Exercise 3.9: Conditional Mutual Information
Wir gehen von den statistisch unabhängigen Zufallsgrößen $X$, $Y$ und $Z$ mit den folgenden Eigenschaften aus :
- $$X \in \{1, 2 \} \hspace{0.05cm},\hspace{0.35cm} Y \in \{1, 2 \} \hspace{0.05cm},\hspace{0.35cm} Z \in \{1, 2 \} \hspace{0.05cm},\hspace{0.35cm} P_X(X) = P_Y(Y) = [ 1/2 , 1/2]\hspace{0.05cm},\hspace{0.35cm}P_Z(Z) = [ p, 1-p].$$
Aus $X$, $Y$ und $Z$ bilden wir die neue Zufallsgröße $W = (X+Y) \cdot Z$.
- Damit ist offensichtlich, dass es zwischen den beiden Zufallsgrößen $X$ und $W$ statistische Abhängigkeiten gibt, die sich auch in der Transinformation $I(X; W) ≠ 0$ zeigen werden.
- Außerdem wird auch $I(Y; W) ≠ 0$ sowie $I(Z; W) ≠ 0$ gelten, worauf in dieser Aufgabe jedoch nicht näher eingegangen wird.
In dieser Aufgabe werden drei verschiedene Transinformationsdefinitionen verwendet:
- die herkömmliche Transinformation zwischen $X$ und $W$:
- $$I(X;W) = H(X) - H(X|\hspace{0.05cm}W) \hspace{0.05cm},$$
- die bedingte Transinformation zwischen $X$ und $W$ bei gegebenem Festwert $Z = z$:
- $$I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z = z) = H(X\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z = z) - H(X|\hspace{0.05cm}W ,\hspace{0.05cm} Z = z) \hspace{0.05cm},$$
- die bedingte Transinformation zwischen $X$ und $W$ bei gegebener Zufallsgröße $Z$:
- $$I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z ) = H(X\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z ) - H(X|\hspace{0.05cm}W \hspace{0.05cm} Z ) \hspace{0.05cm}.$$
Der Zusammenhang zwischen den beiden letzten Definitionen lautet:
- $$I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z ) = \sum_{z \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{Z})} \hspace{-0.2cm} P_Z(z) \cdot I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z = z)\hspace{0.05cm}.$$
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Verschiedene Entropien zweidimensionaler Zufallsgrößen.
- Insbesondere wird auf die Seite Bedingte Transinformation Bezug genommen .
- Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
Fragebogen
Musterlösung
Damit gilt für die Transinformation unter der festen Bedingung $Z = 1$:
- $$I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z = 1) \hspace{-0.05cm} = \hspace{-1.1cm}\sum_{(x,w) \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{XW}\hspace{0.01cm}|\hspace{0.01cm} Z\hspace{-0.03cm} =\hspace{-0.03cm} 1)} \hspace{-1.1cm} P_{XW\hspace{0.01cm}|\hspace{0.01cm} Z\hspace{-0.03cm} =\hspace{-0.03cm} 1} (x,w) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{P_{XW\hspace{0.01cm}|\hspace{0.01cm} Z\hspace{-0.03cm} =\hspace{-0.03cm} 1} (x,w) }{P_X(x) \cdot P_{W\hspace{0.01cm}|\hspace{0.01cm} Z\hspace{-0.03cm} =\hspace{-0.03cm} 1} (w) } = 2 \cdot \frac{1}{4} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1/4}{1/2 \cdot 1/4} + 2 \cdot \frac{1}{4} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1/4}{1/2 \cdot 1/2} \hspace{0.15cm} \underline {=0.5\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$
Der erste Term fasst die beiden horizontal schraffierten Felder in obiger Grafik zusammen, der zweite Term die vertikal schraffierten Felder. Letztere liefern wegen $\log_2 (1) = 0$ keinen Beitrag.
(2) Für $Z = 2$ gilt zwar $W = \{4, 6, 8\}$, aber hinsichtlich der Wahrscheinlichkeitsfunktionen ändert sich gegenüber der Teilaufgabe (1) nichts. Demzufolge erhält man auch die gleiche bedingte Transinformation:
- $$I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z = 2) = I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z = 1) \hspace{0.15cm} \underline {=0.5\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$
(3) Die angegebene Gleichung lautet für $Z = \{1, 2\}$ mit ${\rm Pr}(Z = 1) =p$ und ${\rm Pr}(Z = 2) =1-p$:
- $$I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z) = p \cdot I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z = 1) + (1-p) \cdot I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z = 2)\hspace{0.15cm} \underline {=0.5\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$
Es ist berücksichtigt, dass entsprechend den Teilaufgaben (1) und (2) die bedingten Transinformationen für gegebenes $Z = 1$ und gegebenes $Z = 2$ gleich sind. Damit ist $I(X; W|Z)$, also unter der Bedingung einer stochastischen Zufallsgröße $Z = \{1, 2\}$ mit $P_Z(Z) = [p, 1 – p]$, unabhängig von $p$. Das Ergebnis gilt insbesondere auch für $\underline{p = 1/2}$ und $\underline{p = 3/4}$.
(4) Die Verbundwahrscheinlichkeiten $P_{ XW }(⋅)$ hängen auch von den $Z$–Wahrscheinlichkeiten $p$ und $1 – p$ ab.
- Für $Pr(Z = 1) = Pr(Z = 2) = 1/2$ ergibt sich das rechts skizzierte Schema.
- Zur Transinformation tragen nur wieder die beiden horizontal schraffierten Felder bei:
- $$ I(X;W) = 2 \cdot \frac{1}{8} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1/8}{1/2 \cdot 1/8} \hspace{0.15cm} \underline {=0.25\,{\rm (bit)}} \hspace{0.35cm} < \hspace{0.35cm} I(X;W \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Z) \hspace{0.05cm}.$$
Das Ergebnis $I(X; W|Z) > I(X; W)$ trifft für dieses Beispiel, aber auch für viele andere Anwendungen zu:
- Kenne ich $Z$, so weiß ich mehr über die 2D–Zufallsgröße $XW$ als ohne diese Kenntnis.
- Man darf dieses Ergebnis aber nicht verallgemeinern. Manchmal gilt tatsächlich $I(X; W) > I(X; W|Z)$, so wie im Beispiel 3 im Theorieteil.
