Что такое энтропия источника сообщений

Введение в понятие энтропии и ее многоликость

Как может показаться, анализ сигналов и данных — тема достаточно хорошо изученная и уже сотни раз проговоренная. Но есть в ней и некоторые провалы. В последние годы словом «энтропия» бросаются все кому не лень, толком и не понимая, о чем говорят. Хаос — да, беспорядок — да, в термодинамике используется — вроде тоже да, применительно к сигналам — и тут да. Хочется хотя бы немного прояснить этот момент и дать направление тем, кто захочет узнать чуть больше об энтропии. Поговорим об энтропийном анализе данных.

В русскоязычных источниках очень мало литературы на этот счет. А цельное представление вообще получить практически нереально. Благо, моим научным руководителем оказался как раз знаток энтропийного анализа и автор свеженькой монографии [1], где все расписано «от и до». Счастью предела не было, и я решила попробовать донести мысли на этот счет до более широкой аудитории, так что пару выдержек возьму из монографии и дополню своими исследованиями. Может, кому и пригодится.

Итак, начнем с начала. Шенноном в 1963 г. было предложено понятие меры усредненной информативности испытания (непредсказуемости его исходов), которая учитывает вероятность отдельных исходов (до него был еще Хартли, но это опустим). Если энтропию измерять в битах, и взять основание 2, то получим формулу для энтропии Шеннона
, где Pi это вероятность наступления i-го исхода.

То есть в этом случае энтропия напрямую связана с «неожиданностью» возникновения события. А отсюда вытекает и его информативность — чем событие более предсказуемо, тем оно менее информативно. Значит и его энтропия будет ниже. Хотя открытым остается вопрос о соотношениях между свойствами информации, свойствами энтропии и свойствами различных ее оценок. Как раз с оценками мы и имеем дело в большинстве случаев. Все, что поддается исследованию — это информативность различных индексов энтропии относительно контролируемых изменений свойств процессов, т.е. по существу, их полезность для решения конкретных прикладных задач.

Энтропия сигнала, описываемого некоторым образом (т.е. детерминированного) стремится к нулю. Для случайных процессов энтропия возрастает тем больше, чем выше уровень «непредсказуемости». Возможно, именно из такой связки трактовок энтропии вероятность->непредсказуемость->информативность и вытекает понятие «хаотичности», хотя оно достаточно неконкретно и расплывчато (что не мешает его популярности). Встречается еще отождествление энтропии и сложности процесса. Но это снова не одно и то же.

Для того, чтобы немного обрисовать области применения энтропии к анализу данных, рассмотрим небольшую прикладную задачку из монографии [1] (которой нет в цифровом виде, и скорей всего не будет).

Пусть есть система, которая каждые 100 тактов переключается между несколькими состояниями и порождает сигнал x (рисунок 1.5), характеристики которого изменяются при переходе. Но какие — нам не известно.

Разбив x на реализации по 100 отсчетов можно построить эмпирическую плотность распределения и по ней вычислить значение энтропии Шеннона. Получим значения, «разнесенные» по уровням (рисунок 1.6).

Как можно видеть, переходы между состояниями явно наблюдаются. Но что делать в случае, если время переходов нам не известно? Как оказалось, вычисление скользящим окном может помочь и энтропия так же «разносится» на уровни.В реальном исследовании мы использовали такой эффект для анализа ЭЭГ сигнала (разноцветные картинки про него будут дальше).

Теперь еще про одно занятное свойство энтропии — она позволяет оценить степень связности нескольких процессов. При наличии у них одинаковых источников мы говорим, что процессы связаны (например, если землетрясение фиксируют в разных точках Земли, то основная составляющая сигнала на датчиках общая). В таких случаях обычно применяют корреляционный анализ, однако он хорошо работает только для выявления линейных связей. В случае же нелинейных (порожденных временными задержками, например) предлагаем пользоваться энтропией.

Рассмотрим модель из 5ти скрытых переменных(их энтропия показана на рисунке ниже слева) и 3х наблюдаемых, которые генерируются как линейная сумма скрытых, взятых с временными сдвигами по схеме, показанной ниже справа. Числа-это коэффициенты и временные сдвиги (в отсчетах).

Так вот, фишка в том, что энтропия связных процессов сближается при усилении их связи. Черт побери, как это красиво-то!

