Information Theory/Different Entropy Measures of Two-Dimensional Random Variables

1. Information Theory
2. Information zwischen zwei wertdiskreten Zufallsgrößen
3. Different Entropy Measures of Two-Dimensional Random Variables

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Definition of entropy using supp(P_XY)

We briefly summarise the results of the last chapter again, assuming the two-dimensional random variable  $XY$  with the probability function  $P_{XY}(X,\ Y)$ .  At the same time we use the notation

$${\rm supp} (P_{XY}) = \big \{ \hspace{0.05cm}(x,\ y) \in XY \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} {\rm where} \hspace{0.15cm} P_{XY}(X,\ Y) \ne 0 \hspace{0.05cm} \big \} \hspace{0.05cm};$$

$\text{Summarising the last chapter:}$ 

With this subset $\text{supp}(P_{XY}) ⊂ P_{XY}$ , the following holds for

• the  joint entropy :

$$H(XY) = {\rm E}\hspace{-0.1cm} \left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{XY}(X, Y)}\right ] =\hspace{-0.2cm} \sum_{(x, y) \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{XY}\hspace{-0.05cm})} \hspace{-0.6cm} P_{XY}(x, y) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{XY}(x, y)} \hspace{0.05cm}.$$

• the  entropies of the 1D random variables  $X$  and  $Y$:

$$H(X) = {\rm E}\hspace{-0.1cm} \left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{X}(X)}\right ] =\hspace{-0.2cm} \sum_{x \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{X})} \hspace{-0.2cm} P_{X}(x) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{X}(x)} \hspace{0.05cm},$$

$$H(Y) = {\rm E}\hspace{-0.1cm} \left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{Y}(Y)}\right ] =\hspace{-0.2cm} \sum_{y \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{Y})} \hspace{-0.2cm} P_{Y}(y) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{Y}(y)} \hspace{0.05cm}.$$

$\text{Example 1:}$  We refer again to the examples on the  joint probability and joint entropy  in the last chapter. For the 2D probability function  $P_{RB}(R, B)$  in  $\text{example 5}$  there with the parameters

• $R$   ⇒   numbers of the red die and
• $B$   ⇒   number of the blue die

the sets  $P_{RB}$  and  $\text{supp}(P_{RB})$  are identical.  Here, all  $6^2 = 36$  squares are occupied by non-zero values.

For the 2D probability function  $P_{RS}(R, S)$  in  $\text{example 6}$  mit den Parametern

• $R$   ⇒   numbers of the red die
• $S = R + B$   ⇒   sum of both dice

there are  $6 · 11 = 66$ squares, many of which, however, are empty, i.e. stand for the probability „0” .

• The subset  $\text{supp}(P_{RS})$ , on the other hand, contains only the  $36$  shaded squares with non-zero probabilities.
• The entropy remains the same no matter whether one averages over all elements of  $P_{RS}$  or only over the elements of   $\text{supp}(P_{RS})$ since for  $x → 0$  the limit is  $x · \log_2 ({1}/{x}) = 0$  ist.

Conditional probability and conditional entropy

In the book „Theory of Stochastic Signals” the following   conditional probabilities  were given for the case of two events  $X$  and  $Y$  ⇒   Bayes' theorem:

$${\rm Pr} (X \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} Y) = \frac{{\rm Pr} (X \cap Y)}{{\rm Pr} (Y)} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} {\rm Pr} (Y \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} X) = \frac{{\rm Pr} (X \cap Y)}{{\rm Pr} (X)} \hspace{0.05cm}.$$

Applied to probability functions, one thus obtains:

$$P_{\hspace{0.03cm}X \mid \hspace{0.03cm} Y} (X \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} Y) = \frac{P_{XY}(X, Y)}{P_{Y}(Y)} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} P_{\hspace{0.03cm}Y \mid \hspace{0.03cm} X} (Y \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} X) = \frac{P_{XY}(X, Y)}{P_{X}(X)} \hspace{0.05cm}.$$

Analogous to the  joint entropy  $H(XY)$ , the following entropy functions can be derived here:

