Difference between revisions of "Information Theory/Some Preliminary Remarks on Two-Dimensional Random Variables"

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*the relationship between probability and entropy for  ''2D random variables'',
 
*the relationship between probability and entropy for  ''2D random variables'',
*the calculation of the  ''relative entropy'', , also known as the  ''Kullback–Leibler distance'' ,
+
*the calculation of the  ''informational divergence'', , also known as the  ''Kullback–Leibler distance'' ,
*the definition of the  ''joint entropie''  $H(XY)$  and the  ''conditional entropies''  $H(X\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}Y)$  and  $H(Y\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}X)$,
+
*the definition of the  ''joint entropy''  $H(XY)$  and the  ''conditional entropies''  $H(X\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}Y)$  and  $H(Y\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}X)$,
 
*the mutual information  $I(X; Y)$  between two random variables  ,
 
*the mutual information  $I(X; Y)$  between two random variables  ,
 
*the  ''information theory of digital signal transmission''   and the corresponding model,
 
*the  ''information theory of digital signal transmission''   and the corresponding model,
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==Wahrscheinlichkeitsfunktion und Entropie==
+
==Probability function and entropy==
 
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In der wertdiskreten Informationstheorie genügt im Gegensatz zu übertragungstechnischen Problemen schon die Kenntnis der Wahrscheinlichkeitsfunktion&nbsp; $P_X(X)$, zum Beispiel zur Berechnung der&nbsp; [[Information_Theory/Gedächtnislose_Nachrichtenquellen#Informationsgehalt_und_Entropie|Entropie]].
+
In discrete value information theory, in contrast to transmission problems, knowledge of the probability function&nbsp; $P_X(X)$ is sufficient, for example, to calculate&nbsp; [[Information_Theory/Gedächtnislose_Nachrichtenquellen#Information_content_and_entropy|entropy]].
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Definition:}$&nbsp; Die&nbsp; '''Entropie'''&nbsp; einer diskreten Zufallsgröße&nbsp; $X$&nbsp; – also deren Unsicherheit für einen Beobachter – kann man mit der Wahrscheinlichkeitsfunktion&nbsp; $P_X(X)$&nbsp; wie folgt darstellen:
+
$\text{Definition:}$&nbsp; The&nbsp; '''entropy'''&nbsp; of a discrete random variable&nbsp; $X$&nbsp; – i.e. its uncertainty for an observer - can be represented with the probability function&nbsp; $P_X(X)$&nbsp; as follows:
 
   
 
   
 
:$$H(X) = {\rm E} \big [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_X(X)}\big ] \hspace{0.05cm}=\hspace{0.05cm}  
 
:$$H(X) = {\rm E} \big [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_X(X)}\big ] \hspace{0.05cm}=\hspace{0.05cm}  
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  P_X(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} {P_X(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$
 
  P_X(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} {P_X(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$
  
Verwendet man den Logarithmus zur Basis&nbsp; $2$, also&nbsp; $\log_2$ (...) &nbsp;  ⇒ &nbsp; ''Logarithmus dualis'', so wird der Zahlenwert mit der Pseudo–Einheit „bit” versehen.&nbsp; $\rm E\big[$...$\big]$ gibt den Erwartungswert an. }}
+
If one uses the logarithm to the base&nbsp; $2$, i.e.&nbsp; $\log_2$ (...) &nbsp;  ⇒ &nbsp; ''binary logarithm'', the numerical value is provided with the pseudo-unit „bit” .&nbsp; $\rm E\big[$...$\big]$ indicates the expected value. }}
  
  
Beispielsweise erhält man
+
For example, one obtains
 
*für&nbsp; $P_X(X) = \big [\hspace{0.02cm}0.2, \ 0.3, \ 0.5 \hspace{0.02cm}\big ]$:  
 
*für&nbsp; $P_X(X) = \big [\hspace{0.02cm}0.2, \ 0.3, \ 0.5 \hspace{0.02cm}\big ]$:  
 
::$$H(X) = 0.2 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.2} +
 
::$$H(X) = 0.2 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.2} +
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\approx 1.585\,{\rm bit}\hspace{0.05cm}.$$
 
\approx 1.585\,{\rm bit}\hspace{0.05cm}.$$
  
Das zweite Beispiel liefert das Maximum der Entropiefunktion für den Symbolumfang&nbsp; $M = 3$.  
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The second example provides the maximum of the entropy function for the symbol range&nbsp; $M = 3$.  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Herleitung:}$&nbsp;  
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$\text{Derivation:}$&nbsp;  
Für ein allgemeines $M$ lässt sich dieses Ergebnis beispielsweise wie folgt herleiten siehe&nbsp;  [Meck]<ref>Mecking, M.: Information Theory. Vorlesungsmanuskript, Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, Technische Universität München, 2009.</ref>:
+
For a general $M$ for example, this result can be derived as follows see&nbsp;  [Meck]<ref>Mecking, M.: Information Theory. Vorlesungsmanuskript, Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, Technische Universität München, 2009.</ref>:
 
   
 
   
 
:$$H(X) = -{\rm E} \big [ {\rm log} \hspace{0.1cm} {P_X(X)}\big ] \hspace{0.2cm} \le \hspace{0.2cm}- {\rm log} \big [ {\rm E} \hspace{0.1cm} \left [{P_X(X)}\right ] \big ] \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$H(X) = -{\rm E} \big [ {\rm log} \hspace{0.1cm} {P_X(X)}\big ] \hspace{0.2cm} \le \hspace{0.2cm}- {\rm log} \big [ {\rm E} \hspace{0.1cm} \left [{P_X(X)}\right ] \big ] \hspace{0.05cm}.$$
  
Diese Abschätzung&nbsp;  $($'''Jensens's Ungleichung'''$)$&nbsp; ist zulässig, da der Logarithmus eine konkave Funktion ist.&nbsp; Entsprechend der&nbsp; [[Aufgaben:3.2_Erwartungswertberechnungen|Aufgabe 3.2]]&nbsp; gilt:
+
This estimation&nbsp;  $($'''Jensens's inequality'''$)$&nbsp; is admissible because the logarithm is a concave function.&nbsp; According to&nbsp; [[Aufgaben:3.2_Erwartungswertberechnungen|task 3.2]]&nbsp;, the following holds:
  
 
:$$- {\rm E} \big [  {P_X(X)}\big ] \hspace{0.1cm} \le \hspace{0.1cm} M \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$- {\rm E} \big [  {P_X(X)}\big ] \hspace{0.1cm} \le \hspace{0.1cm} M \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
H(X) \le {\rm log} \hspace{0.1cm} (M)  \hspace{0.05cm}.$$
 
H(X) \le {\rm log} \hspace{0.1cm} (M)  \hspace{0.05cm}.$$
 
   
 
   
Das Gleichheitszeichen ergibt sich nach der oberen Rechnung für gleiche Wahrscheinlichkeiten, also für&nbsp; $P_X(x_μ) = {1}/{M}$&nbsp; für alle&nbsp; $μ$.&nbsp; In der&nbsp; [[Aufgaben:3.3_Entropie_von_Ternärgrößen|Aufgabe 3.3]]&nbsp; soll der gleiche Sachverhalt unter Verwendung der Abschätzung
+
The equal sign results according to the calculation above for equal probabilities, i.e. for&nbsp; $P_X(x_μ) = {1}/{M}$&nbsp; for all&nbsp; $μ$.&nbsp; In &nbsp; [[Aufgaben:3.3_Entropie_von_Ternärgrößen|task 3.3]]&nbsp;, the same situation is to be solved using the estimate
 
   
 
   
 
:$${\rm ln} \hspace{0.1cm} (x)  \le x-1$$
 
:$${\rm ln} \hspace{0.1cm} (x)  \le x-1$$
  
nachgewiesen werden.&nbsp; Das Gleichheitszeichen gilt hier nur für&nbsp; $x = 1$.}}
+
is to be proved.&nbsp; The equal sign applies here only for&nbsp; $x = 1$.}}
  