Такие радости позволяют вытащить практически из любых самых странных и хаотичных сигналов (особенно полезно в экономике и аналитике) дополнительные сведения. Мы их вытаскивали из электроэнцефалограммы, считая модную нынче Sample Entropy и вот какие картинки получили.

Можно видеть, что скачки энтропии соответствуют смене этапов эксперимента. На эту тему есть пара статей и уже защищена магистерская, так что если кому будут интересны подробности — с радостью поделюсь. А так по миру по энтропии ЭЭГ ищут уже давно разные вещи — стадии наркоза, сна, болезни Альцгеймера и Паркинсона, эффективность лечения от эпилепсии считают и тд. Но повторюсь-зачастую расчеты ведутся без учета поправочных коэффициентов и это грустно, так как воспроизводимость исследований под большим вопросом (что критично для науки, так то).

Резюмируя, остановлюсь на универсальности энтропийного аппарата и его действительной эффективности, если подходить ко всему с учетом подводных камней. Надеюсь, что после прочтения у вас зародится зерно уважения к великой и могучей силе Энтропии.

Источник

Информационная энтропия

Так, возьмём, например, последовательность символов, составляющих какое-либо предложение на русском языке. Каждый символ появляется с разной частотой, следовательно, неопределённость появления для некоторых символов больше, чем для других. Если же учесть, что некоторые сочетания символов встречаются очень редко, то неопределённость ещё более уменьшается (в этом случае говорят об энтропии n-ого порядка, см. Условная энтропия).

Концепции информации и энтропии имеют глубокие связи друг с другом, но, несмотря на это, разработка теорий в статистической механике и теории информации заняла много лет, чтобы сделать их соответствующими друг другу. Ср. тж. Термодинамическая энтропия

Содержание

Формальные определения

Информационная энтропия для независимых случайных событий x с n возможными состояниями (от 1 до n) рассчитывается по формуле:

Эта величина также называется средней энтропией сообщения. Величина называется частной энтропией, характеризующей только i-e состояние.

Таким образом, энтропия события x является суммой с противоположным знаком всех произведений относительных частот появления события i, умноженных на их же двоичные логарифмы (основание 2 выбрано только для удобства работы с информацией, представленной в двоичной форме). Это определение для дискретных случайных событий можно расширить для функции распределения вероятностей.

Шеннон вывел это определение энтропии из следующих предположений:

Шеннон показал, что любое определение энтропии, удовлетворяющее этим предположениям, должно быть в форме:

где K — константа (и в действительности нужна только для выбора единиц измерения).

В общем случае b-арная энтропия (где b равно 2,3. ) источника = (S,P) с исходным алфавитом S = <a₁, …, a_n> и дискретным распределением вероятности P = <p₁, …, p_n> где p_i является вероятностью a_i (p_i = p(a_i)) определяется формулой:

Условная энтропия

Если следование символов алфавита не независимо (например, во французском языке после буквы «q» почти всегда следует «u», а после слова «передовик» в советских газетах обычно следовало слово «производства» или «труда»), количество информации, которую несёт последовательность таких символов (а следовательно и энтропия) очевидно меньше. Для учёта таких фактов используется условная энтропия.

Условной энтропией первого порядка (аналогично для Марковской модели первого порядка) называется энтропия для алфавита, где известны вероятности появления одной буквы после другой (т.е. вероятности двухбуквенных сочетаний):

где — это состояние, зависящее от предшествующего символа, и — это вероятность , при условии, что был предыдущим символом.

Так, для русского алфавита без буквы « ё » [1]

Через частную и общую условные энтропии полностью описываются информационные потери при передаче данных в канале с помехами. Для этого применяются т.н. канальные матрицы. Так, для описания потерь со стороны источника (т.е. известен посланный сигнал), рассматривают условную вероятность получения приёмником символа при условии, что был отправлен символ . При этом канальная матрица имеет следующий вид:

		.		.
			.		.
			.		.
.	.	.	.	.	.	.
			.		.
.	.	.	.	.	.	.
			.		.

Очевидно, вероятности, расположенные по диагонали описывают вероятность правильного приёма, а сумма всех элементов столбца даст вероятность появления соответствующего символа на стороне приёмника — . Потери, приходящиеся на предаваемый сигнал , описываются через частную условную энтропию:

Для вычисления потерь при передаче всех сигналов используется общая условная энтропия:

означает энтропию со стороны источника, аналогично рассматривается — энтропия со стороны приёмника: вместо всюду указывается (суммируя элементы строки можно получить , а элементы диагонали означают вероятность того, что был отправлен именно тот символ, который получен, т.е. вероятность правильной передачи).