$\text{Definitions:}$ 

• The  conditional entropy of the random variable  $X$  under condition  $Y$  is:

$$H(X \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} Y) = {\rm E} \hspace{-0.1cm}\left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}\frac{1}{P_{\hspace{0.03cm}X \mid \hspace{0.03cm} Y} (X \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} Y)}\right ] = \hspace{-0.2cm} \sum_{(x, y) \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{XY}\hspace{-0.08cm})} \hspace{-0.6cm} P_{XY}(x, y) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{\hspace{0.03cm}X \mid \hspace{0.03cm} Y} (x \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} y)}=\hspace{-0.2cm} \sum_{(x, y) \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{XY}\hspace{-0.08cm})} \hspace{-0.6cm} P_{XY}(x, y) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{P_{Y}(y)}{P_{XY}(x, y)} \hspace{0.05cm}.$$

• Similarly, for the  second conditional entropy we obtain:

$$H(Y \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.05cm} X) = {\rm E} \hspace{-0.1cm}\left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}\frac{1}{P_{\hspace{0.03cm}Y\hspace{0.03cm} \mid \hspace{0.01cm} X} (Y \hspace{-0.08cm}\mid \hspace{-0.05cm}X)}\right ] =\hspace{-0.2cm} \sum_{(x, y) \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{XY}\hspace{-0.08cm})} \hspace{-0.6cm} P_{XY}(x, y) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{\hspace{0.03cm}Y\hspace{-0.03cm} \mid \hspace{-0.01cm} X} (y \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} x)}=\hspace{-0.2cm} \sum_{(x, y) \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{XY}\hspace{-0.08cm})} \hspace{-0.6cm} P_{XY}(x, y) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{P_{X}(x)}{P_{XY}(x, y)} \hspace{0.05cm}.$$

In the argument of the logarithm function there is always a conditional probability function   ⇒   $P_{X\hspace{0.03cm}| \hspace{0.03cm}Y}(·)$  bzw.  $P_{Y\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}X}(·)$, while the joint probability   ⇒   $P_{XY}(·)$ is needed for the expectation value formation.

For the conditional entropies, there are the following limitations:

• Both  $H(X|Y)$  and  $H(Y|X)$  are always greater than or equal to zero.  From  $H(X|Y) = 0$  it follows directly also  $H(Y|X) = 0$.  Both are only possible for   disoint sets  $X$  and  $Y$  .
•   $H(X|Y) ≤ H(X)$  and  $H(Y|X) ≤ H(Y)$ always apply.  These statements are plausible if one realises that one can also use „uncertainty” synonymously for „entropy” .  For:   the uncertainty with respect to the quantity  $X$  cannot be increased by knowing  $Y$  . 
• Except in the case of statistical independence   ⇒   $H(X|Y) = H(X)$ ,   $H(X|Y) < H(X)$ always holds.  Because of  $H(X) ≤ H(XY)$  and  $H(Y) ≤ H(XY)$ ,   $H(X|Y) ≤ H(XY)$  and  $H(Y|X) ≤ H(XY)$ therefore also hold.   Thus, a conditional entropy can never become larger than the joint entropy.

$\text{Example 2:}$  We consider the joint probabilities  $P_{RS}(·)$  of our dice experiment, which were determined in the  last chapter  als  $\text{example 6}$  .    $P_{RS}(·)$  is given again in the middle of the following graph.

Joint probabilities  $P_{RS}$  and conditional probabilities  $P_{S \vert R}$  and  $P_{R \vert S}$

The two conditional probability functions are drawn on the outside:

• Given on the left is the conditional probability function  $P_{S \vert R}(⋅) = P_{SR}(⋅)/P_R(⋅)$.  Because of  $P_R(R) = \big [1/6, \ 1/6, \ 1/6, \ 1/6, \ 1/6, \ 1/6 \big ]$  the same probability value   $1/6$ is here in all shaded fields   ⇒   $\text{supp}(P_{S\vert R}) = \text{supp}(P_{R\vert S})$  .  From this follows for the conditional entropy:

$$H(S \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.13cm} R) = \hspace{-0.2cm} \sum_{(r, s) \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{RS})} \hspace{-0.6cm} P_{RS}(r, s) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{\hspace{0.03cm}S \hspace{0.03cm} \mid \hspace{0.03cm} R} (s \hspace{-0.05cm}\mid \hspace{-0.05cm} r)} = 36 \cdot \frac{1}{36} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = 2.585\ {\rm bits} \hspace{0.05cm}.$$

