Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.6: Non-Binary Markov Sources"

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[[File:P_ID2253__Inf_A_1_6.png|right|frame|Markovquellen mit <br>$M = 3$&nbsp; und&nbsp; $M = 4$]]
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[[File:P_ID2253__Inf_A_1_6.png|right|frame|Markov sources with <br>$M = 3$&nbsp; and&nbsp; $M = 4$]]
Die Grafik zeigt zwei ergodische Markovquellen&nbsp; $\rm (MQ)$:
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The graph shows two ergodic Markov sources &nbsp; $($German:&nbsp; "Markovquellen" &nbsp; &rArr; &nbsp; "$\rm MQ$"$)$:
  
* Die Quelle&nbsp; $\rm MQ3$&nbsp; ist durch&nbsp; $M = 3$&nbsp; Zustände (Symbole)&nbsp; $\rm N$,&nbsp; $\rm M$,&nbsp; $\rm P$&nbsp; gekennzeichnet.&nbsp; Aufgrund der Stationarität haben die Wahrscheinlichkeiten folgende Werte:
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* The source&nbsp; $\rm MQ3$&nbsp; is denoted by&nbsp; $M = 3$&nbsp; states&nbsp; (symbols)&nbsp; $\rm N$,&nbsp; $\rm M$,&nbsp; $\rm P$.&nbsp; Due to stationarity, the probabilities have the following values:
:$$p_{\rm N} = 1/2\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}p_{\rm M} = p_{\rm P} = 1/4\hspace{0.05cm}.$$
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:$$p_{\rm N} = 1/2\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}p_{\rm M} = p_{\rm P} = 1/4\hspace{0.05cm}.$$
  
* Bei der Quelle&nbsp; $\rm MQ4$&nbsp; ist zusätzlich der Zustand&nbsp; $\rm O$&nbsp; möglich &nbsp; &#8658; &nbsp; $M = 4$.&nbsp; Aufgrund der symmetrischen Übergänge sind die stationären Wahrscheinlichkeiten alle gleich:
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* For the source&nbsp; $\rm MQ4$&nbsp; the state&nbsp; $\rm O$&nbsp; is additionally possible &nbsp; &#8658; &nbsp; $M = 4$.&nbsp; Due to the symmetric transitions, the stationary probabilities are all equal:
:$$p_{\rm N} = p_{\rm M} = p_{\rm O} = p_{\rm P} = 1/4\hspace{0.05cm}.$$
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:$$p_{\rm N} = p_{\rm M} = p_{\rm O} = p_{\rm P} = 1/4\hspace{0.05cm}.$$
  
Informationstheoretisch sind Markovquellen von besonderer Bedeutung, da bei diesen &ndash; und nur bei diesen &ndash; durch
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In terms of information theory, Markov sources are of particular importance, since with these &ndash; and only with these &ndash; by
* $H_1$&nbsp; (erste Entropienäherung, nur auf den Symbolwahrscheinlichkeiten basierend), und
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* $H_1$&nbsp; (first entropy approximation, based only on the symbol probabilities), and
* $H_2$&nbsp; (zweite Entropienäherung, berechenbar mit den Verbundwahrscheinlichkeiten für alle Zweiertupel)  
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* $H_2$&nbsp; (second entropy approximation, computable with the composite probabilities for all two-tuples)  
  
  
gleichzeitig auch bestimmt sind:
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are also determined at the same time:
  
* die weiteren Entropienäherungen&nbsp; $H_k$&nbsp; mit&nbsp; $k = 3, \ 4$,&nbsp; ...  und
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* the further entropy approximations&nbsp; $H_k$&nbsp; with&nbsp; $k = 3, \ 4$,&nbsp; ..., and
* die tatsächliche Quellenentropie&nbsp; $H$.
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* the actual (final) source entropy&nbsp; $H$.
  
  
Es gelten folgende Bestimmungsgleichungen:
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The following equations of determination apply:
 
:$$H = 2 \cdot H_2 - H_1\hspace{0.05cm},$$
 
:$$H = 2 \cdot H_2 - H_1\hspace{0.05cm},$$
 
:$$H_k =  {1}/{k} \cdot \big [ H_{\rm 1} + (k-1) \cdot H \big ]  
 
:$$H_k =  {1}/{k} \cdot \big [ H_{\rm 1} + (k-1) \cdot H \big ]  
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''Hint:''
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Information_Theory/Discrete_Sources_with_Memory|Discrete Sources with Memory]].
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*Reference is made in particular to the page&nbsp; [[Information_Theory/Discrete_Sources_with_Memory#Non-binary_Markov_sources|Non-binary Markov Sources]].
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*For all entropies, add the pseudo-unit&nbsp; "bit/symbol".
  