Взаимная энтропия

Взаимная энтропия, или энтропия объединения, предназначена для рассчёта энтропии взаимосвязанных систем (энтропии совместного появления статистически зависимых сообщений) и обозначается , где , как всегда, характеризует передатчик, а — приёмник.

Взаимосязь переданных и полученных сигналов описывается вероятностями совместных событий , и для полного описания характеристик канала требуется только одна матрица:

		…		…
		…		…
…	…	…	…	…	…
		…		…
…	…	…	…	…	…
		…		…

Для более общего случая, когда описывается не канал, а просто взаимодействующие системы, матрица необязательно должна быть квадратной. Очевидно, сумма всех элементов столбца с номером даст , сумма строки с номером есть , а сумма всех элементов матрицы равна 1. Совместная вероятность событий и вычисляется как произведение исходной и условной вероятности,

Условные вероятности производятся по формуле Байеса. Таким образом имеются все данные для вычисления энтропий источника и приёмника:

Взаимная энтропия вычисляется последовательным суммированием по строкам (или по столбцам) всех вероятностей матрицы, умноженных на их логарифм:

Единица измерения — бит/два символа, это объясняется тем, что взаимная энтропия описывает неопределённость на пару символов — отправленного и полученного. Путём несложных преобразований также получаем

Взаимная энтропия обладает свойством информационной полноты — из неё можно получить все рассматриваемые величины.

Свойства

Альтернативное определение

Другим способом определения функции энтропии H является доказательство, что H однозначно определена (как указано ранее), если и только если H удовлетворяет пунктам 1)—3):

1) H(p₁, …, p_n) определена и непрерывна для всех p₁, …, p_n, где p_i [0,1] для всех i = 1, …, n и p₁ + … + p_n = 1. (Заметьте, что эта функция зависит только от распределения вероятностей, а не от алфавита.)

2) Для целых положительных n, должно выполняться следующее неравенство:

3) Для целых положительных b_i, где b₁ + … + b_n = n, должно выполняться равенство:

Эффективность

Исходный алфавит, встречающийся на практике, имеет вероятностное распределение, которое далеко от оптимального. Если исходный алфавит имел n символов, тогда он может может быть сравнён с «оптимизированным алфавитом», вероятностное распределение которого однородно. Соотношение энтропии исходного и оптимизированного алфавита — это эффективность исходного алфавита, которая может быть выражена в процентах.

Из этого следует, что эффективность исходного алфавита с n символами может быть определена просто как равная его n-арной энтропии.

История

Понятие энтропии, как меры случайности, введено Шенноном в его статье «A Mathematical Theory of Communication», опубликованной в двух частях в Bell System Technical Journal в 1948 году.

Литература

См. также

Внешние ссылки

Эта статья содержит материал из статьи Информационная энтропия русской Википедии.

Источник

Энтропия (теория информации)

Энтропи́я (информационная) — мера хаотичности информации, неопределённость появления какого-либо символа первичного алфавита. При отсутствии информационных потерь численно равна количеству информации на символ передаваемого сообщения.

Для иллюстрации понятия информационной энтропии можно также прибегнуть к примеру из области термодинамической энтропии, получившему название демона Максвелла. Концепции информации и энтропии имеют глубокие связи друг с другом, но, несмотря на это, разработка теорий в статистической механике и теории информации заняла много лет, чтобы сделать их соответствующими друг другу.

Содержание

Формальные определения

Тогда энтропия будет определяться как:

От основания логарифма зависит единица измерения информации и энтропии: бит, нат или хартли.

Информационная энтропия для независимых случайных событий x с n возможными состояниями (от 1 до n ) рассчитывается по формуле:

Шеннон предположил, что прирост информации равен утраченной неопределённости, и задал требования к её измерению:

Шеннон показал, что единственная функция, удовлетворяющая этим требованиям, имеет вид:

где K — константа (и в действительности нужна только для выбора единиц измерения).

