第三章4连续信源及信源熵
信源和信息熵
注意：任何无源处理总是丢失信息的，至多保持原来 的信息，这是信息不可增性的一种表现。
二、离散平稳信源的极限熵 设信源输出一系列符号序列X1,X2, ‥XN 概率分布： 联合熵：
定义序列的平均符号熵＝总和/序列长度，即：
• 平均符号熵就是信源符号序列中平均每个信 源符号所携带的信息量。
信源和信息熵
2.1 信源的数学模型及分类
通信系统模型及信息传输模型：
一、信源输出是单个符号的消息
例：扔一颗质地均匀的正方体骰子，研究其下落后， 朝上一面的点数。每次试验结果必然是1点、2点、3点、 4点、5点、6点中的某一个面朝上。每次试验只随机出 现其中一种消息，不可能出现这个集合以外的消息， 考察此事件信源的数学模型。
H（1,0）＝H（0,1）＝H（1,0,0, ‥）＝‥＝0 说明：从熵的不确定概念来说，确知信源的不确定度 应该为0。
5、可加性： 二个随机变量X和Y不独立时： H(XY)=H(X)+H(Y/X)=H(Y)+H(X/Y) 二个随机变量X和Y独立时： H(XY)=H(X)+H(Y) 6、极值性：
H(p1,p2, ‥,pq) ≤－∑pilogqi，当pi＝1/q时，
解：数学模型为：
且满足：
§离散信源：信源输出是单一符号的消息，其符号集 的取值是有限的或可数的。
一维离散信源数学模型就是离散型的概率空间：
且满足：
§连续信源的无
限
数学模型是连续型的概率空间： 值。
实数集（－∞，＋∞）
X的概率 密度函数
r进制信息熵与二进制信息熵的关系：
熵的物理含义： 信息熵H(x)是表示信源输出后，每个消息(或符号)所提 供的平均信息量；信息熵H(x)是表示信源输出前，信源 的平均不确定性；用信息熵H(x)来表征变量X的随机 性。 注意：信息熵是信源的平均不确定的描述。一般情况 下，它并不等于平均获得的信息量，获得的信息量是两 熵之差，并不是信息熵本身。
2.6连续信源的熵
2.6连续信源的熵所谓连续信源就是指其输出在时间上和取值上都是连续的信源。
见图2.6.1。
各采样值的概率可用其概率分布密度函数来确定。
图2.6.2表示一个连续信源输出的幅度和其概率分布密度的关系。
设各种采样值之间无相关性，信源熵可写成：])(log[)(dx x p dx x p i ii ∑[例2.6.1]一连续信源，其输出信号的概率分布密度如图2.6.3所示，试计算其熵。
连续信源的熵不再具有非负性，这与离散信源显然不同。
同样可以定义两个连续变量的联合熵：⎰⎰-=dxdy xy lbp xy p XY H )()()(以及定义两个连续变量的条件熵；⎰⎰-=dxdy y x lbp xy p Y X H )/()()/( ⎰⎰-=dxdy x y lbp xy p X Y H )/()()/(连续信源的共熵、条件熵、单独熵之间也存在如下关系：)()()(Y H X H XY H +≤2.6.1三种特定连续信源的最大熵与离散信源不同，求连续信源的最大熵需要附加条件，常见的有三种。
1．输出幅度范围受限（或瞬时功率受限）的信源2．输出平均功率受限的信源 3．输出幅度平均值受限的信源 (1)限峰值功率的最大熵定理若代表信源的N 维随机变量的取值被限制在一定的范围之内，则在有限的定义域内，均匀分布的连续信源具有最大熵。
设N 维随机变量∏=∈Ni iib a X 1),( iia b>其均匀分布的概率密度函数为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-∉-∈-=∏∏∏===Ni i i Ni i i Ni i i a b x a b x a b x p 111)(0)()(1)(除均匀分布以外的其他任意概率密度函数记为)(x q ，并用[]X x p H c),(和[]X x q H c),(分别表示均匀分布和任意非均匀分布连续信源的熵。
在1)()(11112121==⎰⎰⎰⎰N b a b a N b a b a dx dx dxx q dx dx dxx p N NN N的条件下有[]⎰⎰-=1112)(log)(),(b a Nb ac dx dx x q x q X x q H NN⎰⎰⎰⎰⎰⎰+-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∙=111111121212)()(log)()(log)()()()(1log )(b a Nb a b a N b a b a Nb a dx dx x q x p x q dx dx x p x q dx dx x p x p x q x q NNNNN N令0,)()(≥=z x q x p z显然运用著名不等式1ln -≤z z 0>z 则]),([11)(log1)()()()(1log)(]),([1211121111X x p H a bdx dx x q x p x q dx dx a bx q X x q H c Ni i ib a Nb a b a N Ni i ib ac N N NN=-+-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+--≤∏⎰⎰⎰∏⎰==则证明了，在定义域有限的条件下，以均匀分布的熵为最大。
信息论与编码2-信源及信源熵
实例3
随机天气状况信源，其中晴天、雨天、雪天出现的概率分别是0.7、0.2、0.1。
实例1
随机二进制信源，其中每个二进制符号（0或1）出现的概率为0.5。
离散无记忆信源的实例
离散有记忆信源
03
离散有记忆信源是输出符号序列中符号与符号之间存在记忆关系的离散随机序列。
应用场景
广泛应用于网络通信、金融交易、军事通信等领域，保障信息安全和隐私。
加密通信
03
应用景
广泛应用于通信系统、数据存储等领域，如CD、DVD、硬盘等存储设备的纠错编码。
01
纠错原理
通过在数据中添加冗余信息，检测和纠正数据传输过程中的错误。
02
常见纠错编码
如奇偶校验码、海明码、循环冗余校验码等，这些编码利用数学原理对数据进行校验，确保数据的正确性。
纠错编码
THANKS
感谢观看
离散有记忆信源的输出符号之间存在统计依赖关系，这种关系会影响信息熵的计算。
定义
性质
离散有记忆信源的定义与性质
计算方法
条件熵
联合熵
离散有记忆信源熵的计算
离散有记忆信源熵是描述信源不确定性的度量，可以通过统计模型来计算。具体计算方法包括条件熵和联合熵等。
条件熵是在给定前一个或多个符号条件下，输出符号的熵。
应用场景
广泛应用于文件存储、网络传输、多媒体处理等领域，如JPEG图片压缩、MP3音频压缩等。
数据压缩原理
通过去除数据中的冗余信息，将数据压缩至更小的存储空间，提高存储和传输效率。
数据压缩
加密原理
通过特定的加密算法将明文转换为密文，确保信息在传输过程中的保密性。
连续信源的最大熵与最大熵条件解析
青岛农业大学本科生课程论文论文题目连续信源的最大熵与最大熵条件学生专业班级信息与计算科学 0902学生姓名（学号）指导教师吴慧完成时间 2012-6-25 2012 年 6 月 25 日课程论文任务书学生姓名指导教师吴慧论文题目连续信源的最大熵与最大熵条件论文内容（需明确列出研究的问题）：1简述连续信源的基本概要。
2 定义了连续信源的差熵公式，分别介绍了满足均匀分布和高斯分布的两种特殊信源。
3推导了连续信源的最大熵值及最大熵条件。
资料、数据、技术水平等方面的要求：1概率论的均匀分布、高斯分布的相关知识。
2以及在这两种分布下的连续信源和高斯信源。
3在不同的约束条件下，求连续信源差熵的最大值一种是信源的输出值受限，另一种是信源的输出平均功率受限。
4 詹森不等式以及数学分析的定积分和反常积分、不定积分等数学公式。
发出任务书日期 2012-6-6 完成论文日期 2012-6-25 教研室意见（签字）院长意见（签字）连续信源的最大熵与最大熵条件信息与计算科学指导老师吴慧摘要：本文简述了连续信源的基本概要并定义了连续信源的差熵公式，分别介绍了满足均匀分布和高斯分布的两种特殊信源，推导了连续信源的最大熵值及最大熵条件。
关键词：连续信源最大熵均匀分布高斯分布功率受限The maximum entropy and maximum entropy conditionof consecutive letter of the sourceInformation and Computing Sciences Bian jiangTutor WuhuiAbstract：: On the base of continuous source this eassy describes the basic outline and define differential entropy formula, introduced a uniform distribution and Gaussian distribution of the two special source, derivation of a continuous source of maximum entropy and maximum entropy conditions.Keyword: Continuous source Maximum entropy Uniform distributionNormal distribution Power is limited引言：科学技术的发展使人类跨入了高度发展的信息化时代。
信息论与编码ch连续信源及其熵
2019/9/22
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第二章 信源熵
连续信源熵的意义
这种定义可以与离散信源在形式上统一起来； 在实际问题中常常讨论的是熵之间的差值问题，如
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20
第二章 信源熵
这样连续变量x就可用取值为xi(i=1,2,…,n)的离散 变量近似。连续信源被量化成离散信源。
n
n
n
H ( X ) p(ai ) log2 p(ai ) p(ai ) log2 p(ai ) p(ai ) log2
i 1
i 1
i 1
当n , 0时，若极限存在，即得连续信源的熵为
n
n
lim H (X )
n 0
lim n 0
i 1
p(ai ) log2
p(ai
)
lim(log
n
2
0
)
i 1
p(ai )
b
b
a
p(x) log2
p(
x)dx
lim(log
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第二章 信源熵
设p(x)如图2.3.1所示。把连续随机变量X的取值分割成n个
小区间，各小区间等宽，即Δ=(b-a)/n。则变量落在第i个小
区间的概率为
ai
P(a (i 1) X a i) a(i1) p(x)dx p(ai )
信息论复习提纲
信道传递概率可以用信道矩阵来表示：
x1 x2 P xr
y1 p( y1 | x1 ) p( y | x ) 1 2 p( y1 | xr )
y2 p( y2 | x1 )
p( y2 | x2 ) p( y2 | xr )
ys p( ys | x1 ) 1 p( ys | x2 ) p( ys | xr )
i
第四章：信道及信道容量
二、离散单符号信道及其信道容量
1.离散单符号信道的数学模型（续14）
例3：求二元删除信道的 H ( X )、H (Y )、H ( X | Y )和I ( X ;Y ) 。
已知
1 3 PX 4 4
1 1 2 2 0 P 1 2 0 3 3
3. 后验概率（后向概率）: 贝叶斯公式
p ( xi | y j ) p ( xi y j ) p( y j ) p ( xi ) p ( y j | xi )
p( x ) p( y
i 1 i
r
j
| xi )
（i =1，2，…，r;j =1，2，…，s）
且
p ( xi | y j ) 1
Y y2
ys
i 1, 2,..., r ; j 1, 2,..., s
满足： （1）0≤ p(yj|xi) ≤ 1 (i=1,2,…,r；j=1,2,…,s) （2）
p( y j | xi ) 1
j 1
s
(i=1,2,…,r)
第四章：信道及信道容量
二、离散单符号信道及其信道容量
1.离散单符号信道的数学模型（续2）
r s
第四章：信道及信道容量
第3章_信源及信源熵_修改
第三章：信源及信源熵
信源分类
单符号信源
多符号信源 连续信源
4. 马尔可夫信源
(1) 定义 (2) 熵率
(3) 马尔可夫信源
(4) 马尔可夫链
马尔可夫链
第三章：信源及信源熵
信源分类
单符号信源
多符号信源 连续信源
4. 马尔可夫信源（续1）
(1) 定义
实际的有记忆信源，符号间的相关性可以追溯到很远，使 得熵率的计算比较复杂。
离散多符号信源可以用随机矢量/随机变量序列来描述， 即
一般来说，信源的统计特性随着时间的推移而有所变化。 为了便于研究，我们常常假定在一个较短的时间段内， 信源是平稳信源。
第三章：信源及信源熵
信源分类
单符号信源
多符号信源 连续信源
1. 预备知识（续1）
定义1：对于离散随机变量序列 ，若任意两个不同 时刻i和j (大于1的任意整数) 信源发出消息的概率分布完全相 同，即对于任意的 ， 和 具有相同的概率分布。也就是
怎样确定信源产生的信息量、产生信息的速率 √
信源编码
（第五章）
根据信源输出消息在时间和取值上是离散或连续分类：
时间 （空间） 离散 取值 信源种类 举例 消息的数学描述
离散
离散信源 （数字信源）
文字、数据 、 离散化图象
离散随机变量序列
离散 连续
连续 连续
连续信源 波形信源 （模拟信源） 语音、音乐 、热噪声、 图形、图象 不常见
第三章：信源及信源熵
一：信源的分类及其数学模型
1. 预备知识 二：离散单符号信源 2. 离散平稳无记忆信源 三：离散多符号信源 3. 离散平稳有记忆信源 4. 马尔可夫信源 5. 信源的相关性和剩余度
第三章 信源及信息熵
N
(X )
N
H (X1X 2 X
N
)
称为平均符号熵。如果当 N 时上式极限存在， 则 lim H ( X ) 称为熵率，或称为极限熵，记为
N N
def
H lim H
N
N
(X )
3.3.1
一般情况
离散平稳无记忆信源
数学模型
设一个离散无记忆信源为：
X a1 P p1 a2 p2 ... ... aq pn
19
解（1）因为信源是无记忆信源，所以符号的平均熵
H(X ) H( 1 4 3 4 ) 1 4 2 3 4
100 m
0.415 0.81bit / 符号
（2）某一特定序列（例如有m个0和100-m个1）出现的概率为
P( X ) P( X 1 , X 2 , X 100 ) P(0)
例:有一离散平稳无记忆信源 X
x1 1 p( x) 2
x2 1 4
x3 1 4
求：二次扩展信源的熵及其该信源的熵率。
X2信源 的元素 对应的 消息序列 概率p(ai)
a1 x1x1
1/4
a2 x 1x2
1/8
a3 x1x3
1/8
a4 x2x1
1/8
i 1 3
H lim H N ( ) lim
N
1 N
N
NH ( X ) 1.5bit / 符号
例题
某一无记忆信源的符号集{0，1}，已知 p(0)=1/4,p(1)=3/4. (1)求符号的平均熵； （2）由100个符号构成的序列，求某一 特定序列（例如有m个0和100-m个1） 的自信息量的表达式； （3）计算（2）中的序列的熵
信源及信源熵
i
是
xi
的函数，
I (xi ) xi
9
2.2.1 自信息量
b. 自信息量的单位的确定 • 在信息论中常用的对数底是2，信息量的单位为比特（bit）； • 若取自然对数，则信息量的单位为奈特（nat）； • 若以10为对数底，则信息量的单位为笛特（det）。
这三个信息量单位之间的转换关系如下： 1 nat＝log2e l.433 bit， l det＝log210 3.322 bit
10
2.2.1 自信息量
几个例子
i.
一个以等概率出现的二进制码元（0，1）所包含的自信息量为：
I（0）= I（1）= - log2 （1/2）=log22=1 bit
ii. 若是一个m位的二进制数，因为该数的每一位可从0, 1两个数字中任取一个，因此有2m个等 概率的可能组合。所以I= -log2(1/2m)=m bit，就是需要m比特的信息来指明这样的二进制数。
i 1
6
第二节 离散信源熵和互信息
问题： • 什么叫不确定度？ • 什么叫自信息量？ • 什么叫平均不确定度？ • 什么叫信源熵？ • 什么叫平均自信息量？ • 什么叫条件熵？ • 什么叫联合熵？ • 联合熵、条件熵和熵的关系是什么？
7
第二节 离散信源熵和互信息 • 什么叫后验概率？ • 什么叫互信息量？ • 什么叫平均互信息量？ • 什么叫疑义度？ • 什么叫噪声熵（或散布度）？ • 数据处理定理是如何描述的？ • 熵的性质有哪些？
信源及信源熵
第一节 信源的描述和分类
1. 连续信源 连续信源是指发出在时间和幅度上都是连续分布的连续消息（模拟消息）的信源，如语言 、图像、图形等都是连续消息。
2. 离散信源 离散信源是指发出在时间和幅度上都是离散分布的离散消息的信源，如文字、数字、数据 等符号都是离散消息。
信源及信源熵习题答案
(1)
(2)
(3)
H(X) > H2(X)
表示得物理含义就是:无记忆信源得不确定度大与有记忆信源得不确定度,有记忆信源得结构化信息较多,能够进行较大程度得压缩。
2、12 同时掷出两个正常得骰子,也就就是各面呈现得概率都为1/6,求:
(1) “3与5同时出现”这事件得自信息;
(2) “两个1同时出现”这事件得自信息;
第二章:
2、1 试问四进制、八进制脉冲所含信息量就是二进制脉冲得多少倍？
解:
四进制脉冲可以表示4个不同得消息,例如:{0, 1, 2, 3}
八进制脉冲可以表示8个不同得消息,例如:{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
二进制脉冲可以表示2个不同得消息,例如:{0, 1}
假设每个消息得发出都就是等概率得,则:
若把这些频度瞧作概率测度,求:
(1) 忙闲得无条件熵;
(2) 天气状态与气温状态已知时忙闲得条件熵;
(3) 从天气状态与气温状态获得得关于忙闲得信息。
解:
(1)
根据忙闲得频率,得到忙闲得概率分布如下:
(2)
设忙闲为随机变量X,天气状态为随机变量Y,气温状态为随机变量Z
(3)
2、15 有两个二元随机变量X与Y,它们得联合概率为
(1) 求符号得平均熵;
(2) 有100个符号构成得序列,求某一特定序列(例如有m个“0”与(100m)个“1”)得自信息量得表达式;
(3) 计算(2)中序列得熵。
解:
(1)
(2)
(3)
2、14 对某城市进行交通忙闲得调查,并把天气分成晴雨两种状态,气温分成冷暖两个状态,调查结果得联合出现得相对频度如下:
(2) 若从中抽取13张牌,所给出得点数都不相同能得到多少信息量？
信息导论-第6讲-信源熵
信源熵的度量
03
熵的离散型度量
离散型熵
离散型熵是用于度量离散随机变量不确定性的量，其定义基于概率分布。对于一个离散随机变量X，其熵H(X)定 义为H(X)=−∑p(x)logp(x)text{H}(X) = -sum p(x) log p(x)H(X)=−∑p(x)logp(x)，其中p(x)是随机变量取某个值 的概率。
深入研究信源熵与信息论其他概念，如互信息、相对熵等之间的联系，有助于更全面地 理解信息传递的本质。
扩展信源熵到多维和连续变量
目前信源熵主要应用于离散随机变量，未来研究可以探索将其扩展到多维和连续变量的 情况，以更好地描述复杂数据。
信源熵的量子化研究
随着量子信息理论的不断发展，探索信源熵在量子领域的表现和性质，有望为信息理论 带来新的突破。
条件熵
条件熵是在给定某个条件随机变量下，另一个随机变量的熵。条件熵H(X∣Y)表示在已知Y的条件下，X的不确定 性。
熵的连续型度量
连续型熵
对于连续随机变量，其熵的度量方式 略有不同。连续型熵通常使用概率密 度函数来定义，并涉及到积分运算。
条件连续型熵
与离散型条件熵类似，连续型条件熵 表示在给定某个连续随机变量条件下 ，另一个连续随机变量的不确定性。
03
通过信源熵的分析，可以帮助决策者更好地理解和 评估决策的风险，从而做出更明智的决策。
信源熵与其他信息论
05
概念的关联
与互信息的关系
互信息
互信息是描述两个随机变量之间相互依赖程度的概念，它表示一个随机变量中包含的关 于另一个随机变量的信息量。在信息论中，互信息用于度量两个信源之间的相互依赖程
度。
熵的极限性质
熵函数的连续性
第三章4连续信源及信源熵
(1) 均匀分布的连续信源的熵
一维连续随机变量X在[a,b]区间内均匀分布 时的熵为 Hc(X)=log2(b-a)
若N维矢量X=(X1X2…XN)中各分量彼此统计独 立，且分别在[a1,b1][a2,b2] …[aN,bN]的区域内 均匀分布，即
1
N
p(x)
(N
x (bi ai ) i 1
若一维随机变量X的取值区间是[0,∞)，其概 率密度函数为
p(x)
1 m
e
x m
(x 0) m是X的均值
E[X ] m
xp(x)dx
0
0
x
1 m
e
x m
dx
m
指数分布连续信源的熵为
Hc ( X ) 0 p(x) log2 p(x)dx
0
p(x) log2
1 m
e
x m
dx
随机变量X的方差E[( X m)2 ] E[ X 2 ] m2 P2 m2 2
当均值m 0时，平均功率P 2
对平均功率和均值的限制就等于对方差的限制；
把平均功率受限的问题变成方差受限的问题来讨 论；
把平均功率受限当成是m=0情况下，方差受限的 特例。
定义高斯分布的连续信源的熵记为Hc[p(x),X] 定义任意分布的连续信源的熵记为Hc[q(x),X] 已知Hc[p(x),X]=(1/2)log2(2πeσσ) 任意分布的连续信源的熵为
Hc (XY ) p(xy) log2 p(xy)dxdy R2
两个连续变量的条件熵
Hc (Y / X ) p(xy) log2 p( y / x)dxdy R2
Hc (X / Y ) p(xy) log2 p(x / y)dxdy R2
离散和连续信源熵正负
离散和连续信源熵正负离散和连续信源熵正负一、信源熵的定义及概念信源熵是信息论中的基本概念，它是用来度量一个随机变量的不确定性或者信息量大小的。
在信息论中，随机变量表示一种不确定性的度量，信源则是产生这种不确定性的物理系统。
二、离散信源熵离散信源熵是指在一个有限符号集合中，每个符号出现的概率已知，且各符号出现概率之和为1时，该离散信源所产生的平均信息量。
1. 离散信源熵的计算公式设离散信源S={s1,s2,…,sn}，其每个符号si出现的概率为pi，则该离散信源所产生的平均信息量H(S)为：H(S)=-Σ(pi*log2(pi))其中log2表示以2为底数的对数。
2. 离散信源熵值特点(1) H(S)>=0：由于log2(pi)<=0，因此pi*log2(pi)<=0，从而Σ(pi*log2(pi))<=0。
因此H(S)<=0。
又因为pi>=0且Σpi=1，则必有至少一个pi=1且其他pi=0时取到等号。
即当所有符号都相等时取到最小值0。
(2) H(S)越大，该离散信源的不确定性越大，产生的信息量也就越多。
(3) H(S)的单位是比特(bit)，它表示每个符号所需的平均信息量。
三、连续信源熵连续信源熵是指在一个连续随机变量中，各取值概率密度函数已知时，该连续信源所产生的平均信息量。
1. 连续信源熵的计算公式设连续信源X的概率密度函数为f(x)，则该连续信源所产生的平均信息量H(X)为：H(X)=-∫f(x)*log2(f(x))dx其中∫表示积分符号。
2. 连续信源熵值特点(1) 连续信源熵与离散信源熵不同，它可以是负数。
(2) 连续信源熵越大，该连续信源的不确定性越大，产生的信息量也就越多。
(3) 由于f(x)*log2(f(x))<=0，因此H(X)>=0。
当概率密度函数f(x)=常数时取到最小值0。
但由于积分范围无限大，在实际应用中很难出现这种情况。
第三章 信道与信道容量 习题解答
第三章 信道与信道容量 习题解答
1.设信源
通过一干扰信道，接收符号为
信道传递矩阵为
（1） 信源 中符号 和 分别含有的自信息量。
（4）说明如果信噪比降低，则为保持信道容量不变，必须加大信道带宽。反之加大信道带宽，则可降低对信 噪比的要求。如果信道带宽降低，则为保持信道容量不变，必须加大信号功率信噪比。反之加大信号功率信 噪比，则可降低对信道带宽的要求。
12.在一个理想通信系统中，已知信道中功率信噪比为 10分贝，为了使功率节省一半又不损失信息量，有 几种办法？请计算并讨论各自的优缺点。
，
将各数据代入： 解得：
如果
则
将各数据代入： 解得：
14.在理想系统中，若信道带宽与消息带宽的比为 10，当接收机输入端功率信噪比分别为 0.1和 10时，试
比较输出端功率信噪比的改善程度，并说明
与
之间是否存在阀值效应。
解：已知
根据公式：
前者改善不明显，后者改善明显，故存在阀值效应。 15.设加性高斯白噪声信道中，信道带宽 3kHz，又设
解：设将电阻按阻值分类看成概率空间 X：
，
按功耗分类看成概率空间 Y：
已知：
，
通过计算
， ，
，
得
通过测量阻值获得的关于瓦数的平均信息量：
6.有一以“点”和“划”构成的老式电报系统，“点”的长度为 30毫秒，“划”的长度为 150毫秒，“点”和“划”出现的
4
概率分别为 0.8和 0.2，试求信息速率为多少？“点”、“划”出现的概率相等时，信息速率为多少？是否“点”、“划” 出现的概率相等时信息速率一定最高？是否和理论相矛盾？为什么？ 解：
连续信源熵
Ic (X ;Y ) 0 Ic ( X ;Y ) Ic (Y ; X ) Ic (X ; Z) Ic(X ;Y )
u du a a
Su
1 a
pX
u a
log
1 a
pX
u a
log
a
du
pU u log pU u log a du
Su
Hc U log a
Hc aX log a
2.5 连续信源
离散信源
信源的数学模型
– 随机变量、随机序列
信源的信息测度
– 简单离散信源：H(X) – 离散无记忆信源：H ∞(X) = HL(X)=H(X) – 离散有记忆信源：H∞(X) ≤ HL(X) ≤ H(X)
连续信源的数学模型
输出消息取值上连续的信源，如语音，电视信源等，对 应的数学工具为连续型随机变量或随机过程。
2
2
2 2
p(x) ln q(x)dx
p(
x)
1 2
ln
2
2
(x m)2
2 2
dx
1 ln 2 2 1 1 ln 2 e 2
2
22
p(x) ln q(x)dx q(x) ln q(x)dx
[数学]信源与信息熵
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[数学] 信源与信息熵1. 信源在信息论中，信源是指产生和发送信息的原始来源。
它可以是一个物理设备，如计算机、手机或者是一个概念、事件等。
无论信源是什么，它都可以看作是一个随机变量，可以取多个可能的取值。
举个例子，考虑一个硬币的抛掷过程。
在这个例子中，信源可以是硬币的结果，可以是正面或反面。
硬币抛掷过程是一个随机过程，因此信源可以看作是一个随机变量。
2. 信息熵信息熵是信息论中一个重要的概念，用于度量信源的不确定性或者信息的平均量。
它是由信源的概率分布决定的。
假设信源有n个可能的取值，记为$x_1, x_2, \\ldots, x_n$。
每个取值n n出现的概率为n(n n)，满足$\\sum_{i=1}^n p(x_i)= 1$。
那么，信源的信息熵n定义为$$ H = -\\sum_{i=1}^n p(x_i) \\log p(x_i) $$信息熵的单位通常是比特（bits）或者纳特（nats）。
信息熵可以理解为平均需要多少比特或者纳特来表示信源的一个样本。
当信源的概率分布均匀时，信息熵达到最大值。
相反，当信源的概率分布集中在某几个取值时，信息熵较低。
3. 信息压缩信息熵在信息压缩中起到了重要的作用。
信息压缩是将信息表示为更短的形式，以便更有效地存储和传输。
根据信息论的哈夫曼编码原理，我们可以通过将频繁出现的符号用较短的二进制码表示，而将不经常出现的符号用较长的二进制码表示，从而实现信息的压缩。
在信息压缩过程中，我们可以根据信源的概率分布来选择合适的编码方式，以最小化编码长度和解码的平均长度之和。
4. 信息熵的应用信息熵在各个领域都有着广泛的应用。
在通信领域，信息熵可以用来评估信道的容量。
信道容量是一个信道在单位时间内可以传输的最大信息量。
通过计算信道的信息熵，我们可以确定如何更好地利用信道的带宽和传输速率。
在数据压缩领域，信息熵可以用来评估压缩算法的效果。
一个好的压缩算法应该能够将原始数据的信息量尽可能地减少，从而更高效地存储和传输数据。
信源熵的名词解释
信源熵的名词解释信源熵（Source Entropy）是信息论中一个重要的概念，用于衡量信息源的不确定性和信息的平均编码长度。
在信息论中，信息可以被看作是从一个信源中获取的，而信源熵用来描述这个信源的不确定性大小。
信源熵的计算方法是根据信源可能产生的符号的概率分布来进行的。
具体来说，如果一个信源有n个可能取值（符号）S1，S2，...，Sn，并且每个符号出现的概率分别为P1，P2，...，Pn，那么信源的熵H(S)可以通过下面的公式计算得出：H(S) = -P1log(P1) - P2log(P2) - ... - Pnlog(Pn)其中，log是以2为底的对数，P1，P2，...，Pn是概率分布。
信源熵的含义是，对于一个不确定性较大的信源，需要更长的编码长度来表示每一个符号，所以熵值越大，说明信息的平均编码长度越长。
相反，当一个信源的不确定性较小，即各个符号出现的概率分布较平均时，信息的平均编码长度较短，熵值较小。
以一个简单的例子来说明信源熵的概念。
假设有一个只有两个符号的信源，分别记为S1和S2，它们出现的概率分别为P1和P2。
如果这两个符号的概率分布相等（即P1 = P2 = 0.5），那么信源的熵就是最大的，因为这两个符号的不确定性相同，需要同样长度的编码来表示它们。
而如果其中一个符号的概率接近于1，另一个符号的概率接近于0，那么信源的熵就是最小的，因为其中一个符号的信息是确定的，只需要很短的编码来表示它。
这个例子可以帮助我们理解信源熵与不确定性之间的关系。
除了信源熵，信息论中还有一个重要的概念是条件熵（Conditional Entropy）。
条件熵是在已知一定的背景条件下，信源的不确定性大小，即在给定前提条件下的平均编码长度。
条件熵可以通过信源和条件之间的联合概率分布来计算，其公式为：H(S|T) = -ΣΣP(s, t)log(P(s|t))其中，P(s, t)表示符号s和条件t联合发生的概率。
第三章连续信源的信息熵
where, R is the domain of x . 为什么说相对熵反映连续变量的客观存在的平均不定度？首 先一个随机变量，当它的概率分布一旦确定，则它的不定性就该 给定，而不能随划分精度的变化而变化。第二，由于信息量的概 念是不定度的解除量，如果在相同划分精度下，再讨论两者之差 时,H()将会消失。所以我们可看到仅从Hc(X)上就可真正反映出 信息的全部属性 (包括非负性) 。因此，我们只要相对熵的定义就 足够了。同时我们也能给出两个连续变量的互信息问题：
H c ( X ) H c ( X Y ) H c (Y ) H c (Y X ) H c ( X ) H c (Y ) H c ( XY )
第三章. 连续信源的信息熵 §3. 3 相对熵的性质
( The Properties of Differential Entropy)
H c ( X ) H ()
def b
信息散度 D( p//q ) (relative entropy)
称为相对熵 Differential entropy 称为绝对熵 absolute entropy
where : and
H c ( X ) p ( x ) log p ( x )dx
a
H ( ) lim(log ) 0
n
def
§3. 2 连续变量的相对熵
在取极限的过程中由于n→∞ 相当于 →0，此时这个离散变 量越来越逼近一个连续变量；而离散集合中的信息熵Hn(X)就分解 为两项，其中一项与划分精度无关，趋于一个常量——Hc(X)。 而另一项，随着 →0最终趋于一个无穷大的量。很显然这与取极 限之前的离散熵差别很大，那么这种极限形式能否表达出信源平 均不定度的概念吗？ 由于表达形式的不同，则它的物理意义也应有所不同。所以 我们不能以离散熵的概念来理解上述表达式，特别是当某些离散 熵的数学性质不在继续保持的情况下，如：非负性、对称性、扩 展性等。但值得庆幸，上式中将熵函数中最能反映信源的固有属 性的数学性质如可加性、极值性和上凸性仍旧依然保持着。因此 有可能上述表达式的某些部分仍能代表连续信源的某些物理属性。 （但我们要深入讨论离散向连续逼近时，物理属性的变化。）
信源熵
I ( y j ) I ( y j | xi ) I ( y j )
19
条件互信息量
条件互信息量： 在给定 zk 的条件下，xi 与 y j 之间的互信
I ( xi ; y j ) 0 后验概率 先验概率，X 与 Y 统计独立
I ( xi ; y j ) 0 后验概率 先验概率：由于信道受到干扰， 信宿收到 y j 后不但未使 xi 的不确定度 减少，反而增大了 xi 的不确定度 两个消息之间的互信息不大于其中任一消息的自信息 I ( xi ; y j ) I ( xi ) I ( x i | y j ) I ( x i )
符号从平均意义上表征信源总体特性的一个量对于特定的信源其熵只有一个1log?niiipxpx????1logniiipxpx????信息熵的物理含义信源输出前表征信源的平均不确定度信源输出后表征信源发出的每个消息所能提供的平均信息量是一个统计量反映了随机变量x的随机性22统计热力学中熵是表示分子混乱程度的一个物理量在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵增加的方向进行它是不可逆的平衡态相应于熵取最大值的状态即熵增加原理香农借用热力学中熵来描述信源的平均不确定度在信息论中有用的信息熵只会减少不会增加所以信息熵也被称为负热熵ijxyxy
2
信源的分类
信源输出以符号形式出现的具体消息，其分类如下： 按发送消息的时间和取值空间的分布 离散信源 单符号离散信源 连续信源 信源发出的 按发出符号之间的关系 消息是离散的、 无记忆信源 有限的或无限可 列的符号，且一 有记忆信源 个符号代表一条 按发送一条消息所需要的符号数 完整的消息 单个符号信源 符号序列信源
三种表达形式等效
log log p( x i y j ) p( x i ) p( y j ) p( y j | x i ) p( y j )
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② 随机过程的分类
可以分为两类：根据统计特性，连续随机 过程可分为平稳与非平稳随机过程两大类。
(3) 通信系统中的信号
一般认为，通信系统中的信号都是平稳的 随机过程。
(4) 平稳遍历的随机过程
随机过程{x(t)}中某一样本函数x(t)的时间平均
值定义：
T
x
(t)
lim
T
1 2T
x(t)dt
X
:
R p(x)
并满足 R p(x)dx 1
② 连续信源的熵
Pa (i 1) x a i
ai
p(x) dx p
a ( i 1)
xi
n
n
n
H (X ) p(xi ) log2 p(xi ) p(xi ) log2 p(xi ) p(xi ) log2
i1
4）这种定义可以与离散信源在形式上统一起 来；
5）在实际问题中常常讨论的是熵之间的差值 问题，如信息变差、平均互信息等。在讨 论熵差时，两个无限大量互相抵消。所以 熵差具有信息的特征；
(5) 连续信源的联合熵和条件熵
两个连续变量的联合熵
Hc (XY ) p(xy) log2 p(xy)dxdy R2
p( x)(log 2
e)
(xm)2 2 2
④连续信源熵的意义
1）连续信源熵并不是实际信源输出的绝对熵，是 相对熵
2）连续信源的绝对熵还有一项正的无限大量，虽 然log2(b-a)小于0，但两项相加还是正值，且一般 还是一个无限大量。因为连续信源的可能取值数 有无限多，若假定等概率，确知其输出值后所得 信息量也将为无限大；
3）Hc(X)不能代表信源的平均不确定度，也不能代 表连续信源输出的信息量
当m 0时， 2就是随机变量的平均功率
P x2 p(x)dx
由这样随机变量X 所代表的信源称为高斯分布的连续信源。
这个连续信源的熵为
Hc ( X ) p(x) log2 p(x)dx
p(x) log2
1
e dx
(
xm )2 2 2
2 2
p(x)( log2
2 2 )dx
（1） 连续信源定义
连续信源：输出消息在时间和取值上都连 续的信源。
例子：语音、电视等。 连续信源输出的消息是随机的，与随机过 程{x(t)}相对应。可用有限维概率密度函数 描述。
(2) 随机过程及其分类
① 随机过程 ② 随机过程的分类
① 随机过程
随机过程定义：随机过程{x(t)}可以看成由 一系列时间函数xi(t)所组成，其中 i=1,2,3,…，并称xi(t)为样本函数。
两个连续变量的条件熵
Hc (Y / X ) p(xy) log2 p( y / x)dxdy R2
Hc (X / Y ) p(xy) log2 p(x / y)dxdy R2
3.6.3 几种特殊连续信源的熵 (1) 均匀分布的连续信源的熵 (2) 高斯分布的连续信源的熵 (3) 指数分布的连续信源的熵
n
2
)
0
连续信源的熵
Hc (X ) R p(x) log2 p(x)dx
③举 例
若连续信源的统计特性为均匀分布的概率密度
函数
p(
x)
1 ba
0
a xb x b, x a
则
Hc ( X
)
－
b a
1 ba
log2
1 ba
dx
log2 (b
a)
当(b-a)<1时，Hc(X)<0，为负值，即连续熵 不具备非负性。
第二种方法：通过时间抽样把连续消息变 换成时间离散的函数，它是未经幅度量化 的抽样脉冲序列，可看成是量化单位Δx趋 近于零的情况来定义和计算连续信源熵。
(2) 连续信源的熵 ① 单变量连续信源数学模型 ② 连续信源的熵 ③ 举例 ④ 连续信源熵的意义
① 单变量连续信源数学模型 单变量连续信源数学模型
T
统计平均值：
E(xti )
xp(t)dx
遍历的随机过程：时间平均与统计平均相等，
即
x (t) E(xti )
3.6.2 连续信源的熵
(1) 计算连续信源熵的两种方法 (2) 连续信源的熵 (3) 连续信源的联合熵、条件熵
(1) 计算连续信源熵的两种方法
第一种方法：把连续消息经过时间抽样和 幅度量化变成离散消息，再用前面介绍的 计算离散信源的方法进行计算。即把连续 消息变成离散消息求信源熵
N
x (bi ai ) i 1
Hc(X ) Hc(X1X2 X N )
bN aN
b1 a1
p(x) log2
p( x)dx1
dxN
bN aN
b1
1
log dx a1
N
(bi ai )
1
2N
1
(bi ai )
i1
i1
dxN
N
log2 (bi ai ) i 1
N
log2 (bi ai ) i 1
i1
i1
当n , 0时，若极限存在，即得连续信源的熵为
n
n
lim H (X )
n 0
lim n 0
i1
p(xi ) log2
p(
xi
)
lim(log
n
2
0
)
i1
p(xi )
b
b
a
p(x) log2
p(
x)dx
lim(log
n
2
)
a
p(x)dx
0
b
a
p(x) log2
p(
x)dx
lim(log
(1) 均匀分布的连续信源的熵
一维连续随机变量X在[a,b]区间内均匀分布 时的熵为 Hc(X)=log2(b-a)
若N维矢量X=(X1X2…XN)中各分量彼此统计独 立，且分别在[a1,b1][a2,b2] …[aN,bN]的区域内 均匀分布，即
1
N
p(x)
(bi
i1
ai
)
0
N
x (bi ai ) i 1
3.8 连续信源及信源熵 (4)
3.6 连续信源及信源熵
3.6.1 一些基本概念 3.6.2 连续信源的熵 3.6.3 几种特殊连续信源的熵 3.6.4 连续熵的性质 3.6.5 最大连续熵定理
3.6.1 一些基本概念 (1) 连续信源定义 (2) 随机过程及其分类 (3) 通信系统中的信号 (4) 平稳遍历的随机过程
Hc(X1) Hc(X2) Hc(X N )
(2) 高斯分布的连续信源的熵
一维随机变量X的取值范围是整个实数轴R，概
率密பைடு நூலகம்函数呈正态分布，即
p(x) e 1
(
xm )2 2 2
2 2
m是X的均值
m E[X ] xp(x)dx
2是X的方差
2 E[( X m)2 ] (x m)2 p(x)dx