  
Ist eine der&nbsp; $M$&nbsp; Wahrscheinlichkeiten&nbsp; $P_X(x_μ)$&nbsp; der Wahrscheinlichkeitsfunktion gleich Null, so lässt sich für die Entropie eine engere Schranke angeben:
+
If one of the&nbsp; $M$&nbsp; probabilities&nbsp; $P_X(x_μ)$&nbsp; of the probability function is equal to zero, a tighter bound can be given for the entropy:
 
    
 
    
 
:$$H(X) \le {\rm log} \hspace{0.1cm} (M-1)  \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$H(X) \le {\rm log} \hspace{0.1cm} (M-1)  \hspace{0.05cm}.$$
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Vereinbarung:}$&nbsp; Im folgenden Beispiel und auf den nächsten Seiten verwenden wir die folgende Nomenklatur:
+
$\text{Agreement:}$&nbsp; In the following example and on the next pages we use the following nomenclature:
*Die Entropie&nbsp; $H(X)$&nbsp; bezieht sich stets auf die tatsächliche Wahrscheinlichkeitsfunktion&nbsp; $P_X(X)$&nbsp; der diskreten Zufallsgröße.&nbsp; Experimentell erhält man diese Größen erst nach&nbsp; $N → ∞$&nbsp; Versuchen.
+
*The entropy&nbsp; $H(X)$&nbsp; always refers to the actual probability function&nbsp; $P_X(X)$&nbsp; of the discrete random variable.&nbsp; Experimentally, these quantities are obtained only after&nbsp; $N → ∞$&nbsp; trials.
*Ermittelt man die Wahrscheinlichkeitsfunktion aus einer endlichen Zufallsfolge, so bezeichnen wir diese  Wahrscheinlichkeitsfunktion mit&nbsp; $Q_X(X)$&nbsp; und die daraus resultierende Entropie versehen wir mit dem Zusatz&nbsp; „$N =$ ...”.
+
*If the probability function is determined from a finite random sequence, we denote this probability function by&nbsp; $Q_X(X)$&nbsp; and add&nbsp; „$N =$ ...” to the resulting entropy.
*Diese Entropie–Näherung basiert nicht auf Wahrscheinlichkeiten, sondern nur auf den&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Wahrscheinlichkeit_und_relative_Häufigkeit#Bernoullisches_Gesetz_der_gro.C3.9Fen_Zahlen|relativen Häufigkeiten]].&nbsp; Erst für&nbsp; $N → ∞$&nbsp; stimmt diese Näherung mit&nbsp; $H(X)$&nbsp; überein.}}
+
*This entropy approximation is not based on probabilities, but only on the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Wahrscheinlichkeit_und_relative_Häufigkeit#Bernoullisches_Gesetz_der_gro.C3.9Fen_Zahlen|relative frequencies]].&nbsp; Only for&nbsp; $N → ∞$&nbsp; does this approximation agree with&nbsp; $H(X)$&nbsp;.}}
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Wir kommen auf unser&nbsp; &bdquo;Würfel–Experiment&rdquo;&nbsp; zurück.&nbsp; Die folgende Tabelle zeigt die Wahrscheinlichkeitsfunktionen&nbsp; $P_R(R)$&nbsp; und&nbsp; $P_B(B)$&nbsp; für den roten und den blauen Würfel sowie die Näherungen&nbsp; $Q_R(R)$&nbsp; und&nbsp; $Q_B(B)$, jeweils basierend auf dem Zufallsexperiment mit&nbsp; $N = 18$&nbsp; Würfen.&nbsp; Die relativen Häufigkeiten&nbsp; $Q_R(R)$&nbsp; und&nbsp; $Q_B(B)$&nbsp; ergeben sich aus den&nbsp; [[Information_Theory/Einige_Vorbemerkungen_zu_zweidimensionalen_Zufallsgrößen#Einf.C3.BChrungsbeispiel_zur_statistischen_Abh.C3.A4ngigkeit_von_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|beispielhaften Zufallsfolgen]]&nbsp; von&nbsp; $\text{Beispiel 1}$.
+
$\text{Example 3:}$&nbsp; We return to our&nbsp; &bdquo;dice experiment&rdquo;&nbsp; .&nbsp; The following table shows the probability functions&nbsp; $P_R(R)$&nbsp; and&nbsp; $P_B(B)$&nbsp; for the red and blue dice as well as the approximations&nbsp; $Q_R(R)$&nbsp; and&nbsp; $Q_B(B)$, in each case based on the random experiment with&nbsp; $N = 18$&nbsp; throws.&nbsp; The relative frequencies&nbsp; $Q_R(R)$&nbsp; and&nbsp; $Q_B(B)$&nbsp; result from the&nbsp; [[Information_Theory/Einige_Vorbemerkungen_zu_zweidimensionalen_Zufallsgrößen#Introductory_example_on_the_statistical_dependence_of_random_variables|exemplary random sequences]]&nbsp; of&nbsp; $\text{example 1}$.
  
[[File:P_ID2744__Inf_T_3_1_S3_neu.png|center|frame|Wahrscheinlichkeitsfunktionen unseres Würfelexperiments]]
+
[[File:P_ID2744__Inf_T_3_1_S3_neu.png|center|frame|Probability functions of our dice experiment]]
  
Für die Zufallsgröße&nbsp; $R$&nbsp; gilt mit dem ''Logarithmus dualis''&nbsp; $($zur Basis&nbsp; $2)$:
+
The following applies to the random variable&nbsp; $R$&nbsp; with the ''binary logarithm''&nbsp; $($to base&nbsp; $2)$:
 
    
 
    
 
:$$H(R) = H(R) \big \vert_{N \hspace{0.05cm}\rightarrow \hspace{0.05cm}\infty} = \sum_{\mu = 1}^{6} 1/6 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = 2.585\ {\rm bit} \hspace{0.05cm},$$
 
:$$H(R) = H(R) \big \vert_{N \hspace{0.05cm}\rightarrow \hspace{0.05cm}\infty} = \sum_{\mu = 1}^{6} 1/6 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = 2.585\ {\rm bit} \hspace{0.05cm},$$
Line 195: Line 195:
 
:$$H(R) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} =  \hspace{0.05cm}18} = 2 \cdot \frac{2}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{2} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 2 \cdot \frac{3}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{3} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm}  2 \cdot \frac{4}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{4} \hspace{0.1cm}= 2.530\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$H(R) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} =  \hspace{0.05cm}18} = 2 \cdot \frac{2}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{2} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 2 \cdot \frac{3}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{3} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm}  2 \cdot \frac{4}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{4} \hspace{0.1cm}= 2.530\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$
  
Der blaue Würfel hat natürlich die gleiche Entropie:&nbsp; $H(B) = H(R) = 2.585\ \rm bit$.&nbsp; Hier erhält man für die auf&nbsp; $N = 18$&nbsp; basierende Näherung einen etwas größeren Wert, da nach obiger Tabelle&nbsp; $Q_B(B)$&nbsp; von der diskreten Gleichverteilung&nbsp; $P_B(B)$&nbsp; weniger abweicht&nbsp; als $Q_R(R)$&nbsp; von&nbsp; $P_R(R)$.
+
The blue cube of course has the same entropy:&nbsp; $H(B) = H(R) = 2.585\ \rm bits$.&nbsp; Here we get a slightly larger value for the approximation based on&nbsp; $N = 18$&nbsp;, since according to the table above&nbsp; $Q_B(B)$&nbsp; deviates less from the discrete uniform distribution&nbsp; $P_B(B)$&nbsp; than&nbsp; als $Q_R(R)$&nbsp; from&nbsp; $P_R(R)$.
 
   
 
   
 
:$$H(B) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} =  \hspace{0.05cm}18} = 1 \cdot \frac{2}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{2} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 4 \cdot \frac{3}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{3} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm}  1 \cdot \frac{4}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{4} \hspace{0.1cm}= 2.558\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$H(B) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} =  \hspace{0.05cm}18} = 1 \cdot \frac{2}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{2} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 4 \cdot \frac{3}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{3} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm}  1 \cdot \frac{4}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm}  \frac{18}{4} \hspace{0.1cm}= 2.558\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$
  
Man erkennt aus den angegebenen Zahlenwerten, dass trotz des eigentlich viel zu kleinen Experimentenparameters&nbsp; $N$&nbsp; die Verfälschungen hinsichtlich der Entropie nicht sehr groß sind.
+
It can be seen from the given numerical values that despite the experimental parameter&nbsp; $N$&nbsp;, which is actually much too small, the distortions with regard to entropy are not very large.
  
