Aufgabe 3.6: Partitionierungsungleichung

Die $Kullback–Leibler–Distanz$ (kurz KLD) wird auch in der „Partitionierungsungleichung” (englisch: Partition Unequality) verwendet:

Wir gehen von der Menge

$$X=\{ x_1,x_2,.....,x_M \}$$ und den Wahrscheinlichkeitsfunktionen

$P_X(X) = P_X(x_1,x_2,....,x_M)$ ,

$Q_X(X) = Q_X(x_1,x_2,....,x_M)$ aus, die in irgendeiner Form „ähnlich” sein sollen

Die Menge $X$ unterteilen wir in die Partitionen $A_1, ..., A_K$ , die zueinander disjunkt sind und ein $vollständiges System$ ergeben:

$\bigcup_{i=_1}^K A_i = X$ , $A_i \cap A_j = \phi$ für $1 \leq i \neq j \leq K$

Die Wahrscheinlichkeitsfunktionen bezüglich der Partitionierungen $A=\{ A_1,A_2,.....,A_K \}$bezeichnen wir im Folgenden mit

$P_X^{ (A) } = [ P_X(A_1),.......,P_X(A_K)]$ , wobei $P_X(A_i) = \sum\limits_{ x \epsilon A_i } P_X(x)$

$Q_X^{ (A) } = [ Q_X(A_1),.......,Q_X(A_K)]$ , wobei $Q_X(A_i) = \sum\limits_{ x \epsilon A_i } Q_X(x)$

Die $Partitionierungsungleichung$ liefert folgende Größenrelation hinsichtlich der Kullback–Leibler–Distanzen:

$D(P_X^{ (A) } \parallel Q_X^{ (A) } ) \leq D(P_X \parallel Q_X)$

In der Aufgabe (a) soll die Kullback–Leibler–Distanz der beiden Wahrscheinlichkietsfunktionen $P_X(X)$ und $Q_X(X)$ für $X = \{0, 1, 2\} \Rightarrow |X| = 3$ ermittelt werden. Anschließend soll die Menge $X$ entsprechend

$A = \{A_1 , A_2\}$ mit $A_1 =\{0\}$ und $A_2 = \{ 1,2 \}$ ,
$B = \{B_1 , B_2\}$ mit $B_1 =\{1\}$ und $B_2 = \{ 0,2 \}$ ,
$C = \{C_1 , C_2\}$ mit $C_1 =\{2\}$ und $C_2 = \{ 0,1\}$ ,

mit $K = 2$ partitioniert werden und es sollen die jeweiligen Kullback–Leibler–Distanzen

$D(P_X^{ (A) } \parallel Q_X^{ (A) } )$

$D(P_X^{ (B) } \parallel Q_X^{ (B) } )$ ,

$D(P_X^{ (C) } \parallel Q_X^{ (C) } )$

angegeben werden. In Aufgabe (e) wird schließlich nach den Bedingungen gefragt, damit in der obigen Ungleichung das Gleichheitszeichen zutrifft. Hinweis: Die Aufgabe gehört zu Kapitel 3.1.Die Wahrscheinlichkeitsfunktionen können aus obiger Grafik abgelesen werden:

$P_X(X) = [1/4 , 1/2 , 1/4]$

$Q_X(X) = [1/8 , 3/4, 1/8]$

Fragebogen

$ D(P_X \parallel Q_X)$ =

$bit$

$D(P_X^{ (A) } \parallel Q_X^{ (A) } )$ =

$bit$

$D(P_X^{ (B) } \parallel Q_X^{ (B) } )$ =

$bit$

	Das gleiche Ergebnis wie für die Partitionierung $A$.
	Das gleiche Ergebnis wie für die Partitionierung $B$.
	Ein ganz anderes Ergebnis.

	Es müssen $\|X\|$ Gleichungen erfüllt sein.
	Für $x \epsilon A_i$ muss gelten : $P_X(x)/Q_X(x) = P_X(A_i)/ Q_X(A_i)$

Musterlösung

1. Für die Kullback–Leibler–Distanz (KLD) gilt:

$$D(P_X \parallel P_Y) = E [ log_2 \frac{P_X(X)}{P_Y(X)}] = \sum\limits_{ x \epsilon X} P_X(x) . log_2 \frac{P_X(x)}{P_Y(x)} =$$

$$\frac{1}{2} . log_2 \frac{1/2}{3/4} + 2 . \frac{1}{4} . log_2 \frac{1/4}{1/8} = \frac{1}{2} . log_2 \frac{2}{3} + \frac{1}{2} . log_2(2) =$$

$$1 - \frac{1}{2} . log_2(3) = 0.2075 (bit)$$

2. $Partitionierung A \Rightarrow A_1 = \{0\}$ , $A_2 = \{ 1 , 2 \}$ : Man erhält die Wahrscheinlichkeitsfunktionen 3. 4. 5. 6. 7.