• On the right, the conditional probability function  $P_{R\vert S}(⋅) = P_{RS}(⋅)/P_S(⋅)$  is given with  $P_S(⋅)$  according to $\text{example 6}$  .  The same non-zero fields result   ⇒   $\text{supp}(P_{R\vert S}) = \text{supp}(P_{S\vert R})$.  However, the probability values now increase continuously from the centre  $(1/6)$  towards the edges up to probability  $1$  in the corners. It follows that:

$$H(R \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.13cm} S) = \frac{1}{36} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) + \frac{2}{36} \cdot \sum_{i=1}^5 \big [ i \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (i) \big ]= 1.896\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$

On the other hand, for the conditional probabilities of the 2D random variable  $RB$  according to  $\text{example 5}$ , one obtains because of  $P_{RB}(⋅) = P_R(⋅) · P_B(⋅)$:

$$\begin{align*}H(B \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.13cm} R) \hspace{-0.15cm} & = \hspace{-0.15cm} H(B) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = 2.585\ {\rm bit} \hspace{0.05cm},\\ H(R \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.13cm} B) \hspace{-0.15cm} & = \hspace{-0.15cm} H(R) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = 2.585\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.\end{align*}$$

Transinformation zwischen zwei Zufallsgrößen

Wir betrachten die Zufallsgröße  $XY$  mit der 2D–Wahrscheinlichkeitsfunktion  $P_{XY}(X, Y)$.  Bekannt seien auch die 1D–Funktionen  $P_X(X)$  und  $P_Y(Y)$.

Nun stellen sich folgende Fragen:

• Wie vermindert die Kenntnis der Zufallsgröße  $Y$  die Unsicherheit bezüglich  $X$?
• Wie vermindert die Kenntnis der Zufallsgröße  $X$  die Unsicherheit bezüglich  $Y$?

Zur Beantwortung benötigen wir eine für die Informationstheorie substantielle Definition:

$\text{Definition:}$  Die  Transinformation  (englisch:  Mutual Information)  zwischen den Zufallsgrößen  $X$  und  $Y$ – beide über dem gleichen Alphabet – ist wie folgt gegeben:

$$I(X;\ Y) = {\rm E} \hspace{-0.1cm}\left [ {\rm log}_2 \hspace{0.08cm} \frac{P_{XY}(X, Y)} {P_{X}(X) \cdot P_{Y}(Y) }\right ] =\hspace{-0.25cm} \sum_{(x, y) \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{XY})} \hspace{-0.8cm} P_{XY}(x, y) \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.08cm} \frac{P_{XY}(x, y)} {P_{X}(x) \cdot P_{Y}(y) } \hspace{0.01cm}.$$

Ein Vergleich mit dem  letzten Kapitel  zeigt, dass die Transinformation auch als  Kullback–Leibler–Distanz  zwischen der 2D–PMF  $P_{XY}$  und dem Produkt  $P_X · P_Y$  geschrieben werden kann:

$$I(X;Y) = D(P_{XY} \hspace{0.05cm}\vert \vert \hspace{0.05cm} P_X \cdot P_Y) \hspace{0.05cm}.$$

Es ist somit offensichtlich, dass stets  $I(X;\ Y) ≥ 0$  gilt.  Wegen der Symmetrie ist auch  $I(Y;\ X)$ = $I(X;\ Y)$.

