Aufgabe 3.7: Einige Entropieberechnungen

Schaubild der Entropien und der Information

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):

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

die beiden Einzelentropien:

$$H(X) = -{\rm E}\big [\log_2 P_X( X)\big ],$$

$$H(Y) = -{\rm E}\big [\log_2 P_Y( Y)\big ].$$

Daraus lassen sich gemäß dem obigen Schema – dargestellt für die Zufallsgröße $XY$ – auch folgende Beschreibungsgrößen sehr einfach bestimmen:

die bedingten Entropien (englisch: Conditional Entropies):

$$H(X \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Y) = -{\rm E}\big [\log_2 P_{ X \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}Y }( X \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} Y)\big ],$$

$$H(Y \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} X) = -{\rm E}\big [\log_2 P_{ Y \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} X }( Y \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} X)\big ],$$

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

$$I(X;Y) = {\rm E} \hspace{-0.08cm}\left [ \hspace{0.02cm}{\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{P_{XY}(X, Y)} {P_{X}(X) \cdot P_{Y}(Y) }\right ] \hspace{0.05cm}.$$

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

Hinweise:

Die Aufgabe gehört zum Kapitel Verschiedene Entropien zweidimensionaler Zufallsgrößen.
Insbesondere wird Bezug genommen auf die Seiten Bedingte Wahrscheinlichkeit und bedingte Entropie sowie Transinformation zwischen zwei Zufallsgrößen.

Fragebogen

$H(XY) \ = \ $

$\ \rm bit$

$H(X) \ = \ $

$\ \rm bit$

$H(Y) \ = \ $

$\ \rm bit$

$I(X; Y) \ = \ $

$\ \rm bit$

$H(X|Y) \ = \ $

$\ \rm bit$

$H(Y|X) \ = \ $

$\ \rm bit$

	Die 1D–Zufallsgrößen $U$ und $V$ sind statistisch unabhängig.
	Die gemeinsame Information von $U$ und $V$ ist $I(U; V) = 0$.
	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

$$H(XY) = 0.18 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.18} + 0.16\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.16}+ \hspace{-0.15cm} 0.02\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.02}+ 0.64\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.64} \hspace{0.15cm} \underline {= 1.393\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$

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

$$H(X) = 0.2 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.2} + 0.8\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.8}\hspace{0.15cm} \underline {= 0.722\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm},$$

$$H(Y) =0.34 \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.34} + 0.66\cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{1}{0.66}\hspace{0.15cm} \underline {= 0.925\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$

(3) Aus der Grafik auf der Angabenseite erkennt man den Zusammenhang:

$$I(X;Y) = H(X) + H(Y) - H(XY) = 0.722\,{\rm (bit)} + 0.925\,{\rm (bit)}- 1.393\,{\rm (bit)}\hspace{0.15cm} \underline {= 0.254\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}.$$

(4) Ebenso gilt entsprechend der Grafik auf der Angabenseite:

$$H(X \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.08cm} Y) = H(XY) - H(Y) = 1.393- 0.925\hspace{0.15cm} \underline {= 0.468\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm},$$

$$H(Y \hspace{-0.1cm}\mid \hspace{-0.08cm} X) = H(XY) - H(X) = 1.393- 0.722\hspace{0.15cm} \underline {= 0.671\,{\rm (bit)}} \hspace{0.05cm}$$

Die linke Grafik fasst die Ergebnisse der Teilaufgaben (1), ... , (4) 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 $UV$ ⇒ Teilaufgabe (5).

(5) Richtig sind demzufolge die Aussagen 1, 2 und 4:

Man erkennt die Gültigkeit von $P_{ UV } (⋅) = P_U (⋅) · P_V(⋅)$ ⇒ 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.
Es ergeben sich gleiche 1D–Wahrscheinlichkeitsfunktionen wie für die Zufallsgröße $XY$ ⇒ $P_U(U) = [0.2, 0.8]$, $P_V(V) = [0.34, 0.66]$.
Deshalb ist auch $H(U) = H(X) = 0.722\ \rm bit$ und $H(V) = H(Y) = 0.925 \ \rm bit$.
Hier gilt aber nun für die Verbundentropie: $H(UV) = H(U) + H(V) ≠ H(XY)$.