Es soll nochmals erwähnt werden, dass bei endlichem&nbsp; $N$&nbsp; stets gilt:
+
 
 +
It should be mentioned again that with finite&nbsp; $N$&nbsp;, the following always applies:
 
   
 
   
 
:$$ H(R) \big \vert_{N } < H(R) =  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm}
 
:$$ H(R) \big \vert_{N } < H(R) =  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm}
Line 207: Line 208:
  
  
==Relative Entropie – Kullback–Leibler–Distanz ==
+
==Informational Divergence - Kullback-Leibler Distance ==
 
<br>  
 
<br>  
Wir betrachten zwei Wahrscheinlichkeitsfunktionen&nbsp; $P_X(·)$&nbsp; und&nbsp; $P_Y(·)$&nbsp; über dem gleichen Alphabet&nbsp; $X = \{ x_1, \ x_2$, ... ,&nbsp; $x_M \}$,&nbsp; und definieren nun folgende Größe:  
+
We consider two probability functions&nbsp; $P_X(·)$&nbsp; and&nbsp; $P_Y(·)$&nbsp; over the same alphabet&nbsp; $X = \{ x_1, \ x_2$, ... ,&nbsp; $x_M \}$,&nbsp; is given as follows:
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Definition:}$&nbsp; Die&nbsp; '''relative Entropie'''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Informational Divergence'')&nbsp; zwischen den durch&nbsp; $P_X(·)$&nbsp; und&nbsp; $P_Y(·)$&nbsp; definierten Zufallsgrößen ist wie folgt gegeben:
+
$\text{Definition:}$&nbsp; The&nbsp; '''Informational Divergence''' between the random variables defined by &nbsp; $P_X(·)$&nbsp; and&nbsp; $P_Y(·)$&nbsp; is given as follows:
 
   
 
   
 
:$$D(P_X \hspace{0.05cm} \vert \vert  \hspace{0.05cm}P_Y) = {\rm E} \left [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_X(X)}{P_Y(X)}\right ] \hspace{0.2cm}=\hspace{0.2cm} \sum_{\mu = 1}^{M}  
 
:$$D(P_X \hspace{0.05cm} \vert \vert  \hspace{0.05cm}P_Y) = {\rm E} \left [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_X(X)}{P_Y(X)}\right ] \hspace{0.2cm}=\hspace{0.2cm} \sum_{\mu = 1}^{M}  
 
  P_X(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_X(x_{\mu})}{P_Y(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$
 
  P_X(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_X(x_{\mu})}{P_Y(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$
  
Man bezeichnet&nbsp; $D(P_X \vert \vert P_Y)$&nbsp; auch als die&nbsp; '''Kullback–Leibler–Distanz'''&nbsp; (oder kurz:&nbsp; '''KL–Distanz''').  
+
&nbsp; $D(P_X \vert \vert P_Y)$&nbsp; is also called&nbsp; '''Kullback–Leibler distance'''&nbsp;.  
*Diese liefert ein Maß für die „Ähnlichkeit” zwischen den beiden Wahrscheinlichkeitsfunktionen&nbsp; $P_X(·)$&nbsp; und&nbsp; $P_Y(·)$.
+
*This provides a measure of the „similarity” between the two probability functions&nbsp; $P_X(·)$&nbsp; and&nbsp; $P_Y(·)$.
  
*Bei Verwendung des Logarithmus zur Basis&nbsp; $2$&nbsp; ist wieder die Pseudo–Einheit „bit” hinzuzufügen. }}
+
*When using the logarithm to base&nbsp; $2$&nbsp; the pseudo-unit „bit” must again be added. }}
  
  
In ähnlicher Weise lässt sich auch eine zweite Variante der Kullback–Leibler–Distanz angeben:
+
ISimilarly, a second variant of the Kullback-Leibler distance can be given:  
 
 
:$$D(P_Y \hspace{0.05cm} ||  \hspace{0.05cm}P_X) = {\rm E} \left [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_Y(X)}{P_X(X)}\right ] \hspace{0.2cm}=\hspace{0.2cm} \sum_{\mu = 1}^{M}  
 
:$$D(P_Y \hspace{0.05cm} ||  \hspace{0.05cm}P_X) = {\rm E} \left [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_Y(X)}{P_X(X)}\right ] \hspace{0.2cm}=\hspace{0.2cm} \sum_{\mu = 1}^{M}  
 
  P_Y(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_Y(x_{\mu})}{P_X(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$
 
  P_Y(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_Y(x_{\mu})}{P_X(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$
  
Gegenüber der ersten Variante wird nun jede Funktion&nbsp; $P_X(·)$&nbsp; durch&nbsp; $P_Y(·)$&nbsp; ersetzt und umgekehrt.&nbsp; Da sich im allgemeinen&nbsp; $D(P_X || P_Y)$&nbsp; und&nbsp; $D(P_Y || P_X)$&nbsp; unterscheiden, ist der Begriff „Distanz” eigentlich irreführend.&nbsp; Wir wollen es aber bei dieser Namensgebung belassen.
+
Compared to the first variant, each function&nbsp; $P_X(·)$&nbsp; is now replaced by&nbsp; $P_Y(·)$&nbsp; and vice versa.&nbsp; Since in general&nbsp; $D(P_X || P_Y)$&nbsp; and&nbsp; $D(P_Y || P_X)$&nbsp; differ, the term „distance”  is actually misleading.&nbsp; However, we want to leave it at this naming.
  
Wertet man die beiden obigen Gleichungen aus, so erkennt man folgende Eigenschaften:
+
If we evaluate the two equations above, we recognise the following properties:
*Liegt die gleiche Verteilung vor &nbsp; ⇒  &nbsp; $P_Y(·) ≡ P_X(·)$, so ist&nbsp; $D(P_X || P_Y) = 0$.&nbsp; In allen anderen Fällen ist&nbsp; $D(P_X || P_Y) > 0$.&nbsp; Gleiches gilt für die Variante&nbsp; $D(P_Y || P_X)$.
+
*If the same distribution is present &nbsp; ⇒  &nbsp; $P_Y(·) ≡ P_X(·)$, then&nbsp; $D(P_X || P_Y) = 0$.&nbsp; In all other cases&nbsp; $D(P_X || P_Y) > 0$.&nbsp; The same applies to the variant&nbsp; $D(P_Y || P_X)$.
*Gilt&nbsp; $P_X(x_μ) ≠ 0$&nbsp; und&nbsp; $P_Y(x_μ) = 0$&nbsp; $($hierfür genügt ein einziges und beliebiges&nbsp; $μ)$, so ergibt sich für die Kullback–Leibler–Distanz&nbsp; $D(P_X || P_Y)$&nbsp; ein unendlich großer Wert.&nbsp; In diesem Fall ist&nbsp; $D(P_Y || P_X)$&nbsp; nicht notwendigerweise ebenfalls unendlich.  
+
*If&nbsp; $P_X(x_μ) ≠ 0$&nbsp; and&nbsp; $P_Y(x_μ) = 0$&nbsp; $($a single and arbitrary&nbsp; $μ is sufficient for this)$,the Kullback-Leibler distance&nbsp; $D(P_X || P_Y)$&nbsp; has an infinitely large value.&nbsp; In this case, &nbsp; $D(P_Y || P_X)$&nbsp; is not necessarily infinite either.
*Diese Aussage macht nochmals deutlich, dass im allgemeinen&nbsp; $D(P_X || P_Y)$&nbsp; ungleich&nbsp; $D(P_Y || P_X)$&nbsp; sein wird.
+
*This statement makes it clear once again that in general&nbsp; $D(P_X || P_Y)$&nbsp; will be unequal to&nbsp; $D(P_Y || P_X)$&nbsp;.
  