  
 
''Hinweise:''
 
*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Information_Theory/Discrete_Sources_with_Memory|Discrete Sources with Memory]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite&nbsp;  [[Information_Theory/Nachrichtenquellen_mit_Gedächtnis#Nichtbin.C3.A4re_Markovquellen|Nichtbinäre Markovquellen]].
 
*Bei allen Entropien ist die Pseudoeinheit "bit/Symbol" hinzuzufügen.
 
 
  
  
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{Berechnen Sie die Entropienäherung&nbsp; $H_1$&nbsp; der Markovquelle&nbsp; $\rm MQ3$.
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{Calculate the entropy approximation&nbsp; $H_1$&nbsp; of the Markov source&nbsp; $\rm MQ3$.
 
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$H_1 \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \rm bit/Symbol$
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$H_1 \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \rm bit/symbol$
  
  
{Berechnen Sie die Entropienäherung&nbsp; $H_2$&nbsp; der Markovquelle&nbsp; $\rm MQ3$.
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{Calculate the entropy approximation&nbsp; $H_2$&nbsp; of the Markov source&nbsp; $\rm MQ3$.
 
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$H_2 \ = \ $ { 1.375 3% } $\ \rm bit/Symbol$
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$H_2 \ = \ $ { 1.375 3% } $\ \rm bit/symbol$
  
  
{Wie groß sind für&nbsp; $\rm MQ3$&nbsp; die tatsächliche Quellenentropie&nbsp; $H$&nbsp; und die Näherungen&nbsp; $H_3$&nbsp; und&nbsp; $H_4$?
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{What are the actual source entropy&nbsp; $H$&nbsp; and the approximations&nbsp; $H_3$&nbsp; and&nbsp; $H_4$ for&nbsp; $\rm MQ3$&nbsp;?
 
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$H \ = \ $ { 1.25 3% } $\ \rm bit/Symbol$
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$H \ = \ $ { 1.25 3% } $\ \rm bit/symbol$
$H_3 \ = \ $ { 1.333 3% } $\ \rm bit/Symbol$
+
$H_3 \ = \ $ { 1.333 3% } $\ \rm bit/symbol$
$H_4 \ = \ $ { 1.3125 3% } $\ \rm bit/Symbol$
+
$H_4 \ = \ $ { 1.3125 3% } $\ \rm bit/symbol$
  
 
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{Calculate the entropy approximation&nbsp; $H_1$&nbsp; of the Markov source&nbsp; $\rm MQ4$.
{Berechnen Sie die Entropienäherung&nbsp; $H_1$&nbsp; der Markovquelle&nbsp; $\rm MQ4$.
 
 
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$H_1 \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm bit/Symbol$
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$H_1 \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm bit/symbol$
  
  
{Berechnen Sie die Entropienäherung&nbsp; $H_2$&nbsp; der Markovquelle&nbsp; $\rm MQ4$.
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{Calculate the entropy approximation&nbsp; $H_2$&nbsp; of the Markov source&nbsp; $\rm MQ4$
 
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$H_2 \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \rm bit/Symbol$
+
$H_2 \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \rm bit/symbol$.
  
  
{Wie groß sind für&nbsp; $\rm MQ4$&nbsp; die tatsächliche Quellenentropie&nbsp; $H$&nbsp; und die Näherungen&nbsp; $H_3$&nbsp; und&nbsp; $H_4$?
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{What are the actual source entropy&nbsp; $H$&nbsp; and the approximations&nbsp; $H_3$&nbsp; and&nbsp; $H_4$ for&nbsp; $\rm MQ4$&nbsp;?
 
