Entropy, relative entropy and mutual information
Entropy
\]
熵非负, 且当且仅当\(X\)确定性的时候为有最小值0, 即\(P(X=x_0)=1\).
Proof:
由\(\log\)的凹性可得
H(X)
& = -\sum_{x} p(x) \log p(x) \\
& = \sum_{x} p(x) \log \frac{1}{p(x)} \\
& \ge \log 1=0.
\end{array}
\]
Joint Entropy
\]
Conditional Entropy
H(Y|X)
&= - \mathbb{E}_{p(x)} [H(Y|X=x)] \\
&= - \sum_{x \in \mathcal{X}} p(x) H(Y|X=x) \\
&= - \sum_{x \in \mathcal{X}} \sum_{y \in \mathcal{Y}} p(x)p(y|x) \log p(y|x) \\
&= - \sum_{x \in \mathcal{X}} \sum_{y \in \mathcal{Y}} p(x, y) \log p(y|x).
\end{array}
\]
注意 \(H(Y|X)\) 和 \(H(Y|X=x)\) 的区别.
Chain rule
\]
proof:
根据\(p(y|x)=\frac{p(x, y)}{p(x)}\)以及上面的推导可知:
H(Y|X)
&= H(X,Y) + \sum_{x \in \mathcal{X}} \sum_{y \in \mathcal{Y}} p(x, y) \log p(x) \\
&= H(X, Y) -H(X).
\end{array}
\]
推论:
\]
H(Y|X,Z)
&= \mathbb{E}_{x,z} [H(Y|x,z)] \\
&= -\sum_{x,z} p(x,z) p(y|x,z) \log p(y|x,z) \\
&= -\sum_{x, z} p(x, y, z) [\log p(x, y|z) - \log p(x|z)] \\
&= \mathbb{E}_{z} H(X, Y|z) - \mathbb{E}_{z} H(X|z) = H(X, Y|Z) - H(X|Z).
\end{array}
\]
Mutual Information
\]
\(I(X; Y) = H(X) - H(X|Y) = H(Y) - H(Y|X) = I(Y;X) = H(X) + H(Y) - H(X, Y) \ge 0\)
\(I(X, X) = H(X)\)
Relative Entropy
\]
Chain Rules
Chain Rule for Entropy
设\((X_1, X_2,\ldots, X_n) \sim p(x_1, x_2, \ldots, x_n)\):
\]
proof:
归纳法 + \(H(X, Y) = H(X) + H(Y|X)\).
Chain Rule for Mutual Information
Conditional Mutual Information
定义:
\]
性质:
\]
proof:
I(X_1, X_2, \ldots, X_n; Y)
& =H(X_1, \ldots, X_n) + H(Y) - H(X_1,\ldots, X_n;Y) \\
&= H(X_1,\ldots, X_{n-1}) + H(X_n|X_1,\ldots, X_{n-1}) + H(Y) - H(X_1, \ldots, X_n;Y) \\
&= I(X_1, X_2,\ldots, X_{n-1};Y) + H(X_n|X_1,\ldots, X_{n-1}) - H(X_n|X_1, \ldots, X_{n-1};Y) \\
&= I(X_1, X_2,\ldots, X_{n-1};Y) + I(X_n;Y|X_1,\ldots, X_{n-1}). \\
\end{array}
\]
Chain Rule for Relative Entropy
定义:
D(p(y|x)\|q(y|x))
&:= \mathbb{E}_{p(x, y)} [\log \frac{p(Y| X)}{q(Y|X)}] \\
&= \sum_x p(x) \sum_y p(y|x) \log \frac{p(y|x)}{q(y|x)}.
\end{array}
\]
性质:
\]
proof:
D(p(x, y)\| q(x, y))
&= \sum_{x, y} p(x, y) \log \frac{p(x, y)}{q(x, y)} \\
&= \sum_{x, y} p(x, y) \log \frac{p(y|x)p(x)}{q(y|x)q(x)} \\
&= \sum_{x, y} [p(x, y) (\log \frac{p(y|x)}{q(y|x)} + \log \frac{p(x)}{q(x)})]\\
&= D(p(x)\|q(x)) + D(p(y|x)\|q(y|x)).
\end{array}
\]
补充:
\]
故, 当\(p(x) = q(x)\)的时候, 我们可以得到
\]
\(D(p(y|x)\|q(y|x))=D(p(x, y)\| p(x)q(y|x))\)
\(D(p(x_1, x_2,\ldots, x_n)\| q(x_1, x_2,\ldots, x_m)) = \sum_{i=1}^n D(p(x_i|x_{i-1}, \ldots, x_1)\|q(x_i| x_{i-1}, \ldots, x_1))\)
\(D(p(y)\| q(y)) \le D(p(y|x)\|q(y|x))\), \(q(x)=p(x)\).
1, 2, 3的证明都可以通过上面的稍作变换得到.
Jensen's Inequality
如果\(f\)是凸函数, 则
\]
Properties
- \(D(p\|q) \ge 0\) 当且仅当\(p=q\)取等号.
- \(I(X; Y) \ge 0\)当且仅当\(X, Y\)独立取等号.
- \(D(p(y|x)\|q(y|x)) \ge 0\) (根据上面的性质), 当且仅当\(p(y|x) = q(y|x)\)取等号, \(p(x) > 0\).
- \(I(X; Y|Z) \ge 0\), 当且仅当\(X, Y\)条件独立.
- \(H(X|Y)\le H(X)\), 当且仅当\(X, Y\)独立等号成立.
- \(H(X_1, X_2, \ldots, X_n)\le \sum_{i=1}^n H(X_i)\), 当且仅当所有变量独立等号成立.
Log Sum Inequality
- \(D(p\|q)\) 关于\((p, q)\)为凸函数, 即\(\forall 0\le \lambda \le 1\):
\[D(\lambda p_1 + (1-\lambda)p_2\| \lambda q_1 + (1-\lambda)q_2) \le \lambda D(p_1\|q_1) + (1-\lambda)D(p_2 \| q_2).
\]
此部分的证明, 一方面可以通过\(p\log\frac{p}{q}\)的凸性得到, 更有趣的证明是, 构造一个新的联合分布
\]
即
p(c=0)=q(c=0)=\lambda, p(c=1) = q(c=1) = 1-\lambda.
\]
并注意到\(D(p(y)\| q(y)) \le D(p(y|x)\|q(y|x))\).
- \(H(X) = -\sum_{x \in \mathcal{X}} p(x) \log p(x)\)是关于\(p\)的凹函数.
- \(I(X, Y) = \sum_{x, y} p(y|x)p(x) \log \frac{p(y|x)}{p(y)}\), 当固定\(p(y|x)\)的时候是关于\(p(x)\)的凹函数, 当固定\(p(x)\)的时候, 是关于\(p(y|x)\)的凸函数.
仅仅证明后半部分, 任给\(p_1(y|x), p_2(y|x)\), 由于\(p(x)\)固定, 故\(\forall 0 \le \lambda \le 1\):
p(y): = \sum_x p(x, y) = \lambda \sum_x p_1(x, y) + (1-\lambda) \sum_{x} p_2(x, y) \\
q(x, y):= p(x)p(y) = \sum_x p(x, y) = \lambda p(x) \sum_x p_1(x, y) + (1-\lambda) p(x)\sum_{x} p_2(x, y) =: \lambda q_1(x, y) + (1-\lambda)q_2(x, y).\\
\]
又
\]
因为KL散度关于\((p, q)\)是凸函数, 所以\(I\)关于\(p(y|x)\)如此.
Data-Processing Inequality
数据\(X \rightarrow Y \rightarrow Z\), 即\(P(X, Y,Z) = P(X)P(Y|X)P(Z|Y)\) 比如\(Y=f(X), Z = g(Y)\).
\]
又
I(X;Y|Z) = \sum_{x,y,z} p(x,y,z) \log \frac{p(x|y)}{p(x|z)}\ge 0.
\]
故
I(X;Y|Z) \le I(X;Y).
\]
Sufficient Statistics
Statistics and Mutual Information
一族概率分布\(\{f_{\theta(x)}\}\)
\(X \sim f_{\theta}(x)\), \(T(X)\)为其统计量, 则
\[\theta \rightarrow X \rightarrow T(X)
\]故
\[I(\theta;X) \ge I(\theta;T(X))
\]
Sufficient Statistics and Compression
充分统计量定义: 一个函数\(T(X)\)被称之为一族概率分布\(\{f_{\theta}(x)\}\)的充分统计量, 如果给定\(T(X)=t\)时\(X\)的条件分布与\(\theta\)无关, 即
\]
此时, \(I(\theta;T(X))= I(\theta;X)\).
最小充分统计量定义: 如果一个充分统计量\(T(X)\)与其余的一切关于\(\{f_{\theta}(x)\}\)的充分统计量\(U(X)\)满足
\]
Entropy, relative entropy and mutual information的更多相关文章
- 论文解读( N2N)《Node Representation Learning in Graph via Node-to-Neighbourhood Mutual Information Maximization》
论文信息 论文标题:Node Representation Learning in Graph via Node-to-Neighbourhood Mutual Information Maximiz ...
- 互信息(Mutual Information)
本文根据以下参考资料进行整理: 1.维基百科:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%92%E4%BF%A1%E6%81%AF 2.新浪博客:http://blog. ...
- Mutual information and Normalized Mutual information 互信息和标准化互信息
实验室最近用到nmi( Normalized Mutual information )评价聚类效果,在网上找了一下这个算法的实现,发现满意的不多. 浙江大学蔡登教授有一个,http://www.zju ...
- 泡泡一分钟:Robust and Fast 3D Scan Alignment Using Mutual Information
Robust and Fast 3D Scan Alignment Using Mutual Information 使用互信息进行稳健快速的三维扫描对准 https://arxiv.org/pdf/ ...
- Computer Vision_33_SIFT:A novel coarse-to-fine scheme for automatic image registration based on SIFT and mutual information——2014
此部分是计算机视觉部分,主要侧重在底层特征提取,视频分析,跟踪,目标检测和识别方面等方面.对于自己不太熟悉的领域比如摄像机标定和立体视觉,仅仅列出上google上引用次数比较多的文献.有一些刚刚出版的 ...
- Image Processing and Analysis_15_Image Registration:Multi-modal volume registration by maximization of mutual information——1996
此主要讨论图像处理与分析.虽然计算机视觉部分的有些内容比如特 征提取等也可以归结到图像分析中来,但鉴于它们与计算机视觉的紧密联系,以 及它们的出处,没有把它们纳入到图像处理与分析中来.同样,这里面也有 ...
- Point-wise Mutual Information
Point-wise Mutual Information (Yao, et al 2019) reclaimed a clear description of Point-wise Mutual I ...
- 双目立体匹配经典算法之Semi-Global Matching(SGM)概述:匹配代价计算之互信息(Mutual Information,MI)
半全局立体匹配算法Semi-Global Matching,SGM由学者Hirschmüller在2005年所提出1,提出的背景是一方面高效率的局部算法由于所基于的局部窗口视差相同的假设在很多情况 ...
- Mutual Information
Mutal Information, MI, 中文名称:互信息. 用于描述两个概率分布的相似/相关程度. 常用于衡量两个不同聚类算法在同一个数据集的聚类结果的相似性/共享的信息量. 给定两种聚类结果\ ...
随机推荐
- 26. Linux GIT
windows git 下载链接: Msysgit https://git-scm.com/download/win 1 进入git bash进行第一次配置 git config --global ...
- Angular Service设计理念及使用
官方认为组件不应该直接获取或保存数据, 它们应该聚焦于展示数据,而把数据访问的职责委托给某个服务. 而服务就充当着数据访问,逻辑处理的功能.把组件和服务区分开,以提高模块性和复用性. 1.依赖注入 注 ...
- 【leetcode】1293 .Shortest Path in a Grid with Obstacles
You are given an m x n integer matrix grid where each cell is either 0 (empty) or 1 (obstacle). You ...
- Why is the size of an empty class not zero in C++?
Predict the output of the following program? 1 #include<iostream> 2 using namespace std; 3 4 c ...
- Redis集群的三种模式
一.主从模式 通过持久化功能,Redis保证了即使在服务器重启的情况下也不会损失(或少量损失)数据,因为持久化会把内存中数据保存到硬盘上,重启会从硬盘上加载数据. 但是由于数据是存储在一台服务器上的, ...
- SpringMVC中@RestController和@Controller的区别
在使用SpringMVC时,对于Controller中的注解@RestController和@Controller需要我们区分清楚 @RestController注解相当于@ResponseBody和 ...
- java输入/输出流的基本知识
通过流可以读写文件,流是一组有序列的数据序列,以先进先出方式发送信息的通道. 输入/输出流抽象类有两种:InputStream/OutputStream字节输入流和Reader/Writer字符输入流 ...
- 【C/C++】输入:连续输入,以逗号隔开
连续输入,以空格或者以逗号隔开,换行符结束 [范例]输入 23 12 34 56 33或者 23,12,34,56,33 则 vector<int> data; int tmp; whil ...
- 全网最详细的AbstractQueuedSynchronizer(AQS)源码剖析(二)资源的获取和释放
上期的<全网最详细的AbstractQueuedSynchronizer(AQS)源码剖析(一)AQS基础>中介绍了什么是AQS,以及AQS的基本结构.有了这些概念做铺垫之后,我们就可以正 ...
- 第46篇-signature_handler与result_handler
在之前介绍为native方法设置解释执行的入口时介绍过,当Method::native_function为空时会调用InterpreterRuntime::prepare_native_call()函 ...