信息理论基础 周荫清 答案

(1) 此消息的自信息量是多少？
(2) 此消息中平均每符号携带的信息量是多少？
解：
(1)此消息总共有14个0、13个1、12个2、6个3，因此此消息发出的概率是：
此消息的信息量是：
(2)此消息中平均每符号携带的信息量是：
2.5 从大量统计资料知道，男性中红绿色盲的发病率为7%，女性发病率为0.5%，如果你问一位男士：“你是否是色盲？”他的回答可能是“是”，可能是“否”，问这两个回答中各含多少信息量，平均每个回答中含有多少信息量？如果问一位女士，则答案中含有的平均自信息量是多少？
Y
y1（身高>160cm）
y2（身高<160cm）
P(Y)
0.5
0.5
已知：在女大学生中有75%是身高160厘米以上的
即：p(y1/ x1)= 0.75
求：身高160厘米以上的某女孩是大学生的信息量
即：
2.3 一副充分洗乱了的牌（含52张牌），试问
(1) 任一特定排列所给出的信息量是多少？
(2) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同能得到多少信息量？
1/2
10
1/2
1/2
11
ε
1-ε
3.10 有一离散广播信道，其条件概率为 试计算其容量界限（已知 ）。
3.8 已知一个高斯信道，输入信噪比（比率）为3。频带为3kHz，求最大可能传输的消息率。若信噪比提高到15，理论上传送同样的信息率所需的频带为多少？
解：
3.9 有二址接入信道，输入X1, X2和输出Y的条件概率P(Y/X1X2)如下表（ε< 1/2），求容量界限。
X1X2Y
0
1
00
1-ε
ε
01
1/2
四进制脉冲的平均信息量H(X1)= log2n = log24 = 2 bit/symbol
八进制脉冲的平均信息量H(X2)= log2n = log28 = 3 bit/symbol
二进制脉冲的平均信息量H(X0)= log2n = log22 = 1 bit/symbol
所wk.baidu.com：
四进制、八进制脉冲所含信息量分别是二进制脉冲信息量的2倍和3倍。
解：
(1) 52张牌共有52！种排列方式，假设每种排列方式出现是等概率的则所给出的信息量是：
(2) 52张牌共有4种花色、13种点数，抽取13张点数不同的牌的概率如下：
2.4 设离散无记忆信源 ，其发出的信息为(202120130213001203210110321010021032011223210)，求
(3)I(X;Y), I(X;Z), I(Y;Z), I(X;Y/Z), I(Y;Z/X)和I(X;Z/Y)。
解：
(1)
Z = XY的概率分布如下：
(2)
(3)
2.16 有两个随机变量X和Y，其和为Z = X + Y（一般加法），若X和Y相互独立，求证：H(X) ≤ H(Z), H(Y) ≤ H(Z)。
(3) 信源X和信宿Y的信息熵；
(4) 信道疑义度H(X/Y)和噪声熵H(Y/X)；
(5) 接收到信息Y后获得的平均互信息量。
解：
1)
2)
3)
4)
5)
3.2 设二元对称信道的传递矩阵为
(1) 若P(0)= 3/4,P(1)= 1/4，求H(X), H(X/Y), H(Y/X)和I(X;Y)；
(2) 求该信道的信道容量及其达到信道容量时的输入概率分布；
(1) 忙闲的无条件熵；
(2) 天气状态和气温状态已知时忙闲的条件熵；
(3) 从天气状态和气温状态获得的关于忙闲的信息。
解：
(1)
根据忙闲的频率，得到忙闲的概率分布如下：
(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和Y，它们的联合概率为
YX
2.2 居住某地区的女孩子有25%是大学生，在女大学生中有75%是身高160厘米以上的，而女孩子中身高160厘米以上的占总数的一半。假如我们得知“身高160厘米以上的某女孩是大学生”的消息，问获得多少信息量？
解：
设随机变量X代表女孩子学历
X
x1（是大学生）
x2（不是大学生）
P(X)
0.25
0.75
设随机变量Y代表女孩子身高
(2) 试求Y = X + A (A > 0)的熵Hc(Y)；
(3) 试求Y = 2X的熵Hc(Y)。
解：
1)
2)
3)