  
Anschließend werden diese beiden Definitionen an unserem Standardbeispiel&nbsp; &bdquo;Würfel–Experiment&bdquo;&nbsp; verdeutlicht.&nbsp; Gleichzeitig verweisen wir auf folgende Aufgaben:  
+
Subsequently, these two definitions are clarified with our standard example&nbsp; &bdquo;dice experiment&bdquo;&nbsp; .&nbsp; At the same time we refer to the following tasks:
*[[Aufgabe_3.5:_Kullback-Leibler-Distanz_%26_Binominalverteilung|Aufgabe 3.5: Kullback–Leibler–Distanz & Binomialverteilung]]
+
*[[Aufgabe_3.5:_Kullback-Leibler-Distanz_%26_Binominalverteilung|Task 3.5: Kullback-Leibler distance & binomial distribution]]
*[[Aufgaben:3.5Z_Nochmals_Kullback-Leibler-Distanz|Aufgabe 3.5Z: Nochmals Kullback–Leibler–Distanz]]
+
*[[Aufgaben:3.5Z_Nochmals_Kullback-Leibler-Distanz|Task 3.5Z: Kullback-Leibler distance again]]
*[[Aufgaben:3.6_Partitionierungsungleichung|A3.6: Partitionierungsungleichung]]
+
*[[Aufgaben:3.6_Partitionierungsungleichung|A3.6: Partitioning inequality]]
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp; Für das Würfel–Experiment haben wir die Wahrscheinlichkeitsfunktionen&nbsp; $P_R(·)$&nbsp; und&nbsp; $P_B(·)$&nbsp; sowie deren Näherungen&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; und&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; definiert.  
+
$\text{Example 4:}$&nbsp; For the dice experiment, we have defined the probability functions&nbsp; $P_R(·)$&nbsp; and&nbsp; $P_B(·)$&nbsp; and their approximations &nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; and&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp;.
*Die Zufallsgröße&nbsp; $R$&nbsp; mit der PMF&nbsp;  $P_R(·)$&nbsp; gibt die Augenzahl des roten Würfels an und&nbsp; $B$&nbsp;  mit der PMF&nbsp;  $P_B(·)$&nbsp; die Augenzahl des blauen Würfels.  
+
*The random variable&nbsp; $R$&nbsp; with the PMF&nbsp;  $P_R(·)$&nbsp; indicates the number of pips of the red dice and&nbsp; $B$&nbsp;  mit der PMF&nbsp;  $P_B(·)$&nbsp; the number of pips of the blue cube.
*Die Näherungen&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; und&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; ergeben sich aus dem früher beschriebenen Experiment mit&nbsp;  $N = 18$&nbsp; Doppelwürfen&nbsp; &rArr; &nbsp; [[Information_Theory/Einige_Vorbemerkungen_zu_zweidimensionalen_Zufallsgrößen#Einf.C3.BChrungsbeispiel_zur_statistischen_Abh.C3.A4ngigkeit_von_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|$\text{Beispiel 1}$]] .
+
*The approximations&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; and&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; result from the experiment described earlier with&nbsp;  $N = 18$&nbsp; double throws&nbsp; &rArr; &nbsp; [[Information_Theory/Einige_Vorbemerkungen_zu_zweidimensionalen_Zufallsgrößen#Einf.C3.BChrungsbeispiel_zur_statistischen_Abh.C3.A4ngigkeit_von_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|$\text{Example 1}$]] .
  
[[File:P_ID2745__Inf_T_3_1_S3_neu.png|center|frame|Wahrscheinlichkeitsfunktionen unseres Würfelexperiments]]
+
[[File:P_ID2745__Inf_T_3_1_S3_neu.png|center|frame|Probability functions of our dice experiment]]
Dann gilt:
+
Then holds:
*Da&nbsp; $P_R(·)$&nbsp; und&nbsp; $P_B(·)$&nbsp; identisch sind, erhält man für die oben definierten Kullback–Leibler–Distanzen&nbsp; $D(P_R \vert \vert P_B)$&nbsp; und&nbsp; $D(P_B \vert \vert P_R)$&nbsp; jeweils den Wert Null.
+
*Since&nbsp; $P_R(·)$&nbsp; and&nbsp; $P_B(·)$&nbsp; are identical, we obtain zero for each of the Kullback-Leibler distances&nbsp; $D(P_R \vert \vert P_B)$&nbsp; and&nbsp; $D(P_B \vert \vert P_R)$&nbsp; defined above.
*Der Vergleich von&nbsp; $P_R(·)$&nbsp; und&nbsp;  $Q_R(·)$&nbsp; ergibt für die erste Variante der Kullback–Leibler–Distanz:
+
*The comparison of&nbsp; $P_R(·)$&nbsp; and&nbsp;  $Q_R(·)$&nbsp; yields for the first variant of the Kullback-Leibler distance:
 
   
 
   
 
:$$\begin{align*}D(P_R \hspace{0.05cm} \vert \vert \hspace{0.05cm} Q_R) & =   
 
:$$\begin{align*}D(P_R \hspace{0.05cm} \vert \vert \hspace{0.05cm} Q_R) & =   
Line 263: Line 262:
 
2 \cdot  0.585 + 2 \cdot  0 - 2 \cdot  0.415 \big ] \approx 0.0570\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
 
2 \cdot  0.585 + 2 \cdot  0 - 2 \cdot  0.415 \big ] \approx 0.0570\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
  
:Hierbei wurde bei der vorzunehmenden Erwartungswertbildung die Tatsache ausgenutzt, dass wegen&nbsp; $P_R(r_1) = $ &nbsp;...&nbsp; $ = P_R(r_6)$&nbsp; der Faktor&nbsp; $1/6$&nbsp; ausgeklammert werden kann.&nbsp; Da hier der Logarithmus zur Basis&nbsp;$ 2$&nbsp; verwendet wurde, ist die Pseudo–Einheit „bit” angefügt.
+
:Here, the expected value formation to be carried out exploited the fact that due to&nbsp; $P_R(r_1) = $ &nbsp;...&nbsp; $ = P_R(r_6)$&nbsp;, the factor&nbsp; $1/6$&nbsp; can be excluded.&nbsp; Since the logarithm to base&nbsp;$ 2$&nbsp; was used here, the pseudo-unit „bit” was used.
*Für die zweite Variante der Kullback–Leibler–Distanz ergibt sich ein etwas anderer Wert:
+
*For the second variant of the Kullback-Leibler distance, a slightly different value results:
 
   
 
   
 
:$$\begin{align*}D(Q_R \hspace{0.05cm}\vert \vert \hspace{0.05cm} P_R)  & =   
 
:$$\begin{align*}D(Q_R \hspace{0.05cm}\vert \vert \hspace{0.05cm} P_R)  & =   
Line 275: Line 274:
 
   \approx 0.0544\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
 
   \approx 0.0544\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
  
*Für den blauen Würfel erhält man&nbsp; $D(P_B \vert \vert Q_B) ≈ 0.0283 \ \rm bit$&nbsp; und&nbsp; $D(Q_B \vert \vert P_B) ≈ 0.0271 \ \rm bit$, also etwas kleinere Kullback–Leibler–Distanzen, da sich die Approximation&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; von&nbsp; $P_B(·)$&nbsp; weniger unterscheidet als&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; von&nbsp; $P_R(·)$.
+
*For the blue cube, one obtains&nbsp; $D(P_B \vert \vert Q_B) ≈ 0.0283 \ \rm bit$&nbsp; and&nbsp; $D(Q_B \vert \vert P_B) ≈ 0.0271 \ \rm bit$, i.e. slightly smaller Kullback-Leibler distances, since the approximation&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; of&nbsp; $P_B(·)$&nbsp; differs less than&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; of&nbsp; $P_R(·)$.
*Vergleicht man die Häufigkeiten&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; und&nbsp; $Q_B(·)$, so erhält man&nbsp; $D(Q_R \vert \vert Q_B) ≈ 0.0597 \ \rm bit$&nbsp; und&nbsp; $D(Q_B \vert \vert Q_R) ≈ 0.0608 \ \rm bit$.&nbsp; Hier sind die Distanzen am größten, da die Unterschiede zwischen&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; und&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; größer sind als zwischen&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; und&nbsp; $P_R(·)$&nbsp; oder zwischen&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; und&nbsp; $P_B(·)$.}}
+
*Comparing the frequencies&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; and&nbsp; $Q_B(·)$, we get&nbsp; $D(Q_R \vert \vert Q_B) ≈ 0.0597 \ \rm bit$&nbsp; and&nbsp; $D(Q_B \vert \vert Q_R) ≈ 0.0608 \ \rm bit$.&nbsp; Here the distances are greatest, since the differences between &nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; and&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; are greater than between&nbsp; $Q_R(·)$&nbsp; and&nbsp; $P_R(·)$&nbsp; or between&nbsp; $Q_B(·)$&nbsp; and&nbsp; $P_B(·)$.}}
  