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$H \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm bit/Symbol$
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$H \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm bit/symbol$
$H_3 \ = \ $ { 1.333 3% } $\ \rm bit/Symbol$
+
$H_3 \ = \ $ { 1.333 3% } $\ \rm bit/symbol$
$H_4 \ = \ $ { 1.25 3% } $\ \rm bit/Symbol$
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$H_4 \ = \ $ { 1.25 3% } $\ \rm bit/symbol$
 
 
  
 
</quiz>
 
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Revision as of 15:08, 21 June 2021

Markov sources with
$M = 3$  and  $M = 4$

The graph shows two ergodic Markov sources   $($German:  "Markovquellen"   ⇒   "$\rm MQ$"$)$:

  • The source  $\rm MQ3$  is denoted by  $M = 3$  states  (symbols)  $\rm N$,  $\rm M$,  $\rm P$.  Due to stationarity, the probabilities have the following values:
$$p_{\rm N} = 1/2\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}p_{\rm M} = p_{\rm P} = 1/4\hspace{0.05cm}.$$
  • For the source  $\rm MQ4$  the state  $\rm O$  is additionally possible   ⇒   $M = 4$.  Due to the symmetric transitions, the stationary probabilities are all equal:
$$p_{\rm N} = p_{\rm M} = p_{\rm O} = p_{\rm P} = 1/4\hspace{0.05cm}.$$

In terms of information theory, Markov sources are of particular importance, since with these – and only with these – by

  • $H_1$  (first entropy approximation, based only on the symbol probabilities), and
  • $H_2$  (second entropy approximation, computable with the composite probabilities for all two-tuples)


are also determined at the same time:

  • the further entropy approximations  $H_k$  with  $k = 3, \ 4$,  ..., and
  • the actual (final) source entropy  $H$.


The following equations of determination apply:

$$H = 2 \cdot H_2 - H_1\hspace{0.05cm},$$
$$H_k = {1}/{k} \cdot \big [ H_{\rm 1} + (k-1) \cdot H \big ] \hspace{0.05cm}.$$



Hint:



Fragebogen

1

Calculate the entropy approximation  $H_1$  of the Markov source  $\rm MQ3$.

$H_1 \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$

2

Calculate the entropy approximation  $H_2$  of the Markov source  $\rm MQ3$.

$H_2 \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$

3

What are the actual source entropy  $H$  and the approximations  $H_3$  and  $H_4$ for  $\rm MQ3$ ?

$H \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$
$H_3 \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$
$H_4 \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$

4

Calculate the entropy approximation  $H_1$  of the Markov source  $\rm MQ4$.

$H_1 \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$

5

Calculate the entropy approximation  $H_2$  of the Markov source  $\rm MQ4$

$H_2 \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$.

6

What are the actual source entropy  $H$  and the approximations  $H_3$  and  $H_4$ for  $\rm MQ4$ ?

$H \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$
$H_3 \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$
$H_4 \ = \ $

$\ \rm bit/symbol$


Musterlösung

(1)  Die Symbolwahrscheinlichkeiten der ternären Markovquelle sind gegeben.

  • Daraus lässt sich die Entropienäherung  $H_1$  berechnen:
$$H_{\rm 1} = 1/2 \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm} (2) + 2 \cdot 1/4 \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm}(4 ) \hspace{0.15cm} \underline {= 1.5 \,{\rm bit/Symbol}} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Die Verbundwahrscheinlichkeit ist  $p_{\rm XY} = p_{\rm X} \cdot p_{\rm Y|X}$,  wobei  $p_{\rm X}$  die Symbolwahrscheinlichkeit von  $\rm X$  angibt und  $p_{\rm Y|X}$  die bedingte Wahrscheinlichkeit für  $\rm Y$, unter der Voraussetzung, dass vorher  $\rm X$  aufgetreten ist.

  • $\rm X$  und  $\rm Y$  sind hier Platzhalter für die Symbole  $\rm N$,  $\rm P$  und  $\rm M$.  Dann gilt:
$$p_{\rm NN} = 1/2 \cdot 1/2 = 1/4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}p_{\rm PP} = 1/4 \cdot 0 = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}p_{\rm MM} = 1/4 \cdot 0 = 0 \hspace{0.05cm},$$
$$ p_{\rm NP} = 1/2 \cdot 1/4 = 1/8\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} p_{\rm PM} = 1/4 \cdot 1/2 = 1/8\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}p_{\rm MN} = 1/4 \cdot 1/2 = 1/8 \hspace{0.05cm},$$
$$ p_{\rm NM} = 1/2 \cdot 1/4 = 1/8\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} p_{\rm MP} = 1/4 \cdot 1/2 = 1/8\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}p_{\rm PN} = 1/4 \cdot 1/2 = 1/8$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} H_{\rm 2} = {1}/{2} \cdot \big [ 1/4 \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm}( 4) + 6 \cdot 1/8 \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm} (8) \big ] \hspace{0.15cm} \underline {= 1.375 \,{\rm bit/Symbol}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  $\rm MQ3$  weist Markoveigenschaften auf.

  • Deshalb können aus  $H_1$  und  $H_2$  alle Näherungen  $H_3$,  $H_4$,  ... und auch der Grenzwert  $H =H_\infty$  für  $k \to \infty$  angegeben werden:
$$H = 2 \cdot H_2 - H_1 = 2\cdot 1.375 - 1.5 \hspace{0.15cm} \underline {= 1.250 \,{\rm bit/Symbol}}\hspace{0.05cm},$$
$$ H_3 \hspace{0.1cm} = \hspace{0.1cm}= (H_1 + 2 \cdot H)/3 = (1.5 + 2 \cdot 1.25)/3 \hspace{0.15cm} \underline {= 1.333 \,{\rm bit/Symbol}}\hspace{0.05cm},$$
$$ H_4 = (H_1 + 3 \cdot H)/4 = (1.5 + 3 \cdot 1.25)/4 \hspace{0.15cm} \underline {= 1.3125 \,{\rm bit/Symbol}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Die zehnte Entropienäherung unterscheidet sich noch immer vom Endwert  $H = 1.25 \, \rm bit/Symbol$,  wenn auch nur geringfügig  $($um $2\%)$ :
$$H_{10} = (H_1 + 9 \cdot H)/10 = (1.5 + 9 \cdot 1.25)/10 {= 1.275 \,{\rm bit/Symbol}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Entsprechend der Angabe sind bei  $\rm MQ4$  die  $M = 4$  Symbole gleichwahrscheinlich.

  • Daraus folgt:
$$H_{\rm 1} = H_{\rm 0} = {\rm log}_2\hspace{0.1cm} (4) \hspace{0.15cm} \underline {= 2 \,{\rm bit/Symbol}} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Von den  $M^2 = 16$  möglichen Zweiertupeln sind nun acht Kombinationen nicht möglich:

$$\rm NP, NO, PP, PO, OM, ON, MM, MN.$$
  • Die acht weiteren Kombinationen (Zweiertupel) ergeben jeweils den Verbundwahrscheinlichkeitswert  $1/8$, wie an zwei Beispielen gezeigt wird:
$$p_{\rm NN} = p_{\rm N} \cdot p_{\rm N\hspace{0.01cm}|\hspace{0.01cm}N} = 1/4 \cdot 1/2 = 1/8 \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} p_{\rm MP} = p_{\rm M} \cdot p_{\rm P\hspace{0.01cm}|\hspace{0.01cm}M} = 1/4 \cdot 1/2 = 1/8 \hspace{0.05cm}.$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} H_2 = {1}/{2} \cdot \big [ 8 \cdot 1/8 \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm} (8) \big ] \hspace{0.15cm} \underline {= 1.5 \,{\rm bit/Symbol}} \hspace{0.05cm}.$$


(6)  Aufgrund der Markoveigenschaft gilt hier:

$$H = 2 \cdot H_2 - H_1 = 2\cdot 1.5 - 2 \hspace{0.15cm} \underline {= 1 \,{\rm bit/Symbol}}\hspace{0.05cm},$$
$$ H_3 = (H_1 + 2 \cdot H)/3 = (2 + 2 \cdot 1)/3 \hspace{0.15cm} \underline {= 1.333 \,{\rm bit/Symbol}}\hspace{0.05cm},$$
$$ H_4 = (H_1 + 3 \cdot H)/4 = (2 + 3 \cdot 1)/4 \hspace{0.15cm} \underline {= 1.250 \,{\rm bit/Symbol}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Auch hier unterscheidet sich die zehnte Näherung noch deutlich vom Endwert, nämlich um  $10\%$:
$$H_{10} = (H_1 + 9 \cdot H)/10 = (2 + 9 \cdot 1)/10 {= 1.1 \,{\rm bit/Symbol}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Eine Abweichung um nur  $2\%$  ergibt sich hier erst für  $k = 50$.  Zum Vergleich:   Bei der Markovquelle  $\rm MQ3$  wurde diese Annäherung bereits mit  $k = 10$  erreicht.