alt text

推导有:

I(X;Y)=H(X)−H(X|Y)=H(Y)−H(Y|X)

信源编码 ​

作用:信息压缩

香农第一定律 ​

H(X)≤L¯<H(X)+1

其中 L¯ 为平均码长

信源编码定理 ​

设信源X的熵为H(X),则对于任意ε>0,存在一个信源编码,其平均码长L¯满足:

alt text