 
   
 
   

Revision as of 15:25, 1 April 2021

# OVERVIEW OF THE THIRD MAIN CHAPTER #


The focus of this third main chapter is the  mutual information  $I(X; Y)$  between two random variables  $X$  and $Y$.  With statistical dependence,  $I(X; Y)$  is smaller than the individual entropies  $H(X)$  or  $H(Y)$.  For example, the uncertainty regarding the random variable  $X$    ⇒   entropy  $H(X)$  is reduced by the knowledge of  $Y$ , by the amount  $H(X\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}Y)$   ⇒   conditional entropy of  $X$, falls  $Y$  is known.  The remaining residue is the mutual information  $I(X; Y)$.  At the same time, however  $I(X; Y) = H(Y) - H(Y\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}X)$.  The semicolon indicates that the two random variables under consideration,  $X$  and  $Y$ , are equal.

In detail, the third main chapter deals with:

  • the relationship between probability and entropy for  2D random variables,
  • the calculation of the  informational divergence, , also known as the  Kullback–Leibler distance ,
  • the definition of the  joint entropy  $H(XY)$  and the  conditional entropies  $H(X\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}Y)$  and  $H(Y\hspace{0.03cm}|\hspace{0.03cm}X)$,
  • the mutual information  $I(X; Y)$  between two random variables  ,
  • the  information theory of digital signal transmission  and the corresponding model,
  • the definition and meaning of the  channel capacity  and its connection with the mutual information,
  • the capacity calculation for  digital memoryless channels  such as BSC, BEC and BSEC,
  • the  channel coding theorem, one of the highlights of Shannon's information theory.


Further information on the topic as well as tasks, simulations and programming exercises can be found in the experiment „Wertdiskrete Informationstheorie” of the practical course „Simulation Digitaler Übertragungssysteme ”.  This (former) LNT course at the TU Munich is based on

  • the windows programme  WDIT   ⇒   link refers to the ZIP version of the programme; and
  • the corresponding  Praktikumsanleitung    ⇒   link refers to the PDF version.



Introductory example on the statistical dependence of random variables


$\text{Example 1:}$  We start from the experiment „rolling two dice” aus, where both dice are distinguishable (by colour).  The table shows the results of the first  $N = 18$  pairs of throws of this exemplary random experiment.

Result protocol of our random experiment „throwing two dice”

Note:   According to the nomenclature explained in the  following section  r  $R_ν$,  $B_ν$  and  $S_ν$  are to be understood as random variables here:

  • For example, the random variable  $R_3 \in \{1, \ 2, \ 3, \ 4, \ 5, \ 6\}$  indicates the number of eyes of the red die on the third throw as a probability event.  The specification  $R_3 = 6$  states that in the documented realisation the red die showed a „6” in the third throw.
  • In line 2, the numbers of the red dice  $(R)$  are indicated.  The mean value of this limited sequence  $〈R_1$, ... , $R_{18}〉$  is with  $3.39$  smaller than the expected value  ${\rm E}\big[R\big] = 3.5$.  Line 3 shows the numbers of eyes of the blue cube  $(B)$.  The sequence  $〈B_1$, ... , $B_{18}〉$  has a slightly larger mean value of  $3.61$  einen has a slightly larger mean value of   ⇒   ${\rm E}\big[B\big] = 3.5$. 
  • Line 4 contains the sum  $S_ν = R_ν + B_ν$.  The mean value of the sequence  $〈S_1$, ... , $S_{18}〉$  is  $3.39 + 3.61 = 7$.  This is here (by chance) equal to the expected value  $\text{E}\big[S\big] = \text{E}\big[R\big] + \text{E}\big[B\big]$.


Now the question arises between which random variables there are statistical dependencies:

  • If one assumes fair dice, there are no statistical ties between the sequences  $〈 R\hspace{0.05cm} 〉$  and  $〈B \hspace{0.05cm}〉$  – whether bounded or unbounded:   Even if one knows  $R_ν$  for  $B_ν$  all possible numbers of eyes  $1$, ... , $6$  are equally probable.
  • If one knows  $S_ν$, however, statements about  $R_ν$  as well as about  $B_ν$  are possible.  From  $S_{11} = 12$  follows directly  $R_{11} = B_{11} = 6$  and the sum  $S_{15} = 2$  of two dice is only possible with two ones.  Such dependencies are called  deterministic.
  • From  $S_7 = 10$ , at least ranges for  $R_7$  and  $B_7$  can be given:   $R_7 ≥ 4, \ B_7 ≥ 4$.  Then only the three pairs of values  $(R_7 = 4) ∩ (B_7 = 6)$,  $(R_7 = 5) ∩ (B_7 = 5)$  as well as  $(R_7 = 6) ∩ (B_7 = 4)$ are possible.  Here there is no deterministic relationship between the random variables  $S_ν$  and  $R_ν$  $($or.  $B_ν)$, but rather a so-called  statistical dependence.
  • Such statistical dependencies exist for  $S_ν ∈ \{3, \ 4, \ 5, \ 6, \ 8, \ 9, \ 10, \ 11\}$.  If, on the other hand, the sum  $S_ν = 7$, one cannot infer  $R_ν$  and  $B_ν$  from this.  For both dice, all possible numbers  $1$, ... , $6$  are equally probable.  In this case, there are also no statistical ties between  $S_ν$  and  $R_ν$  or between  $S_ν$  and  $B_ν$.


Prerequisites and nomenclature


Throughout this chapter, we consider discrete-value random variables of the form  $X = \{ x_1, \ x_2, \hspace{0.05cm}$ ... $\hspace{0.05cm},\ x_{\mu},\hspace{0.05cm}$ ... $\hspace{0.05cm},\ x_M \} \hspace{0.05cm},$ , and use the following nomenclature:

  • The random variable itself is always denoted by a capital letter.  The lower case letter  $x$  indicates a possible realisation of the random variable  $X$ .
  • All realisations  $x_μ$  $($with  $μ = 1$, ... , $M)$  are real-valued.  $M$  indicates the symbol set size of    of  $X$  .  Instead of  $M$  , we sometimes also use  $|X|$.


Relationship between the probability space  ${\it \Omega}$ 
and the random variable  $X$

The random variable  $X$  can, for example, be created by the transformation  $\Omega → X$ , where  $\Omega$  stands for the probability space of a random experiment. 

The diagram illustrates such a transformation:

$${\it \Omega} = \{ \omega_1, \omega_2, \omega_3, ... \hspace{0.15cm} \} \hspace{0.25cm} \longmapsto \hspace{0.25cm} X = \{ x_1, \ x_2, \ x_3, \ x_4\} \subset \cal{R}\hspace{0.05cm}.$$
  • Each random event  $ω_i ∈ Ω$  is uniquely assigned to a real numerical value  $x_μ ∈ X ⊂ ℝ$  .
  • In the example considered, the running variable is  $1 ≤ μ ≤ 4$, , i.e. the symbol range is  $M = |X| = 4$.
  • However, the figure is not one-to-one:   the realisation  $x_3 ∈ X$  could have resulted from the elementary event  $ω_4$  in the example, but also from  $ω_6$  $($or from some other of the infinitely many elementary events  $ω_i$ not drawn in the diagram).