Sucht man in einem Wörterbuch die Übersetzung für „mutual”, so findet man unter Anderem die Begriffe „gemeinsam”, „gegenseitig”, „beidseitig” und „wechselseitig”.  Und ebenso sind in Fachbüchern für  $I(X; Y)$  auch die Bezeichnungen  gemeinsame Entropie  und  gegenseitige Entropie  üblich.  Wir sprechen aber im Folgenden durchgängig von der  Transinformation  $I(X; Y)$  und versuchen nun eine Interpretation dieser Größe:

• Durch Aufspalten des  $\log_2$–Arguments entsprechend

$$I(X;Y) = {\rm E} \hspace{-0.1cm}\left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1} {P_{X}(X) }\right ] - {\rm E} \hspace{-0.1cm}\left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac {P_{Y}(Y) }{P_{XY}(X, Y)} \right ] $$

erhält man unter Verwendung von  $P_{X|Y}(\cdot) = P_{XY}(\cdot)/P_Y(Y)$:

$$I(X;Y) = H(X) - H(X \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.1cm} Y) \hspace{0.05cm}.$$

• Das heißt:   Die Unsicherheit hinsichtlich der Zufallsgröße  $X$   ⇒   Entropie  $H(X)$  vermindert sich bei Kenntnis von  $Y$  um den Betrag  $H(X|Y)$.  Der Rest ist die Transinformation  $I(X; Y)$.
• Bei anderer Aufspaltung kommt man zum Ergebnis

$$I(X;Y) = H(Y) - H(Y \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.1cm} X) \hspace{0.05cm}.$$

• Ergo:   Die Transinformation  $I(X; Y)$  ist symmetrisch   ⇒   $X$  sagt genau so viel über  $Y$  aus wie  $Y$  über  $X$   ⇒   gegenseitige Information. Das Semikolon weist auf die Gleichberechtigung hin.

$\text{Fazit:}$  Oft werden die hier genannten Gleichungen durch ein Schaubild verdeutlicht, so auch in den folgenden Beispielen.  Daraus erkennt man, dass auch folgende Gleichungen zutreffen:

$$I(X;\ Y) = H(X) + H(Y) - H(XY) \hspace{0.05cm},$$

$$I(X;\ Y) = H(XY) - H(X \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.1cm} Y) - H(Y \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.1cm} X) \hspace{0.05cm}.$$

$\text{Beispiel 3:}$  Wir kommen (letztmalig) auf das  Würfel–Experiment  mit dem roten  $(R)$  und dem blauen  $(B)$  Würfel zurück.  Die Zufallsgröße  $S$  gibt die Summe der beiden Würfel an:  $S = R + B$.  Wir betrachten hier die 2D–Zufallsgröße  $RS$.  In früheren Beispielen haben wir berechnet:

• die Entropien  $H(R) = 2.585 \ \rm bit$  und  $H(S) = 3.274 \ \rm bit$   ⇒  Beispiel 6  im letzten Kapitel,
• die Verbundentropie  $H(RS) = 5.170 \ \rm bit$   ⇒   Beispiel 6  im letzten Kapitel,
• die bedingten Entropien  $H(S \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} R) = 2.585 \ \rm bit$  und  $H(R \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} S) = 1.896 \ \rm bit$   ⇒   Beispiel 2  im vorherigen Abschnitt.

Schaubild aller Entropien des „Würfelexperiments”

Diese Größen sind in der Grafik zusammengestellt, wobei die Zufallsgröße  $R$  durch die Grundfarbe „Rot” und die Summe  $S$  durch die Grundfarbe „Grün” markiert sind.  Bedingte Entropien sind schraffiert. Man erkennt aus dieser Darstellung:

• Die Entropie  $H(R) = \log_2 (6) = 2.585\ \rm bit$  ist genau halb so groß wie die Verbundentropie  $H(RS)$.  Denn:  Kennt man  $R$, so liefert  $S$  genau die gleiche Information wie die Zufallsgröße  $B$, nämlich  $H(S \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} R) = H(B) = \log_2 (6) = 2.585\ \rm bit$.  Hinweis:   $H(R)$ = $H(S \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} R)$  gilt allerdings nur in diesem Beispiel, nicht allgemein.
• Die Entropie  $H(S) = 3.274 \ \rm bit$  ist im vorliegenden Beispiel erwartungsgemäß größer als  $H(R)= 2.585\ \rm bit$.  Wegen  $H(S) + H(R \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} S) = H(R) + H(S \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} R)$  muss deshalb  $H(R \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} S)$  gegenüber  $H(S \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} R)$  um den gleichen Betrag  $I(R;\ S) = 0.689 \ \rm bit$  kleiner sein als  $H(R)$  gegenüber  $H(S)$.
• Die Transinformation  (englisch:  Mutual Information)  zwischen den Zufallsgrößen  $R$  und  $S$  ergibt sich aber auch aus der Gleichung

$$I(R;\ S) = H(R) + H(S) - H(RS) = 2.585\ {\rm bit} + 3.274\ {\rm bit} - 5.170\ {\rm bit} = 0.689\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}. $$

Bedingte Transinformation

Wir betrachten nun drei Zufallsgrößen  $X$,  $Y$  und  $Z$, die zueinander in Beziehung stehen (können).

