Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.8Z: Tuples from Ternary Random Variables"

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{{quiz-Header|Buchseite=Informationstheorie/Verschiedene Entropien zweidimensionaler Zufallsgrößen
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{{quiz-Header|Buchseite=Information_Theory/Different_Entropy_Measures_of_Two-Dimensional_Random_Variables
  
 
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[[File:P_ID2771__Inf_Z_3_7.png|right|Wahrscheinlichkeitsfunktion der Zufallsgröße „XY”]]
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[[File:P_ID2771__Inf_Z_3_7.png|right|2D random variable  $XY$]]
Wir betrachten das Tupel $Z = (X, Y)$, wobei die Einzelkomponenten $X$ und $Y$ jeweils ternäre Zufallsgrößen darstellen   ⇒    Symbolumfang $|X| = |Y| = 3$. Die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsfunktion $P_{ XY }(X, Y)$ ist rechts skizziert.
+
We consider the tuple  $Z = (X, Y)$,  where the individual components  $X$  and  $Y$  each represent ternary random variables   ⇒    symbol set size  $|X| = |Y| = 3$.  The joint probability function  $P_{ XY }(X, Y)$  is sketched on the right.
  
In dieser Aufgabe sind zu berechnen:  
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In this exercise, the following entropies are to be calculated:  
* die ''Verbundentropie'' $H(XY)$ und die ''Transinformation'' $I(X; Y)$,
+
* the  "joint entropy"  $H(XY)$  and the  "mutual information"  $I(X; Y)$,
* die ''Verbundentropie'' $H(XZ)$ und die ''Transinformation'' $I(X; Z)$,
+
* the  "joint entropy"  $H(XZ)$  and the  "mutual information"  $I(X; Z)$,
*die beiden ''bedingten Entropien'' $H(Z|X)$ und $H(X|Z)$.
+
* the two  "conditional entropies"  $H(Z|X)$  and  $H(X|Z)$.
  
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Informationstheorie/Verschiedene_Entropien_zweidimensionaler_Zufallsgrößen|Verschiedene Entropien zweidimensionaler Zufallsgrößen]].
 
*Insbesondere wird Bezug genommen auf die Seiten [[Informationstheorie/Verschiedene_Entropien_zweidimensionaler_Zufallsgrößen#Bedingte_Wahrscheinlichkeit_und_bedingte_Entropie|Bedingte Wahrscheinlichkeit und bedingte Entropie]] sowie [[Informationstheorie/Verschiedene_Entropien_zweidimensionaler_Zufallsgrößen#Transinformation_zwischen_zwei_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|Transinformation zwischen zwei Zufallsgrößen]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter  [[Information_Theory/Verschiedene_Entropien_zweidimensionaler_Zufallsgrößen|Different entropies of two-dimensional random variables]].
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*In particular, reference is made to the pages&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; [[Information_Theory/Verschiedene_Entropien_zweidimensionaler_Zufallsgrößen#Conditional_probability_and_conditional_entropy|Conditional probability and conditional entropy]] &nbsp; as well as <br> &nbsp; &nbsp;[[Information_Theory/Verschiedene_Entropien_zweidimensionaler_Zufallsgrößen#Mutual_information_between_two_random_variables|Mutual information between two random variables]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die folgenden Entropien.
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{Calculate the following entropies.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$H(X)\ = \ $  { 1.585 3% } $\ \rm bit$
 
$H(X)\ = \ $  { 1.585 3% } $\ \rm bit$
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$ H(XY)\ = \ $ { 3.17 3% } $\ \rm bit$
 
$ H(XY)\ = \ $ { 3.17 3% } $\ \rm bit$
  
{Welche Transinformationen besteht zwischen den Zufallsgrößen $X$ und $Y$?
+
{What is the mutual information between the random variables&nbsp; $X$&nbsp; and&nbsp; $Y$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$I(X; Y)\ = \ $ { 0. } $\ \rm bit$
 
$I(X; Y)\ = \ $ { 0. } $\ \rm bit$
  
{Welche Transinformationen besteht zwischen den Zufallsgrößen $X$ und $Z$?
+
{What is the mutual information between the random variables&nbsp; $X$&nbsp; and&nbsp; $Z$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$I(X; Z)\ = \ $ { 1.585 3% } $\ \rm bit$
 
$I(X; Z)\ = \ $ { 1.585 3% } $\ \rm bit$
  
{Welche bedingten Entropien bestehen zwischen $X$ und $Z$?
+
{What conditional entropies exist between&nbsp; $X$&nbsp; and&nbsp; $Z$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$H(Z|X)\ = \ $ { 1.585 3% } $\ \rm bit$
 
$H(Z|X)\ = \ $ { 1.585 3% } $\ \rm bit$
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Bei den beiden Zufallsgrößen $X =\{0, 1, 2\}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $|X| = 3$ und $Y = \{0, 1, 2\}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $|Y| = 3$ liegt jeweils eine Gleichverteilung vor. Damit erhält man für die Entropien:
+
'''(1)'''&nbsp;  For the random variables&nbsp; $X =\{0,\ 1,\ 2\}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $|X| = 3$&nbsp; and&nbsp; $Y = \{0,\ 1,\ 2\}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $|Y| = 3$&nbsp; there is a uniform distribution in each case.&nbsp;
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*Thus one obtains for the entropies:
  
 
:$$H(X) =  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (3)  
 
:$$H(X) =  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (3)  
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\hspace{0.15cm}\underline{= 1.585\,{\rm (bit)}}\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.15cm}\underline{= 1.585\,{\rm (bit)}}\hspace{0.05cm}.$$
  
Die 2D–Zufallsgröße $XY = \{00, 01, 02, 10, 11, 12, 20, 21, 22\}$  &nbsp; &rArr; &nbsp;  $|XY| = |Z| = 9$ weist ebenfalls gleiche Wahrscheinlichkeiten auf: $p_{ 00 } = p_{ 01 } =\text{...} = p_{ 22 } = 1/9$. Daraus folgt:
+
*The two-dimensional random variable&nbsp; $XY = \{00,\ 01,\ 02,\ 10,\ 11,\ 12,\ 20,\ 21,\ 22\}$  &nbsp; &rArr; &nbsp;  $|XY| = |Z| = 9$&nbsp; has also equal probabilities:
 +
:$$p_{ 00 } = p_{ 01 } =\text{...} = p_{ 22 } = 1/9.$$  
 +
*From this follows:
 
:$$H(XY) =  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (9) \hspace{0.15cm}\underline{= 3.170\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$H(XY) =  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (9) \hspace{0.15cm}\underline{= 3.170\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(2)'''&nbsp;  Die Zufallsgrößen$X$und $Y$ sind wegen $P_{ XY }(⋅) = P_X(⋅) · P_Y(⋅)$ statistisch unabhängig &nbsp; &rArr; &nbsp; $I(X, Y)\hspace{0.15cm}\underline{ = 0}$. Zum gleichen Ergebnis kommt man über die Gleichung $I(X; Y) = H(X) + H(Y) – H(XY)$.
 
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Interpretiert man $I(X; Z)$ als die verbleibende Unsicherheit hinsichtlich des Tupels $Z$, wenn die erste Komponente $X$ bekannt ist, so gilt offensichtlich$ I(X; Z) = H(Y)\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.585 \ \rm bit}$.
+
'''(2)'''&nbsp;  The random variables&nbsp; $X$&nbsp; and&nbsp; $Y$&nbsp; are statistically independent because of&nbsp; $P_{ XY }(⋅) = P_X(⋅) · P_Y(⋅)$&nbsp;.
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*From this follows&nbsp;  $I(X, Y)\hspace{0.15cm}\underline{ = 0}$.  
 +
*The same result is obtained by the equation&nbsp; $I(X; Y) = H(X) + H(Y) - H(XY)$.
 +
 
  
Rein formal lässt sich diese Aufgabe auch wie folgt lösen:
 
:* Die Entropie $H(Z)$ ist gleich der Verbundentropie $H(XY) = 3.170 bit$.
 
[[File:P_ID2773__Inf_Z_3_7d.png|right|]]
 
:* Die Verbundwahrscheinlichkeit $P_{ XZ }(X, Z)$ beinhaltet neun Elemente der Wahrscheinlichkeit $1/9$, alle anderen sind mit Nullen belegt (Rechte Grafik)  $\Rightarrow  H(XZ) = log2 (9) = 3.170 bit$.
 
  
:* Damit gilt für die Transinformation (gemeinsame Information der Zufalsgrößen $X$ und $Z$):
+
[[File:P_ID2774__Inf_Z_3_7c.png|right|frame|Probability mass function of the random variable&nbsp; $XZ$]]
  
$$I(X;Z) = H(X) + H(Z) - H(XZ) = $$
+
'''(3)'''&nbsp;  If one interprets&nbsp; $I(X; Z)$&nbsp; as the remaining uncertainty with regard to the tuple&nbsp; $Z$,&nbsp; when the first component&nbsp; $X$&nbsp; is known,&nbsp; then the following obviously applies:
$$= 1.585 +3.170 - 3170 = 1.585 (bit)$$
+
:$$ I(X; Z) = H(Y)\hspace{0.15cm}\underline{  = 1.585 \ \rm bit}.$$
  
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In purely formal terms, this task can also be solved as follows:
 +
* The entropy&nbsp; $H(Z)$&nbsp; is equal to the joint entropy&nbsp; $H(XY) = 3.17 \ \rm bit$.
 +
* The joint probability&nbsp; $P_{ XZ }(X, Z)$&nbsp; contains nine elements of probability&nbsp; $1/9$,&nbsp; all others are occupied by zeros &nbsp; &rArr; &nbsp;  $H(XZ) = \log_2 (9) = 3.170 \ \rm bit $.
 +
* Thus, the following applies to the mutual information of the random variables&nbsp; $X$&nbsp; and&nbsp; $Z$:
 +
:$$I(X;Z) = H(X) + H(Z) - H(XZ) = 1.585 + 3.170- 3.170\hspace{0.15cm} \underline {= 1.585\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
[[File:P_ID2774__Inf_Z_3_7c.png|right|]]
+
[[File:P_ID2773__Inf_Z_3_7d.png|right|frame|Entropies of the 2D variable&nbsp; $XZ$]]
'''(4)'''&nbsp;  Entsprechend der rechten Grafik gilt:  
+
'''(4)'''&nbsp;  According to the second graph:
 +
:$$H(Z \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.1cm} X) = H(XZ) - H(X) = 3.170-1.585\hspace{0.15cm} \underline {=1.585\ {\rm (bit)}} \hspace{0.05cm},$$
 +
:$$H(X \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.1cm} Z)  = H(XZ) - H(Z) = 3.170-3.170\hspace{0.15cm} \underline {=0\ {\rm (bit)}}  \hspace{0.05cm}.$$
  
$$H(Z|X) = H(XZ)- H(X) = 3.170 - 1.585 = 1.585 (bit)$$
+
* $H(Z|X)$&nbsp; gives the residual uncertainty with respect to the tuple&nbsp; $Z$,&nbsp; when the first componen&nbsp; $X$&nbsp; is known.
$$H(X|Z) = H(XZ) - H(Z) = 3.170 -  3.170 = 0 (bit)$$
+
* The uncertainty regarding the tuple&nbsp; $Z$&nbsp; is&nbsp; $H(Z) = 2 · \log_2 (3) \ \rm bit$.
:* $H(Z|X)$ gibt die Restunsicherheit hinsichtlich des Tupels $Z$ an, wenn man die erste Komponente $X$kennt. Die Unsicherheit hinsichtlich des Tupels $Z$ ist $H(Z) = 2 · log_2 (3) bit$, bei Kenntnis der Komponente $X$ halbiert sich die Unsicherheit auf $H(Z|X) = log2 (3) bit$.
+
* When the component&nbsp; $X$&nbsp; is known, the uncertainty is halved to&nbsp; $H(Z|X) = \log_2 (3)\ \rm  bit$.
:* $H(X|Z)$gibt die verbleibende Unsicherheit hinsichtlich der Komponente $X$ an, wenn man das Tupel $Z = (X, Y)$ kennt. Diese Unsicherheit ist natürlich $0$: Kennt man $Z$, so kennt man auch $X$.
+
* $H(X|Z)$&nbsp; gives the remaining uncertainty with respect to component&nbsp; $X$,&nbsp; when the tuple&nbsp; $Z = (X, Y)$&nbsp; is known.&nbsp;
 +
* This uncertainty is of course zero: &nbsp; If one knows&nbsp; $Z$, one also knows&nbsp; $X$.
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Informationstheorie|^3.2 Entropien von 2D-Zufallsgrößen^]]
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[[Category:Information Theory: Exercises|^3.2 Entropies of 2D Random Variables^]]

Latest revision as of 09:16, 24 September 2021

2D random variable  '"`UNIQ-MathJax29-QINU`"'

We consider the tuple  $Z = (X, Y)$,  where the individual components  $X$  and  $Y$  each represent ternary random variables   ⇒   symbol set size  $|X| = |Y| = 3$.  The joint probability function  $P_{ XY }(X, Y)$  is sketched on the right.

In this exercise, the following entropies are to be calculated:

  • the  "joint entropy"  $H(XY)$  and the  "mutual information"  $I(X; Y)$,
  • the  "joint entropy"  $H(XZ)$  and the  "mutual information"  $I(X; Z)$,
  • the two  "conditional entropies"  $H(Z|X)$  and  $H(X|Z)$.





Hints:



Questions

1

Calculate the following entropies.

$H(X)\ = \ $

$\ \rm bit$
$H(Y)\ = \ $

$\ \rm bit$
$ H(XY)\ = \ $

$\ \rm bit$

2

What is the mutual information between the random variables  $X$  and  $Y$?

$I(X; Y)\ = \ $

$\ \rm bit$

3

What is the mutual information between the random variables  $X$  and  $Z$?

$I(X; Z)\ = \ $

$\ \rm bit$

4

What conditional entropies exist between  $X$  and  $Z$?

$H(Z|X)\ = \ $

$\ \rm bit$
$ H(X|Z)\ = \ $

$\ \rm bit$


Solution

(1)  For the random variables  $X =\{0,\ 1,\ 2\}$   ⇒   $|X| = 3$  and  $Y = \{0,\ 1,\ 2\}$   ⇒   $|Y| = 3$  there is a uniform distribution in each case. 

  • Thus one obtains for the entropies:
$$H(X) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (3) \hspace{0.15cm}\underline{= 1.585\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm},$$
$$H(Y) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (3) \hspace{0.15cm}\underline{= 1.585\,{\rm (bit)}}\hspace{0.05cm}.$$
  • The two-dimensional random variable  $XY = \{00,\ 01,\ 02,\ 10,\ 11,\ 12,\ 20,\ 21,\ 22\}$   ⇒   $|XY| = |Z| = 9$  has also equal probabilities:
$$p_{ 00 } = p_{ 01 } =\text{...} = p_{ 22 } = 1/9.$$
  • From this follows:
$$H(XY) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (9) \hspace{0.15cm}\underline{= 3.170\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  The random variables  $X$  and  $Y$  are statistically independent because of  $P_{ XY }(⋅) = P_X(⋅) · P_Y(⋅)$ .

  • From this follows  $I(X, Y)\hspace{0.15cm}\underline{ = 0}$.
  • The same result is obtained by the equation  $I(X; Y) = H(X) + H(Y) - H(XY)$.


Probability mass function of the random variable  $XZ$

(3)  If one interprets  $I(X; Z)$  as the remaining uncertainty with regard to the tuple  $Z$,  when the first component  $X$  is known,  then the following obviously applies:

$$ I(X; Z) = H(Y)\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.585 \ \rm bit}.$$

In purely formal terms, this task can also be solved as follows:

  • The entropy  $H(Z)$  is equal to the joint entropy  $H(XY) = 3.17 \ \rm bit$.
  • The joint probability  $P_{ XZ }(X, Z)$  contains nine elements of probability  $1/9$,  all others are occupied by zeros   ⇒   $H(XZ) = \log_2 (9) = 3.170 \ \rm bit $.
  • Thus, the following applies to the mutual information of the random variables  $X$  and  $Z$:
$$I(X;Z) = H(X) + H(Z) - H(XZ) = 1.585 + 3.170- 3.170\hspace{0.15cm} \underline {= 1.585\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$


Entropies of the 2D variable  $XZ$

(4)  According to the second graph:

$$H(Z \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.1cm} X) = H(XZ) - H(X) = 3.170-1.585\hspace{0.15cm} \underline {=1.585\ {\rm (bit)}} \hspace{0.05cm},$$
$$H(X \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.1cm} Z) = H(XZ) - H(Z) = 3.170-3.170\hspace{0.15cm} \underline {=0\ {\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$
  • $H(Z|X)$  gives the residual uncertainty with respect to the tuple  $Z$,  when the first componen  $X$  is known.
  • The uncertainty regarding the tuple  $Z$  is  $H(Z) = 2 · \log_2 (3) \ \rm bit$.
  • When the component  $X$  is known, the uncertainty is halved to  $H(Z|X) = \log_2 (3)\ \rm bit$.
  • $H(X|Z)$  gives the remaining uncertainty with respect to component  $X$,  when the tuple  $Z = (X, Y)$  is known. 
  • This uncertainty is of course zero:   If one knows  $Z$, one also knows  $X$.