Aufgabe 3.7: Einige Entropieberechnungen

Wir betrachten die beiden Zufallsgrößen $XY$ und $UV$ mit den folgenden 2D-Wahrscheinlichkeitsfunktionen:

$$P_{XY}(X, Y) = \begin{pmatrix} 0.18 & 0.16\\ 0.02 & 0.64 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm} \hspace{0.05cm}$$

$$P_{UV}(U, V) \hspace{0.05cm}= \begin{pmatrix} 0.068 & 0.132\\ 0.272 & 0.528 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm}$$

Für die Zufallsgröße $XY$sollen in dieser Aufgabe berechnet werden:

die Verbundentropie (englisch: Joint Entropy):

$H(XY) = -E[log_2 P_{ XY }( X,Y)]$

die beiden Einzelentropien:

$$H(X) = -E[log_2 P_X( X)]$$ $$H(Y) = -E[log_2 P_Y( Y)]$$ Daraus lassen sich entsprechend dem obigen Schema – dargestellt für die Zufallsgröße $XY$ – noch die folgenden Beschreibungsgrößen sehr einfach bestimmen:

die bedingten Entropien (englisch: Conditional Entropies):

$H(X \mid Y) = -E[log_2 P_{ X \mid Y }( X \mid Y)]$

$H(Y \mid Y) = -E[log_2 P_{ Y \mid X }( Y \mid X)]$

die Transinformation (englisch: Mutual Information) zwischen $X$ und $Y$:

$I(X;Y) = E [log_2 \frac{P_{ XY }(X,Y)}{P_X(X) . P_Y(Y)}]$

Abschließend sind qualitative Aussagen hinsichtlich der zweiten Zufallsgröße $UV$ zu verifizieren.

Hinweise:

Die Aufgabe gehört zum Kapitel Einige Vorbemerkungen zu den 2D-Zufallsgrößen.
Insbesondere wird Bezug genommen auf die Seite Relative Entropie – Kullback-Leibler-Distanz.
Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
Die beiden Wahrscheinlichkeitsfunktionen können aus obiger Grafik wie folgt abgelesen werden:

$$P_X(X) = [1/4 , 1/2 , 1/4],\hspace{0.5cm} Q_X(X) = [1/8 , 3/4, 1/8].$$

Hinwies: Die Aufgabe bezieht sich auf das Themengebiet von Kapitel 3.2.

Fragebogen

$H(XY)$ =

$bit$

$H(X)$ =

$bit$

$H(Y)$ =

$bit$

$I(X; Y)$ =

$bit$

$H(X|Y)$ =

$bit$

$H(Y|X)$ =

$bit$

	Die 1D–Zufallsgrößen $U$ und $V$ sind statistisch unabhängig.
	Die gemeinsame Information von $U$ und $V \Rightarrow I(U; V)$ ist $0$.
	Für die Verbundentropie gilt $H(UV) = H(XY)$.
	Es gelten die Beziehungen $H(U\|V) = H(U)$ und $H(V\|U) = H(V)$.

Musterlösung

1. Aus der gegebenen Verbundwahrscheinlichkeit erhält man

$$H(XY) = 0,18 . log_2 \frac{1}{0,18} + 0,16 . log_2 \frac{1}{0,16}$$

$$+ 0,02 . log_2 \frac{1}{0,02} + 0,64 . log_2 \frac{1}{0,64} = 1,393 (bit)$$

2. Die 1D–Wahrscheinlichkeitsfunktionen lauten $P_X(X) = [0.2, 0.8]$ und $P_Y(Y) = [0.34, 0.66]$. Daraus folgt:

$H(X) = 0,2 . log_2 \frac{1}{0.2} + 0,8 . log_2 \frac{1}{0,8} = 0.722 (bit)$

$H(Y) = 0,34 . log_2 \frac{1}{0.34} + 0,66 . log_2 \frac{1}{0,66} = 0.925 (bit)$

3. Aus der $Grafik$ auf der Angabenseite erkennt man den Zusammenhang:

$$I(X;Y) = H(X) + H(Y) - H(XY) = $$ $$ = 0.722 (bit) + 0.925 (bit)- 1.393 (bit) = 0.254 (bit)$$

4. Ebenso gilt entsprechend der $Grafik$ auf der Angabenseite:

$$H(X \mid Y) = H(XY) - H(Y) = 1.393 - 0.925 = 0.468 (bit)$$ $$H(Y \mid X) = H(XY) - H(X) = 1.393 - 0.722 = 0.671 (bit)$$

Die linke Grafik fasst die Ergebnisse der Teilaufgaben (a), ... , (d) maßstabsgetreu zusammen. Grau hinterlegt ist die Verbundentropie und gelb die Transinformation. Eine rote Hinterlegung bezieht sich auf die Zufallsgröße $X$, eine grüne auf $Y$. Schraffierte Felder deuten auf eine bedingte Entropie hin.

Die rechte Grafik beschreibt den gleichen Sachverhalt für die Zufallsgröße $UV \Rightarrow$ Teilaufgabe (e).

5. Man erkennt die Gültigkeit von $P_{ UV } (.) = P_U (⋅) · P_V(⋅) \Rightarrow$ Transinformation $I(U; V) = 0$ daran, dass die zweite Zeile der $P_{ UV }$–Matrix sich von der ersten Zeile nur durch einen konstanten Faktor (4) unterscheidet. Richtig sind demzufolge die Aussagen 1, 2 und 4. Weiter ist zu erwähnen:

Es ergeben sich die gleichen 1D–Wahrscheinlichkeitsfunktiionen wie für die Zufallsgröße $XY \Rightarrow P_U(U) = [0.2, 0.8]$ und $P_V(V) = [0.34, 0.66]$.
Deshalb ist auch $H(U) = H(X) = 0.722$ bit und $H(V) = H(Y) = 0.925 bit$.
Hier gilt aber nun für die Verbundentropie: $H(UV) = H(U) + H(V) ≠ H(XY)$.