$\text{Definition:}$  Die  bedingte Transinformation  (englisch:  Conditional Mutual Information)  zwischen den Zufallsgrößen  $X$  und  $Y$  bei gegebenem  $Z = z$  lautet:

$$I(X;Y \hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} Z = z) = H(X\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} Z = z) - H(X\vert\hspace{0.05cm}Y ,\hspace{0.05cm} Z = z) \hspace{0.05cm}.$$

Man bezeichnet als die  bedingte Transinformation  zwischen den Zufallsgrößen  $X$  und  $Y$  für die Zufallsgröße  $Z$  allgemein nach Mittelung über alle  $z \in Z$:

$$I(X;Y \hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} Z ) = H(X\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} Z ) - H(X\vert\hspace{0.05cm}Y Z )= \hspace{-0.3cm} \sum_{z \hspace{0.1cm}\in \hspace{0.1cm}{\rm supp} (P_{Z})} \hspace{-0.25cm} P_{Z}(z) \cdot I(X;Y \hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} Z = z) \hspace{0.05cm}.$$

$P_Z(Z)$  ist die Wahrscheinlichkeitsfunktion (PMF) der Zufallsgröße  $Z$  und  $P_Z(z)$  die Wahrscheinlichkeit für die Realisierung  $Z = z$.

$\text{Bitte beachten Sie:}$ 

• Für die bedingte Entropie gilt bekanntlich die Größenrelation  $H(X\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm}Z) ≤ H(X)$.
• Für die Transinformation gilt diese Größenrelation nicht unbedingt:
• $I(X; Y\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm}Z)$  kann kleiner, gleich, aber auch größer sein  als  $I(X; Y)$.

2D–PMF  $P_{XZ}$

$\text{Beispiel 4:}$  Wir betrachten die binären Zufallsgrößen  $X$,  $Y$  und  $Z$  mit folgenden Eigenschaften:

• $X$  und  $Y$  seien statistisch unabhängig.  Für ihre Wahrscheinlichkeitsfunktionen gelte:

$$P_X(X) = \big [1/2, \ 1/2 \big], \hspace{0.2cm} P_Y(Y) = \big[1– p, \ p \big] \ ⇒ \ H(X) = 1\ {\rm bit}, \hspace{0.2cm} H(Y) = H_{\rm bin}(p).$$

• $Z$  ist die Modulo–2–Summe von  $X$  und  $Y$:   $Z = X ⊕ Y$.

Aus der Verbund–Wahrscheinlichkeitsfunktion  $P_{XZ}$  gemäß der oberen Grafik folgt:

• Durch Summation der Spalten–Wahrscheinlichkeiten ergibt sich  $P_Z(Z) = \big [1/2, \ 1/2 \big ]$   ⇒   $H(Z) = 1\ {\rm bit}$.
• $X$  und  $Z$  sind ebenfalls statistisch unabhängig, da für die 2D–PMF  $P_{XZ}(X, Z) = P_X(X) · P_Z(Z)$  gilt. 
• Daraus folgt:   $H(Z\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} X) = H(Z)$   und   $H(X \hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} Z) = H(X)$   sowie   $I(X; Z) = 0$.

Bedingte 2D–PMF $P_{X\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm}YZ}$

Aus der bedingten Wahrscheinlichkeitsfunktion  $P_{X\vert YZ}$  gemäß der unteren Grafik lassen sich berechnen:

• $H(X\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} YZ) = 0$,  da alle  $P_{X\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} YZ}$–Einträge entweder  $0$  oder  $1$  sind   ⇒   bedingte Entropie,
• $I(X; YZ) = H(X) - H(X\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} YZ) = H(X)= 1 \ {\rm bit}$   ⇒   Transinformation,
• $I(X; Y\vert Z) = H(X\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} Z) =H(X)=1 \ {\rm bit} $   ⇒   bedingte Transinformation.