$\text{Agreement:}$  Often one refrains from indexing both the elementary events  $ω_i$  and the realisations  $x_μ$.  This results in the following shorthand notations, for example:

$$ \{ X = x \} \hspace{0.05cm} \equiv \hspace{0.05cm} \{ \omega \in {\it \Omega} : \hspace{0.4cm} X(\omega) = x \} \hspace{0.05cm},$$
$$ \{ X \le x \} \hspace{0.05cm} \equiv \hspace{0.05cm} \{ \omega \in {\it \Omega} : \hspace{0.4cm} X(\omega) \le x \} \hspace{0.05cm}.$$

With this agreement, the probabilities of the discrete random variable  $X$ are:

$${\rm Pr}( X = x_{\mu}) = \hspace{-0.2cm} \sum_{\omega \hspace{0.1cm} \in \{ X = x_{\mu} \} } \hspace{-0.2cm}{\rm Pr} \left ( \{ \omega \} \right ) \hspace{0.05cm}.$$


Probability function and probability density function


$\text{Definition:}$   If the  $M$  probabilities of a discrete random variable  $X$   ⇒   ${\rm Pr}( X = x_{\mu})$ are combined in a similar way to a vector, we arrive at the   probability mass function  ( PMF):

$$P_X(X) = \big [ \hspace{0.02cm} P_X(x_1), P_X(x_2), \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.15cm}, P_X(x_{\mu}),\hspace{0.05cm} \text{...}\hspace{0.15cm}, P_X(x_M) \hspace{0.02cm} \big ] \hspace{0.05cm}.$$

The  $μ$–element of this „vector” indicates the probability   $P_X(x_{\mu}) = {\rm Pr}( X = x_{\mu}) $  an.


In the book„Stochastische Signaltheorie” , we defined a similar descriptive quantity with the  Probability Density Function  $($ PDF$)$  and designated it as  $f_X(x)$  bezeichnet.

It should be noted, however:

  • The PDF is more suitable for characterising continuous random variables, such as a  Gaussian distribution  or a uniform distribution.  Only through the  use of Dirac functions  does the PDF also become applicable for discrete random variables.
  • The PMF provides less information about the random variable than the PDF and can also only be specified for discrete variables.  However, for the discrete value information theory considered in this chapter, the PMF is sufficient.


$\text{Example 2:}$  We consider a probability density function  (PDF)  without much practical relevance:

$$f_X(x) = 0.2 \cdot \delta(x+2) + 0.3 \cdot \delta(x - 1.5)+0.5 \cdot \delta(x - {\rm \pi}) \hspace{0.05cm}. $$

Thus, for the discrete random variable,  $x ∈ X = \{–2,\ +1.5,\ +\pi \} $   ⇒   symbol range  $M = \vert X \vert = 3$, and the probability function (PMF) is:

$$P_X(X) = \big [ \hspace{0.1cm}0.2\hspace{0.05cm}, 0.3\hspace{0.05cm}, 0.5 \hspace{0.1cm} \big] \hspace{0.05cm}. $$

It can be seen:

  • The  PMF  only provides information about the probabilities  $\text{Pr}(x_1)$,  $\text{Pr}(x_2)$  and  $\text{Pr}(x_3)$.
  • From the  PDF , on the other hand, the possible realisations  $x_1$,  $x_2$  and  $x_3$  of the random variable  $X$  can also be read.
  • The only requirement for the random variable is that it is real-valued.
  • The possible values  $x_μ$  do not have to be positive, integer, equidistant or rational.


Probability function and entropy


In discrete value information theory, in contrast to transmission problems, knowledge of the probability function  $P_X(X)$ is sufficient, for example, to calculate  entropy.

$\text{Definition:}$  The  entropy  of a discrete random variable  $X$  – i.e. its uncertainty for an observer - can be represented with the probability function  $P_X(X)$  as follows:

$$H(X) = {\rm E} \big [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_X(X)}\big ] \hspace{0.05cm}=\hspace{0.05cm} - {\rm E} \big [ {\rm log} \hspace{0.1cm} {P_X(X)}\big ] \hspace{0.05cm}=\hspace{0.05cm} \sum_{\mu = 1}^{M} P_X(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_X(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}=\hspace{0.05cm} - \sum_{\mu = 1}^{M} P_X(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} {P_X(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$

If one uses the logarithm to the base  $2$, i.e.  $\log_2$ (...)   ⇒   binary logarithm, the numerical value is provided with the pseudo-unit „bit” .  $\rm E\big[$...$\big]$ indicates the expected value.


For example, one obtains

  • für  $P_X(X) = \big [\hspace{0.02cm}0.2, \ 0.3, \ 0.5 \hspace{0.02cm}\big ]$:
$$H(X) = 0.2 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.2} + 0.3 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.3} +0.5 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.5} \approx 1.485\,{\rm bit}\hspace{0.05cm},$$
  • für  $P_X(X) = \big [\hspace{0.02cm}1/3, \ 1/3, \ 1/3\hspace{0.02cm}\big ]$:
$$H(X) = 3 \cdot 1/3 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (3) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (3) \approx 1.585\,{\rm bit}\hspace{0.05cm}.$$

The second example provides the maximum of the entropy function for the symbol range  $M = 3$.

$\text{Derivation:}$  For a general $M$ for example, this result can be derived as follows – see  [Meck][1]:

$$H(X) = -{\rm E} \big [ {\rm log} \hspace{0.1cm} {P_X(X)}\big ] \hspace{0.2cm} \le \hspace{0.2cm}- {\rm log} \big [ {\rm E} \hspace{0.1cm} \left [{P_X(X)}\right ] \big ] \hspace{0.05cm}.$$

This estimation  $($Jensens's inequality$)$  is admissible because the logarithm is a concave function.  According to  task 3.2 , the following holds:

$$- {\rm E} \big [ {P_X(X)}\big ] \hspace{0.1cm} \le \hspace{0.1cm} M \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} H(X) \le {\rm log} \hspace{0.1cm} (M) \hspace{0.05cm}.$$

The equal sign results according to the calculation above for equal probabilities, i.e. for  $P_X(x_μ) = {1}/{M}$  for all  $μ$.  In   task 3.3 , the same situation is to be solved using the estimate

$${\rm ln} \hspace{0.1cm} (x) \le x-1$$

is to be proved.  The equal sign applies here only for  $x = 1$.


If one of the  $M$  probabilities  $P_X(x_μ)$  of the probability function is equal to zero, a tighter bound can be given for the entropy:

$$H(X) \le {\rm log} \hspace{0.1cm} (M-1) \hspace{0.05cm}.$$

$\text{Agreement:}$  In the following example and on the next pages we use the following nomenclature:

  • The entropy  $H(X)$  always refers to the actual probability function  $P_X(X)$  of the discrete random variable.  Experimentally, these quantities are obtained only after  $N → ∞$  trials.
  • If the probability function is determined from a finite random sequence, we denote this probability function by  $Q_X(X)$  and add  „$N =$ ...” to the resulting entropy.
  • This entropy approximation is not based on probabilities, but only on the  relative frequencies.  Only for  $N → ∞$  does this approximation agree with  $H(X)$ .


$\text{Example 3:}$  We return to our  „dice experiment”  .  The following table shows the probability functions  $P_R(R)$  and  $P_B(B)$  for the red and blue dice as well as the approximations  $Q_R(R)$  and  $Q_B(B)$, in each case based on the random experiment with  $N = 18$  throws.  The relative frequencies  $Q_R(R)$  and  $Q_B(B)$  result from the  exemplary random sequences  of  $\text{example 1}$.

Probability functions of our dice experiment

The following applies to the random variable  $R$  with the binary logarithm  $($to base  $2)$:

$$H(R) = H(R) \big \vert_{N \hspace{0.05cm}\rightarrow \hspace{0.05cm}\infty} = \sum_{\mu = 1}^{6} 1/6 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) = 2.585\ {\rm bit} \hspace{0.05cm},$$
$$H(R) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}18} = 2 \cdot \frac{2}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{18}{2} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 2 \cdot \frac{3}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{18}{3} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 2 \cdot \frac{4}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{18}{4} \hspace{0.1cm}= 2.530\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$

The blue cube of course has the same entropy:  $H(B) = H(R) = 2.585\ \rm bits$.  Here we get a slightly larger value for the approximation based on  $N = 18$ , since according to the table above  $Q_B(B)$  deviates less from the discrete uniform distribution  $P_B(B)$  than  als $Q_R(R)$  from  $P_R(R)$.

$$H(B) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}18} = 1 \cdot \frac{2}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{18}{2} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 4 \cdot \frac{3}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{18}{3} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 1 \cdot \frac{4}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{18}{4} \hspace{0.1cm}= 2.558\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$

It can be seen from the given numerical values that despite the experimental parameter  $N$ , which is actually much too small, the distortions with regard to entropy are not very large.


It should be mentioned again that with finite  $N$ , the following always applies:

$$ H(R) \big \vert_{N } < H(R) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} H(B) \big \vert_{N } < H(B) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6)\hspace{0.05cm}.$$


Informational Divergence - Kullback-Leibler Distance


We consider two probability functions  $P_X(·)$  and  $P_Y(·)$  over the same alphabet  $X = \{ x_1, \ x_2$, ... ,  $x_M \}$,  is given as follows:

$\text{Definition:}$  The  Informational Divergence between the random variables defined by   $P_X(·)$  and  $P_Y(·)$  is given as follows:

$$D(P_X \hspace{0.05cm} \vert \vert \hspace{0.05cm}P_Y) = {\rm E} \left [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_X(X)}{P_Y(X)}\right ] \hspace{0.2cm}=\hspace{0.2cm} \sum_{\mu = 1}^{M} P_X(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_X(x_{\mu})}{P_Y(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$

  $D(P_X \vert \vert P_Y)$  is also called  Kullback–Leibler distance .

  • This provides a measure of the „similarity” between the two probability functions  $P_X(·)$  and  $P_Y(·)$.
  • When using the logarithm to base  $2$  the pseudo-unit „bit” must again be added.


ISimilarly, a second variant of the Kullback-Leibler distance can be given:

$$D(P_Y \hspace{0.05cm} || \hspace{0.05cm}P_X) = {\rm E} \left [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_Y(X)}{P_X(X)}\right ] \hspace{0.2cm}=\hspace{0.2cm} \sum_{\mu = 1}^{M} P_Y(x_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_Y(x_{\mu})}{P_X(x_{\mu})} \hspace{0.05cm}.$$

Compared to the first variant, each function  $P_X(·)$  is now replaced by  $P_Y(·)$  and vice versa.  Since in general  $D(P_X || P_Y)$  and  $D(P_Y || P_X)$  differ, the term „distance” is actually misleading.  However, we want to leave it at this naming.

If we evaluate the two equations above, we recognise the following properties:

  • If the same distribution is present   ⇒   $P_Y(·) ≡ P_X(·)$, then  $D(P_X || P_Y) = 0$.  In all other cases  $D(P_X || P_Y) > 0$.  The same applies to the variant  $D(P_Y || P_X)$.
  • If  $P_X(x_μ) ≠ 0$  and  $P_Y(x_μ) = 0$  $($a single and arbitrary  $μ is sufficient for this)$,the Kullback-Leibler distance  $D(P_X || P_Y)$  has an infinitely large value.  In this case,   $D(P_Y || P_X)$  is not necessarily infinite either.
  • This statement makes it clear once again that in general  $D(P_X || P_Y)$  will be unequal to  $D(P_Y || P_X)$ .


Subsequently, these two definitions are clarified with our standard example  „dice experiment„  .  At the same time we refer to the following tasks:


$\text{Example 4:}$  For the dice experiment, we have defined the probability functions  $P_R(·)$  and  $P_B(·)$  and their approximations   $Q_R(·)$  and  $Q_B(·)$ .

  • The random variable  $R$  with the PMF  $P_R(·)$  indicates the number of pips of the red dice and  $B$  mit der PMF  $P_B(·)$  the number of pips of the blue cube.
  • The approximations  $Q_R(·)$  and  $Q_B(·)$  result from the experiment described earlier with  $N = 18$  double throws  ⇒   $\text{Example 1}$ .
Probability functions of our dice experiment

Then holds:

  • Since  $P_R(·)$  and  $P_B(·)$  are identical, we obtain zero for each of the Kullback-Leibler distances  $D(P_R \vert \vert P_B)$  and  $D(P_B \vert \vert P_R)$  defined above.
  • The comparison of  $P_R(·)$  and  $Q_R(·)$  yields for the first variant of the Kullback-Leibler distance:
$$\begin{align*}D(P_R \hspace{0.05cm} \vert \vert \hspace{0.05cm} Q_R) & = {\rm E} \left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{P_R(\cdot)}{Q_R(\cdot)}\right ] \hspace{0.1cm} = \sum_{\mu = 1}^{6} P_R(r_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{P_R(r_{\mu})}{Q_R(r_{\mu})} = \\ & = {1}/{6} \cdot \left [ 2 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1/6}{2/18} \hspace{0.1cm} + 2 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1/6}{3/18} \hspace{0.1cm} + 2 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1/6}{4/18} \hspace{0.1cm} \right ] = 1/6 \cdot \big [ 2 \cdot 0.585 + 2 \cdot 0 - 2 \cdot 0.415 \big ] \approx 0.0570\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
Here, the expected value formation to be carried out exploited the fact that due to  $P_R(r_1) = $  ...  $ = P_R(r_6)$ , the factor  $1/6$  can be excluded.  Since the logarithm to base $ 2$  was used here, the pseudo-unit „bit” was used.
  • For the second variant of the Kullback-Leibler distance, a slightly different value results:
$$\begin{align*}D(Q_R \hspace{0.05cm}\vert \vert \hspace{0.05cm} P_R) & = {\rm E} \left [ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{Q_R(\cdot)}{P_R(\cdot)}\right ] \hspace{0.1cm} = \sum_{\mu = 1}^{6} Q_R(r_{\mu}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{Q_R(r_{\mu})}{P_R(r_{\mu})} \hspace{0.05cm} = \\ & = 2 \cdot \frac{2}{18} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{2/18}{1/6} \hspace{0.1cm} + 2 \cdot \frac{3}{18} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{3/18}{1/6} \hspace{0.1cm} + 2 \cdot \frac{4}{18} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{4/18}{1/6} \approx 0.0544\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
  • For the blue cube, one obtains  $D(P_B \vert \vert Q_B) ≈ 0.0283 \ \rm bit$  and  $D(Q_B \vert \vert P_B) ≈ 0.0271 \ \rm bit$, i.e. slightly smaller Kullback-Leibler distances, since the approximation  $Q_B(·)$  of  $P_B(·)$  differs less than  $Q_R(·)$  of  $P_R(·)$.
  • Comparing the frequencies  $Q_R(·)$  and  $Q_B(·)$, we get  $D(Q_R \vert \vert Q_B) ≈ 0.0597 \ \rm bit$  and  $D(Q_B \vert \vert Q_R) ≈ 0.0608 \ \rm bit$.  Here the distances are greatest, since the differences between   $Q_B(·)$  and  $Q_R(·)$  are greater than between  $Q_R(·)$  and  $P_R(·)$  or between  $Q_B(·)$  and  $P_B(·)$.


Verbundwahrscheinlichkeit und Verbundentropie


Für den Rest diese dritten Kapitels betrachten wir stets zwei diskrete Zufallsgrößen  $X = \{ x_1, \ x_2$, ... ,  $x_M \}$  und  $Y = \{ y_1, \ y_2$, ... ,  $y_K \}$, deren Wertebereiche nicht notwendigerweise übereinstimmen müssen.  Das heißt:   $K ≠ M$ $($in anderer Notation:  $|Y| ≠ |X|)$  ist durchaus erlaubt.

Die Wahrscheinlichkeitsfunktion hat somit eine  $K×M$–Matrixform mit den Elementen

$$P_{XY}(X = x_{\mu}\hspace{0.05cm}, \ Y = y_{\kappa}) = {\rm Pr} \big [( X = x_{\mu})\hspace{0.05cm}\cap \hspace{0.05cm} (Y = y_{\kappa}) \big ] \hspace{0.05cm}.$$

Als Kurzschreibweise verwenden wir  $P_{XY}(X, Y)$.  Die neue Zufallsgröße  $XY$  beinhaltet sowohl die Eigenschaften von  $X$  als auch diejenigen von  $Y$.

$\text{Definition:}$  Die  Verbundentropie  (englisch:  Joint Entropy)  lässt sich mit der 2D–Wahrscheinlichkeitsfunktion  $P_{XY}(X, Y)$  als Erwartungswert wie folgt darstellen:

$$H(XY) = {\rm E} \left [ {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{XY}(X, Y)}\right ] = \sum_{\mu = 1}^{M} \hspace{0.1cm} \sum_{\kappa = 1}^{K} \hspace{0.1cm} P_{XY}(x_{\mu}\hspace{0.05cm}, y_{\kappa}) \cdot {\rm log} \hspace{0.1cm} \frac{1}{P_{XY}(x_{\mu}\hspace{0.05cm}, y_{\kappa})} \hspace{0.05cm}.$$

Im Folgenden verwenden wir durchgehend den Logarithmus zur Basis  $2$   ⇒   $\log(x) → \log_2(x)$.  Der Zahlenwert ist somit mit der Pseudo–Einheit „bit” zu versehen.

Allgemein kann für die Verbundentropie die folgende  obere Schranke  angegegeben werden:

$$H(XY) \le H(X) + H(Y) \hspace{0.05cm}.$$


Diese Ungleichung drückt folgenden Sachverhalt aus:

  • Das Gleichheitszeichen gilt nur für den Sonderfall statistisch unabhängiger Zufallsgrößen, wie im folgenden  $\text{Beispiel 5}$  anhand der Zufallsgrößen  $R$  und  $B$  demonstriert wird.  Hierbei bezeichnen  $R$  und  $B$  wieder die Augenzahlen des roten bzw. des blauen Würfels.
  • Gibt es dagegen statistische Abhängigkeiten wie im  $\text{Beispiel 6}$  zwischen den Zufallsgrößen  $R$  und  $S = R + B$, so gilt in obiger Gleichung das „<”–Zeichen:  
$$H(RS) < H(R) + H(S).$$

In diesen Beispielen wird auch gezeigt, in wie weit sich die Verbundentropien  $H(RB)$  und  $H(RS)$  ändern, wenn man beim Würfel–Experiment nicht unendlich viele Wurfpaare ermittelt, sondern lediglich  $N = 18$.

2D–PMF  $P_{RB}$  und Näherung  $Q_{RB}$

$\text{Beispiel 5:}$  Wir kommen wieder auf das  Würfel–Experiment  zurück:

Die Zufallsgrößen sind die Augenzahlen des

  • roten Würfels   ⇒   $R = \{1, \ 2,\ 3,\ 4,\ 5,\ 6\}$,
  • blauen Würfels:  ⇒   $B = \{1,\ 2,\ 3,\ 4,\ 5,\ 6\}$.


Die linke Grafik zeigt die Wahrscheinlichkeiten  $P_{RB}(·)$, die sich für alle  $μ = 1$, ... , $6$  und für alle  $κ = 1$, ... , $6$  gleichermaßen zu  $1/36$  ergeben.

Damit erhält man für die Verbundentropie:

$$H(RB) = H(RB) \big \vert_{N \hspace{0.05cm}\rightarrow \hspace{0.05cm}\infty} = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (36) = 5.170\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$

Man erkennt aus der linken Grafik und der hier angegebenen Gleichung:

  • Da  $R$  und  $B$  statistisch voneinander unabhängig sind, gilt
$$P_{RB}(R, B) = P_R(R) · P_B(B).$$
  • Die Verbundentropie ist die Summe der beiden Einzelentropien:  
$$H(RB) = H(R) + H(B).$$

Die rechte Grafik zeigt die angenäherte 2D–PMF  $Q_{RB}(·)$, basierend auf den nur  $N = 18$  Wurfpaaren unseres Experiments.  Hier ergibt sich keine quadratische Form der Verbundwahrscheinlichkeit  $Q_{RB}(·)$, und die daraus abgeleitete Verbundentropie ist deutlich kleiner als  $H(RB)$:

$$H(RB) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}18} = 16 \cdot \frac{1}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{18}{1} \hspace{0.1cm} +\hspace{0.1cm} 1 \cdot \frac{2}{18}\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{18}{2} \hspace{0.1cm}= 4.059\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$


$\text{Beispiel 6:}$  Beim Würfel–Experiment haben wir neben den Zufallsgrößen  $R$  (roter Würfel) und  $B$  (blauer Würfel) auch die Summe  $S = R + B$  betrachtet.  Die linke Grafik zeigt, dass man die 2D–Wahrscheinlichkeitsfunktion  $P_{RS}(·)$  nicht als Produkt von  $P_R(·)$  und  $P_S(·)$  schreiben kann.

Mit den Wahrscheinlichkeitsfunktionen

$$P_R(R) = \big [ \hspace{0.02cm} 1/6\hspace{0.05cm},\ 1/6\hspace{0.05cm},\ 1/6\hspace{0.05cm},\ 1/6\hspace{0.05cm},\ 1/6\hspace{0.05cm},\ 1/6 \hspace{0.02cm} \big ] \hspace{0.05cm},$$
$$P_S(S)=\big [ \hspace{0.02cm} 1/36\hspace{0.05cm},\ 2/36\hspace{0.05cm},\ 3/36\hspace{0.05cm},\ 4/36\hspace{0.05cm},\ 5/36\hspace{0.05cm},\ 6/36\hspace{0.05cm},\ 5/36\hspace{0.05cm},\ 4/36\hspace{0.05cm},\ 3/36\hspace{0.05cm},\ 2/36\hspace{0.05cm},\ 1/36\hspace{0.02cm} \big ] \hspace{0.05cm}$$

erhält man für die Entropien:

$$H(S) = 2 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}\frac{1}{36} \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} {\rm log}_2 \hspace{0.05cm} \frac{36}{1} \hspace{0.05cm} + 2 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} \frac{2}{36} \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} {\rm log}_2 \hspace{0.05cm} \frac{36}{2} \hspace{0.05cm} + 2 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} \frac{3}{36} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.05cm} \frac{36}{3} \hspace{0.05cm} + 2 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} \frac{4}{36} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.05cm} \frac{36}{4} \hspace{0.05cm} +2 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} \frac{5}{36} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.05cm} \frac{36}{5} + 1 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} \frac{6}{36} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.05cm} \frac{36}{6} \approx 3.274\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}, $$
$$H(R) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (6) \approx 2.585\ {\rm bit} \hspace{0.05cm},\hspace{1.05cm} H(RS) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} (36) \approx 5.170\ {\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$
2D–PMF $P_{RS}$ und Näherung $Q_{RS}$

Aus diesen Zahlenwerten erkennt man:

  • Aufgrund der statistischen Abhängigkeit zwischen dem roten Würfel und der Summe ist die Verbundentropie
$$H(RS) ≈ 5.170 \ \rm bit < H(R) + H(S) ≈ 5.877 \ \rm bit.$$
  • Der Vergleich mit  $\text{Beispiel 5}$  zeigt, dass  $H(RS) =H(RB)$  ist.
  • Der Grund hierfür ist, dass bei Kenntnis von  $R$  die Zufallsgrößen  $B$  und  $S$  genau die gleichen Informationen liefern.


Rechts dargestellt ist der Fall, dass die 2D–PMF  $Q_{RS}(·)$  empirisch ermittelt wurde  $(N = 18)$.  Obwohl sich aufgrund des sehr kleinen  $N$–Wertes ein völlig anderes Bild ergibt, liefert die Näherung für  $H(RS)$  den exakt gleichen Wert wie die Näherung für  $H(RB)$  im $\text{Beispiel 5}$:

$$H(RS) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}18} = H(RB) \big \vert_{N \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}18} = 4.059\,{\rm bit} \hspace{0.05cm}.$$


Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 3.1: Wahrscheinlichkeiten beim Würfeln

Zusatzaufgabe 3.1Z: Karten ziehen

Aufgabe 3.2: Erwartungswertberechnungen

Aufgabe 3.2Z: 2D–Wahrscheinlichkeitsfunktion

Aufgabe 3.3: Entropie von Ternärgrößen

Aufgabe 3.4: Entropie für verschiedene Wahrscheinlichkeiten

Aufgabe 3.5: Kullback-Leibler-Distanz & Binominalverteilung

Aufgabe 3.5Z: Nochmals Kullback-Leibler-Distanz

Aufgabe 3.6: Partitionierungsungleichung


Quellenverzeichnis

  1. Mecking, M.: Information Theory. Vorlesungsmanuskript, Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, Technische Universität München, 2009.