机器学习笔记十：各种熵总结（一）

重光兰衣

机器学习笔记十：各种熵总结（一）
一.什么是熵
( o4 b. Y% `& V& v2 U7 c) B8 E, XⅠ.信息量
: e* b' v# W- O' N+ ]首先考虑一个离散的随机变量x,当我们观察到这个变量的一个具体值的时候,我们接收到多少信息呢?
我们暂时把信息看做在学习x的值时候的”惊讶程度”(这样非常便于理解且有意义).当我们知道一件必然会发生的事情发生了,比如往下掉的苹果.我们并不惊讶,因为反正这件事情会发生,因此可以认为我们没有接收到信息.但是要是一件平时觉得不可能发生的事情发生了,那么我们接收到的信息要大得多.因此,我们对于信息内容的度量就将依赖于概率分布p(x).
( a) w4 _: S6 l. `$ e6 T因此,我们想要寻找一个函数h(x)来表示信息的多少且是关于概率分布的单调函数.我们定义:

! Y) I& |; H# G$ b# \# w5 i
我们把这个公式叫做信息量的公式，前面的负号确保了信息一定是正数或者是0.(低概率事件带来高的信息量).
函数如下图所示
. ^  j' c8 l6 x7 h9 g) a
有时候有人也叫做自信息（self-information），一个意思啦。可以推广一下下。
5 [2 z) E# ^! o. E, w) C% e联合自信息量：
) ~# L" w: d/ i/ K+ e/ d. ~% [条件自信息量：
通俗一点来说的话，就是概率论中很简单的推广就行了。有概率基础的话，这个很容易理解。这里因为实际上面使用二维的更多一点就以二维为例子，推广到多维的话也是可以的。

Ⅱ.熵
" I* E6 R$ [/ r% I, w0 ^# G. F7 ], r熵(entropy):上面的Ⅰ(x)是指在某个概率分布之下,某个概率值对应的信息量的公式.那么我们要知道这整个概率分布对应的信息量的平均值.这个平均值就叫做随机变量x的熵
1 W2 T' S. p2 B) L) Z如下面公式：

# d0 A5 I  k# s+ B; J$ {这个公式的意思就是，随机变量x是服从p这个分布的，也就是在在p分布下面的平均自信息。也就得到了信息熵。信息熵的本质可以看做是某个分布的自信息的期望。
这里举个例子感受一下:设X服从0-1分布,即
则熵为：
" B/ \) e  Q# X$ }8 p$ C上面的计算是对于一个离散型的随机变量（分布）来做的，无非就是把所有的概率都得到，分别求出自信息然后相加就行了。很简单，别想得太多。
代码：
结果为：

从图中可以知道：

1.当p=0或者p=1的时候,随机变量可以认为是没有不确定性.
2.当p=0.5的时候,H(p)=1,随机变量的不确定性最大.
那么“仿照”之前的信息量的公式，可以推广一下下啦。
假设一个概率分布有两个随机变量决定。其中x有n种取值，y有m种取值。那么可以得到一个nxm的联合概率分布的表。那么有：
复合熵（联合熵）：
, d( P" r, S: [( K5 H

同样，复合熵的公式还可以推广到连续变量和多个变量的情况。这里就不写了。

条件熵：

1 Y' G, n, h4 b( q8 k) Y
上面这个公式可能有点难以理解，不知道这个公式是怎么来的。举一个例子来说明一下：
如果以x表示学生体重，以y表示身高，以 p(x∣y)表示身高为某个特定的y时的体重为x的概率，把熵公式用到这个特殊情况得到是熵显然应当是
上面得到的计算公式是针对y为一个特殊值y时求得的熵。考虑到y会出现各种可能值，如果问已知学生身高时（不特指某一身高，而是泛指身高已经知道）的体重的熵（不确定程度），它应当是把前面的公式依各种y的出现概率做加权平均，那么就可以得到上面的条件熵的公式。
9 L( e9 V7 V. i& _. A: d8 R
Ⅲ.变形总结
进过上面的之后，应该对于信息量和信息熵的几个公式有了了解。然后那几个公式还可以变形为一些常用的公式。这里总结一下
首先要先介绍一下条件分布的乘法定理：
+ s7 y" W5 O) `: }1 G, S( ]4 p
1 }; z0 l# m6 d9 y7 `; S" j
然后把之前条件熵式子使用上面这个公式改写一下，可以写为：

当熵和条件熵中的概率由数据估计(特别是极大似然估计)得到的时候,所对应的熵与条件熵分别称为经验熵(empirical entropy)和经验条件熵(empirical conditional entropy)
) n% S+ A% C3 v# Q( T
上面的式子表明，只要你能够得到联合分布和y的分布就能够求出条件熵了。事实上，还能够更加简化成为常见的形式：
# [# x: ^& S" l7 x( M- ~0 K这里利用上面的公式（以离散型为例子）直接推导，有
( G% x4 ~7 B4 n- d. j2 }

: h6 N* I4 H* \2 M3 K) `证明：
/ v, S; h( H1 O6 E这个公式把复合熵、条件熵以及熵联系到一起了。它们也显示了熵的对称性。
1 H* V" J, v' @( q. |6 p" E" Z. q1 L
" A/ g6 r  l7 R1 K# B9 I; L8 v, V