熵(entropy)的理解與最大熵模型

2021-09-25 09:00:09 字數 1956 閱讀 6792

熵的公式:

h (x

)=−∑

i=1n

p(xi

)log⁡p

(xi)

h(x)=-\sum_^ p\left(x_\right) \log p\left(x_\right)

h(x)=−

i=1∑

n​p(

xi​)

logp(x

i​)log的原因是,一條資訊的可能性數量隨著位數的增加是指數的。用二進位制bit表示,1bit有2個狀態,2bit有4個狀態,nbit有2^n個可能狀態。可能性的數量隨指數上公升,指數那麼變回線性的形式就是log咯~至於對數的底是e還是2無所謂,只是乙個比例因子而已。一條資訊是log,n條資訊就是nlog咯。最後,熵表示混亂度,考慮到符合物理意義理解的話,加上負號。最後就是形如h(x

)=−∑

i=1n

p(xi

)log⁡p

(xi)

h(x)=-\sum_^ p\left(x_\right) \log p\left(x_\right)

h(x)=−

∑i=1

n​p(

xi​)

logp(x

i​)。michael ding說:最後這句話,「熵表示混亂度」, 這句話是從物理熵(熱力學熵)的角度來理解的吧,從資訊熵角度來理解是資訊的豐富程度我覺得好有道理……

熵的含義:

樣本集合不純度,熵越小,集合不純度越低;

知識的不確定性,熵越小,不確定性越小;

系統的複雜度,熵越大,系統越複雜。(系統越複雜,出現不同情況越多,資訊量越大,熵越大。)

資訊量是對資訊的度量,就好比公尺是對距離的度量。資訊量到底多大,跟發生的事件有關,具體說跟事件發生的概率有關。舉兩個例子說一下:

刷微博,發現新聞哪位明星出軌了,關鍵這位明星是給大家的印象很好。於是,我告訴朋友,誰誰出軌了,朋友驚訝地說:「呀,怎麼可能啊!」(這是一事件,發生概率小,但是給我們帶來了很大的資訊,即資訊量卻很大。也就是說,越不可能發生的事件發生了,則由其帶來的資訊量就越大。)

一朋友談了朋友,幾年後跟我說他們要結婚了,我說:「恭喜啊!修成正果。」(這一事件相對於上一事件來說,資訊量不是那麼大,原因是,他們結婚或者沒在一起了都是意料之中的事情。也就是說,越能意識到的事情發生了(大概率事件發生了),則由其帶來的資訊量越小。)

事件發生的概率與資訊量之間關係圖:

後面的式子會有具體的關係,這條線是與x軸相交於(1,0)點的。

假設有兩個不相關的事件x、y,x、y分別為這兩個事件的取值。

這兩個事件的聯合資訊:h(x,y) = h(x) + h(y)

這兩個事件的聯合概率:p(x,y) = p(x)p(y)

上面列的兩個式子是有原因的,還是那句話,資訊量到底多大,跟發生的事件有關,具體說跟事件發生的概率有關。

因此,h(x)跟p(x)有關,再根據上面的兩個式子,h(x)肯定跟p(x)的對數有關。

兩點說明:

越不可能發生的事件發生了,則由其帶來的資訊量就越大。上式滿足;

底數2純屬是遵循資訊理論裡的熵。當然,其他底也是可以的。

資訊量是一具體事件發生所帶來的資訊;

資訊熵則是一事件所有可能性產生資訊量的期望。

所以,有下式子:

h (x

)=−∑

i=1n

p(xi

)log⁡p

(xi)

h(x)=-\sum_^ p\left(x_\right) \log p\left(x_\right)

h(x)=−

i=1∑

n​p(

xi​)

logp(x

i​)

總結,就一句話,資訊熵是一事件所有可能性產生資訊量的期望。

本次參考了憶臻的機器學習演算法與自然語言處理。

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