3.1 设信源 通过一干扰信道，接收符号为Y = { y1, y2 }，信道转移矩阵为 ，求：
(1) 信源X中事件x1和事件x2分别包含的自信息量；
(2) 收到消息yj(j=1,2)后，获得的关于xi(i=1,2)的信息量；
5)
3.6 有一个二元对称信道，其信道矩阵为 。设该信源以1500二元符号/秒的速度传输输入符号。现有一消息序列共有14000个二元符号，并设P(0)=P(1)= 1/2，问从消息传输的角度来考虑，10秒钟内能否将这消息序列无失真的传递完？
解：
信道容量计算如下：
也就是说每输入一个信道符号，接收到的信息量是0.859比特。已知信源输入1500二元符号/秒，那么每秒钟接收到的信息量是：
x1=0
x2=1
y1=0
1/8
3/8
y2=1
3/8
1/8
并定义另一随机变量Z = XY（一般乘积），试计算：
(1)H(X),H(Y), H(Z), H(XZ), H(YZ)和H(XYZ)；
(2)H(X/Y), H(Y/X), H(X/Z), H(Z/X), H(Y/Z), H(Z/Y), H(X/YZ), H(Y/XZ)和H(Z/XY)；
(3) 两个点数的各种组合（无序）对的熵和平均信息量；
(4) 两个点数之和（即2, 3, … , 12构成的子集）的熵；
(5) 两个点数中至少有一个是1的自信息量。
解：
(1)
(2)
(3)
两个点数的排列如下：
11
12
13
14
15
16
21
22
23
24
25
26
31
32
33
34
35
36
41
42
43
44
45
46
解：
(1)
这个信源是平稳无记忆信源。因为有这些词语：“它在任意时间而且不论以前发生过什么符号……”
(2)
(3)
2.10 一阶马尔可夫信源的状态图如下图所示。信源X的符号集为{0, 1, 2}。
(1) 求平稳后信源的概率分布；
(2) 求信源的熵H∞。
解：
(1)
(2)
2.11黑白气象传真图的消息只有黑色和白色两种，即信源X={黑，白}。设黑色出现的概率为P(黑)= 0.3，白色出现的概率为P(白)= 0.7。
3.5若三个随机变量，有如下关系：Z = X + Y，其中X和Y相互独立，试证明：
(1)I(X;Z)=H(Z) - H(Y)；
(2)I(XY;Z)=H(Z)；
(3)I(X;YZ)=H(X)；
(4)I(Y;Z/X)=H(Y)；
(5)I(X;Y/Z)=H(X/Z) = H(Y/Z)。
解：
1)
2)
3)
4)
证明：
2.9 设有一个信源，它产生0，1序列的信息。它在任意时间而且不论以前发生过什么符号，均按P(0) = 0.4，P(1) = 0.6的概率发出符号。
(1) 试问这个信源是否是平稳的？
(2) 试计算H(X2),H(X3/X1X2)及H∞；
(3) 试计算H(X4)并写出X4信源中可能有的所有符号。
现在需要传送的符号序列有140000个二元符号，并设P(0)=P(1)= 1/2，可以计算出这个符号序列的信息量是
要求10秒钟传完，也就是说每秒钟传输的信息量是1400bit/s，超过了信道每秒钟传输的能力（1288 bit/s）。所以10秒内不能将消息序列无失真的传递完。
3.7 求下列各离散信道的容量（其条件概率P(Y/X)如下：）
2.1 试问四进制、八进制脉冲所含信息量是二进制脉冲的多少倍？
解：
四进制脉冲可以表示4个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3}
八进制脉冲可以表示8个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
二进制脉冲可以表示2个不同的消息，例如：{0, 1}
假设每个消息的发出都是等概率的，则：
(1) 假设图上黑白消息出现前后没有关联，求熵H(X)；
(2) 假设消息前后有关联，其依赖关系为P(白/白)= 0.9，P(黑/白)= 0.1，P(白/黑)= 0.2，P(黑/黑)= 0.8，求此一阶马尔可夫信源的熵H2(X);
(3) 分别求上述两种信源的剩余度，比较H(X)和H2(X)的大小，并说明其物理含义。
(1) Z信道(2) 可抹信道(3) 非对称信道(4) 准对称信道
解：
1)Z信道
这个信道是个一般信道，利用一般信道的计算方法：
a.由公式 ，求βj
b.由公式 ，求C
c.由公式 ，求p(yj)
d.由公式 ，求p(xi)
由方程组：
解得
因为s是条件转移概率，所以0 ≤s≤ 1，从而有p(x1)，p(x2)≥0，保证了C的存在。
解：
男士：
女士：
2.6 设信源 ，求这个信源的熵，并解释为什么H(X)> log6不满足信源熵的极值性。
解：
不满足极值性的原因是 。
2.7 证明：H(X3/X1X2) ≤ H(X3/X1)，并说明当X1, X2, X3是马氏链时等式成立。
证明：
2.8证明：H(X1X2 。。。Xn) ≤ H(X1) + H(X2) + … + H(Xn)。
解：
1)
2)
3)
2.20 设 是平稳离散有记忆信源，试证明：
。
证明：
2.21 设 是N维高斯分布的连续信源，且X1, X2, … , XN的方差分别是 ，它们之间的相关系数 。试证明：N维高斯分布的连续信源熵
证明：
相关系数 ，说明 是相互独立的。
2.22 设有一连续随机变量，其概率密度函数
(1) 试求信源X的熵Hc(X)；
2)可抹信道
可抹信道是一个准对称信道，把信道矩阵分解成两个子矩阵如下：
3)非对称信道
这个信道是个一般信道，利用一般信道的计算方法
a.由公式 ，求βj
b.由公式 ，求C
c.由公式 ，求p(yj)
d.由公式 ，求p(xi)
由方程组：
解得
p(x1)，p(x2)≥0，保证了C的存在。
(4)准对称信道
把信道矩阵分解成三个子矩阵如下：
(1)I(X;YZ) = I(X;Y) + I(X;Z/Y) = I(X;Z) + I(X;Y/Z)；
证明：
(2)I(X;Y/Z) = I(Y;X/Z) = H(X/Z) – H(X/YZ)；
证明：
(3)I(X;Y/Z) ≥0，当且仅当(X, Y, Z)是马氏链时等式成立。
证明：
当 时等式成立
所以等式成立的条件是X, Y, Z是马氏链
解：
1)
2)
3.3 设有一批电阻，按阻值分70%是2KΩ，30%是5 KΩ；按瓦分64%是0.125W，其余是0.25W。现已知2 KΩ阻值的电阻中80%是0.125W，问通过测量阻值可以得到的关于瓦数的平均信息量是多少？
解：
对本题建立数学模型如下：
以下是求解过程：
3.4 若X, Y, Z是三个随机变量，试证明
证明：
同理可得 。
2.17 给定声音样值X的概率密度为拉普拉斯分布 ，求Hc(X)，并证明它小于同样方差的正态变量的连续熵。
解：
2.18 连续随机变量X和Y的联合概率密度为： ，求H(X),H(Y), H(XYZ)和I(X;Y)。
（提示： ）
解：
2.19 每帧电视图像可以认为是由3105个像素组成的，所有像素均是独立变化，且每像素又取128个不同的亮度电平，并设亮度电平是等概出现，问每帧图像含有多少信息量？若有一个广播员，在约10000个汉字中选出1000个汉字来口述此电视图像，试问广播员描述此图像所广播的信息量是多少（假设汉字字汇是等概率分布，并彼此无依赖）？若要恰当的描述此图像，广播员在口述中至少需要多少汉字？
解：
(1)
(2)
(3)
H(X) > H2(X)
表示的物理含义是：无记忆信源的不确定度大与有记忆信源的不确定度，有记忆信源的结构化信息较多，能够进行较大程度的压缩。
2.12 同时掷出两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都为1/6，求：
(1) “3和5同时出现”这事件的自信息；
(2) “两个1同时出现”这事件的自信息；
(2) 有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)中序列的熵。
解：
(1)
(2)
(3)
2.14 对某城市进行交通忙闲的调查，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的相对频度如下：
若把这些频度看作概率测度，求：
51
52
53
54
55
56
61
62
63
64
65
66
共有21种组合：
其中11，22，33，44，55，66的概率是
其他15个组合的概率是
(4)
参考上面的两个点数的排列，可以得出两个点数求和的概率分布如下：
(5)
2.13 某一无记忆信源的符号集为{0, 1}，已知P(0)= 1/4，P(1)= 3/4。
(1) 求符号的平均熵；