Шеннон определил, что измерение энтропии (), применяемое к источнику информации, может определить требования к минимальной пропускной способности канала, требуемой для надёжной передачи информации в виде закодированных двоичных чисел. Для вывода формулы Шеннона необходимо вычислить математическое ожидание «количества информации», содержащегося в цифре из источника информации. Мера энтропии Шеннона выражает неуверенность реализации случайной переменной. Таким образом, энтропия является разницей между информацией, содержащейся в сообщении, и той частью информации, которая точно известна (или хорошо предсказуема) в сообщении. Примером этого является избыточность языка — имеются явные статистические закономерности в появлении букв, пар последовательных букв, троек и т. д. См.: Цепи Маркова.

Определение энтропии Шеннона связано с понятием термодинамической энтропии. Больцман и Гиббс проделали большую работу по статистической термодинамике, которая способствовала принятию слова «энтропия» в информационную теорию. Существует связь между термодинамической и информационной энтропией. Например, демон Максвелла также противопоставляет термодинамическую энтропию информации, и получение какого-либо количества информации равно потерянной энтропии.

Альтернативное определение

Другим способом определения функции энтропии H является доказательство, что H однозначно определена (как указано ранее), если и только если H удовлетворяет условиям:

Свойства

Важно помнить, что энтропия является количеством, определённым в контексте вероятностной модели для источника данных. Например, кидание монеты имеет энтропию − 2(0,5log₂0,5) = 1 бит на одно кидание (при условии его независимости). У источника, который генерирует строку, состоящую только из букв «А», энтропия равна нулю: . Так, например, опытным путём можно установить, что энтропия английского текста равна 1,5 бит на символ, что конечно будет варьироваться для разных текстов. Степень энтропии источника данных означает среднее число битов на элемент данных, требуемых для её зашифровки без потери информации, при оптимальном кодировании.

Математические свойства

Эффективность

Исходный алфавит, встречающийся на практике, имеет вероятностное распределение, которое далеко от оптимального. Если исходный алфавит имел n символов, тогда он может быть сравнён с «оптимизированным алфавитом», вероятностное распределение которого однородно. Соотношение энтропии исходного и оптимизированного алфавита — это эффективность исходного алфавита, которая может быть выражена в процентах.

Энтропия ограничивает максимально возможное сжатие без потерь (или почти без потерь), которое может быть реализовано при использовании теоретически — типичного набора или, на практике, — кодирования Хаффмана, кодирования Лемпеля — Зива — Велча или арифметического кодирования.

Вариации и обобщения

Условная энтропия

Если следование символов алфавита не независимо (например, во французском языке после буквы «q» почти всегда следует «u», а после слова «передовик» в советских газетах обычно следовало слово «производства» или «труда»), количество информации, которую несёт последовательность таких символов (а следовательно и энтропия) очевидно меньше. Для учёта таких фактов используется условная энтропия.

Условной энтропией первого порядка (аналогично для Марковской модели первого порядка) называется энтропия для алфавита, где известны вероятности появления одной буквы после другой (то есть вероятности двухбуквенных сочетаний):

Так, для русского языка без буквы «ё» . [2]

b1	b2	…	bj	…	bm
a1			…		…
a2			…		…
…	…	…	…	…	…	…
ai			…		…
…	…	…	…	…	…	…
am			…		…

Для вычисления потерь при передаче всех сигналов используется общая условная энтропия:

Взаимная энтропия

Условные вероятности производятся по формуле Байеса. Таким образом имеются все данные для вычисления энтропий источника и приёмника:

Взаимная энтропия вычисляется последовательным суммированием по строкам (или по столбцам) всех вероятностей матрицы, умноженных на их логарифм:

Единица измерения — бит/два символа, это объясняется тем, что взаимная энтропия описывает неопределённость на пару символов — отправленного и полученного. Путём несложных преобразований также получаем

Взаимная энтропия обладает свойством информационной полноты — из неё можно получить все рассматриваемые величины.

История

В 1948 году, исследуя проблему рациональной передачи информации через зашумлённый коммуникационный канал, Клод Шеннон предложил революционный вероятностный подход к пониманию коммуникаций и создал первую, истинно математическую, теорию энтропии. Его сенсационные идеи быстро послужили основой разработки двух основных направлений: теории информации, которая использует понятие вероятности и эргодическую теорию для изучения статистических характеристик данных и коммуникационных систем, и теории кодирования, в которой используются главным образом алгебраические и геометрические инструменты для разработки эффективных кодов.

Понятие энтропии, как меры случайности, введено Шенноном в его статье «A Mathematical Theory of Communication», опубликованной в двух частях в Bell System Technical Journal в 1948 году.

Источник