Im vorliegenden Beispiel ist also

• die bedingte Transinformation $I(X; Y\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} Z) = 1$
• größer als die herkömmliche Transinformation  $I(X; Y) = 0$.

Kettenregel der Transinformation

Bisher haben wir die Transinformation nur zwischen zwei eindimensionalen Zufallsgrößen betrachtet.  Nun erweitern wir die Definition auf insgesamt  $n + 1$  Zufallsgrößen, die wir aus Darstellungsgründen mit  $X_1$,  ... ,  $X_n$  sowie  $Z$  bezeichnen.  Dann gilt:

$\text{Kettenregel der Transinformation:}$ 

Die Transinformation zwischen der  $n$–dimensionalen Zufallsgröße  $X_1 X_2 \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm} X_n$  und der Zufallsgröße  $Z$  lässt sich wie folgt darstellen und berechnen:

$$I(X_1\hspace{0.05cm}X_2\hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.1cm}X_n;Z) = I(X_1;Z) + I(X_2;Z \vert X_1) + \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.1cm}+ I(X_n;Z\vert X_1\hspace{0.05cm}X_2\hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.1cm}X_{n-1}) = \sum_{i = 1}^{n} I(X_i;Z \vert X_1\hspace{0.05cm}X_2\hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.1cm}X_{i-1}) \hspace{0.05cm}.$$

$\text{Beweis:}$  Wir beschränken uns hier auf den Fall  $n = 2$, also auf insgesamt drei Zufallsgrößen, und ersetzen  $X_1$  durch $X$ und  $X_2$  durch  $Y$.  Dann erhalten wir:

$$\begin{align*}I(X\hspace{0.05cm}Y;Z) & = H(XY) - H(XY\hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm}Z) = \\ & = \big [ H(X)+ H(Y\hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} X)\big ] - \big [ H(X\hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} Z) + H(Y\hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} XZ)\big ] =\\ & = \big [ H(X)- H(X\hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} Z)\big ] - \big [ H(Y\hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} X) + H(Y\hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm}XZ)\big ]=\\ & = I(X;Z) + I(Y;Z \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} X) \hspace{0.05cm}.\end{align*}$$

Aus dieser Gleichung erkennt man, dass die die Größenrelation  $I(X Y; Z) ≥ I(X; Z)$  immer gegeben ist.

• Gleichheit ergibt sich für die bedingte Transinformation  $I(Y; Z \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.05cm} X) = 0$, 
• also dann, wenn die Zufallsgrößen  $Y$  und  $Z$  für ein gegebenes  $X$  statistisch unabhängig sind.

$\text{Beispiel 5:}$  Wir betrachten die  Markovkette   $X → Y → Z$.  Für eine solche Konstellation gilt stets das  Data Processing Theorem  mit der folgenden Konsequenz, die sich aus der Kettenregel der Transinformation ableiten lässt:

$$I(X;Z) \hspace{-0.05cm} \le \hspace{-0.05cm}I(X;Y ) \hspace{0.05cm},$$

$$I(X;Z) \hspace{-0.05cm} \le \hspace{-0.05cm} I(Y;Z ) \hspace{0.05cm}.$$

Das Theorem besagt somit:

• Man kann durch Manipulation  $($Processing  $Z)$  der Daten  $Y$  keine zusätzliche Information über den Eingang  $X$  gewinnen.
• Die Datenverarbeitung  $Y → Z$  $($durch einen zweiten Prozessor$)$ dient nur dem Zweck, die Information über  $X$  besser sichtbar zu machen.

Weitere Informationen zum  Data Processing Theorem  finden Sie in der  Aufgabe 3.15.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 3.7: Einige Entropieberechnungen

Aufgabe 3.8: Nochmals Transinformation

Aufgabe 3.8Z: Tupel aus ternären Zufallsgrößen

Aufgabe 3.9: Bedingte Transinformation