Rechts sehen Sie die Entropiefunktionen $H_{\rm R}(p)$, H_{\rm B}(p)$ und H_{\rm G}(p)$, wobei „R” für „Rot” steht, „B” für „Blau” und „G” für „Grün” . Die Wahrscheinlichkeitsfunktionen lauten für alle Zufallsgrößen:
On the right you see the entropy functions $H_{\rm R}(p)$, $H_{\rm B}(p)$ and $H_{\rm G}(p)$, where $\rm R$ stands for "red", $\rm B$ for "blue" and $\rm G$ for "green". The probability functions are for all random variables:
und liegt stets im Bereich $0 \le H(X) \le \log_2 \hspace{0.1cm} |X|$.
and always lies in the range $0 \le H(X) \le \log_2 \hspace{0.05cm} |X|$.
Die untere Schranke <i>H</i>(<i>X</i>) = 0 ergibt sich, wenn eine beliebige Wahrscheinlichkeit <i>p<sub>μ</sub></i> = 1 ist und alle anderen 0 sind. Die obere Schranke soll hier wie in [Kra13] hergeleitet werden:
:* Durch Erweiterung obiger Gleichung um |<i>X</i>| in Zähler und Nenner erhält man unter Verwendung von log<sub>2</sub>(<i>x</i>) = ln(<i>x</i>)/ln(2):
*The lower bound $H(X) = 0$ results when any probability $p_\mu = 1$ and all others are zero.
:* Wie aus nachfolgender Grafik hervorgeht, gilt die Abschätzung ln(<i>x</i>) ≤ <i>x</i> – 1 mit der Identität für <i>x</i> = 1. Somit kann geschrieben werden:
[[File:P_ID2755__Inf_A_3_3_B_neu.png|right|Obere Abschätzung für den natürlichen Logarithmus]]
:* In Aufgabe A3.2 wurde für den Fall, dass <i>p<sub>μ</sub></i> ≠ 0 für alle <i>μ</i> gilt, der Erwartungswert E[1/<i>P<sub>X</sub></i>(<i>X</i>)] zu |<i>X</i>| berechnet. Damit verschwindet der erste Term und man erhält das bekannte Ergebnis:
*The upper bound is to be derived here as in the lecture "Information Theory" by [[Biographies_and_Bibliographies/Chair_holders_of_the_LNT_since_1962#Prof._Dr._sc._techn._Gerhard_Kramer_(since_2010)|Gerhard Kramer]] at the TU Munich:
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Informationstheorie/Einige_Vorbemerkungen_zu_zweidimensionalen_Zufallsgrößen|Einige Vorbemerkungen zu den 2D-Zufallsgrößen]].
[[File:P_ID2755__Inf_A_3_3_B_neu.png|right|frame|Upper bound estimate for the natural logarithm]]
*Ausgegangen wird hier von der gleichen Konstellation wie in [[http://en.lntwww.de/Aufgaben:3.02_Erwartungswertberechnungen|Aufgabe 3.2]].
:* By extending the above equation by $|X|$ in the numerator and denominator, using $\log_2 \hspace{0.05cm}x= \ln(x)/\ln(2)$, we obtain:
*Dort wurde die Zufallsgrößen $Y = \{ 0, 1, 2, 3 \}$ betrachtet, allerdings mit dem Zusatz ${\rm Pr}(Y = 3) = 0$.
*Die so erzwungene Eigenschaft $|X| = |Y|$ war in der vorherigen Aufgabe zur formalen Berechnung des Erwartungswertes ${\rm E}[P_X(X)]$ von Vorteil.
:* As can be seen from the graph opposite, the estimation $\ln(x) \le x-1$ holds with the identity for $x=1$. Thus, it can be written:
:* In [[Aufgaben:3.2_Erwartungswertberechnungen|Exercise 3.2]] the expected value ${\rm E} \big [\log_2 \hspace{0.05cm} {1}/{P_X(X)} \big ] =|X|$ was calculated for the case $p_\mu \ne 0$ for all $\mu$ . Thus, the first term disappears and the known result is obtained:
*The exercise belongs to the chapter [[Information_Theory/Einige_Vorbemerkungen_zu_zweidimensionalen_Zufallsgrößen|Some preliminary remarks on 2D random variables]].
*In particular, reference is made to the page [[Information_Theory/Some_Preliminary_Remarks_on_Two-Dimensional_Random_Variables#Probability_mass_function_and_entropy|Probability function and entropy]].
*The same constellation is assumed here as in [[Aufgaben:Aufgabe_3.2:_Erwartungswertberechnungen|Exercise 3.2]].
<b>1.</b> <u>Beide Aussagen sind richtig.</u> Setzt man <i>p</i><sub>3</sub> = 0 und formal <i>p</i><sub>1</sub> = <i>p</i> ⇒ <i>p</i><sub>2</sub> = 1 – <i>p</i>, so ergibt sich die binäre Entropiefunktion
'''(1)''' <u>Both statements are correct:</u>
:$$H_{\rm bin}(p) = p \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{p} +
*If we set $p_3 = 0$ and formally $p_1 = p$ ⇒ $p_2 = 1- p$, we get the binary entropy function
*By setting this derivative to zero, we obtain the abscissa value $p = 0.5$, which leads to the maximum of the entropy function: $H_{\rm bin}(p =0.5) = 1$ bit <br>⇒ the proposed solution 2 is wrong.
*By differentiating again, one obtains for the second derivative
Durch Nullsetzen dieser Ableitung erhält man den Abszissenwert <i>p</i> = 0.5, der zum Maximum der Entropiefunktion führt: <i>H</i><sub>bin</sub>(<i>p</i> = 0.5) = 1 bit ⇒ Lösungsvorschlag 2 ist falsch..
*This function is negative in the entire definition domain $0 ≤ p ≤ 1$ ⇒ $H_{\rm bin}(p)$ is concave ⇒ the proposed solution 1 is correct.
Durch nochmaliges Differenzieren erhält man für die zweite Ableitung:
\frac{-1}{{\rm ln}(2) \cdot p \cdot (1-p)} \hspace{0.05cm}.$$
Diese Funktion ist im gesamten Definitionsgebiet 0 ≤ <i>p</i> ≤ 1 negativ ⇒ <i>H</i><sub>bin</sub>(<i>p</i>) ist konkav ⇒ Richtig ist dementsprechend (allein) der <u>Lösungsvorschlag 1</u>.
<b>3.</b> Richtig sind hier die <u>Aussagen 1 und 2</u>:
:* Für <i>p</i> = 0 erhält man die Wahrscheinlichkeitsfunktion <i>P<sub>X</sub></i>(<i>X</i>) = [0, 1/2, 1/2] ⇒ <i>H</i>(<i>X</i>) = 1 bit.
<b>4.</b> Richtig sind die <u> erste und letzte Aussage</u>. Der grüne Kurvenzug beinhaltet mit <i>p</i> = 1/3 auch die Gleichverteilung aller Wahrscheinlichkeiten ⇒ Max[<i>H</i><sub>G</sub>(<i>p</i>)] = log<sub>2</sub> (3) bit. Allgemein lässt sich der gesamte Kurvenverlauf im Bereich 0 ≤ <i>p</i> ≤ 2/3 wie folgt ausdrücken:
'''(4)''' <u>The first and last statements</u> are correct here::
On the right you see the entropy functions $H_{\rm R}(p)$, $H_{\rm B}(p)$ and $H_{\rm G}(p)$, where $\rm R$ stands for "red", $\rm B$ for "blue" and $\rm G$ for "green". The probability functions are for all random variables:
In Exercise 3.2 the expected value ${\rm E} \big [\log_2 \hspace{0.05cm} {1}/{P_X(X)} \big ] =|X|$ was calculated for the case $p_\mu \ne 0$ for all $\mu$ . Thus, the first term disappears and the known result is obtained:
By setting this derivative to zero, we obtain the abscissa value $p = 0.5$, which leads to the maximum of the entropy function: $H_{\rm bin}(p =0.5) = 1$ bit ⇒ the proposed solution 2 is wrong.
By differentiating again, one obtains for the second derivative
This function is negative in the entire definition domain $0 ≤ p ≤ 1$ ⇒ $H_{\rm bin}(p)$ is concave ⇒ the proposed solution 1 is correct.
Three entropy functions with $M = 3$
(3)Propositions 1 and 2 are correct here:
For $p = 0$ one obtains the probability function $P_X(X) = \big [\hspace{0.05cm}0\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} 1/2\hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm} 1/2 \hspace{0.05cm} \big ]$ ⇒ $H(X) = 1$ bit.
The maximum under the condition $p_3 = 1/2$ is obtained for $p_1 = p_2 = 1/4$: