信息论习题解答
信息论第3章课后习题答案
信息论第3章课后习题答案信息论是一门研究信息传输、存储和处理的学科。
它的核心理论是香农信息论，由克劳德·香农于1948年提出。
信息论的应用范围广泛，涵盖了通信、数据压缩、密码学等领域。
在信息论的学习过程中，课后习题是巩固知识、检验理解的重要环节。
本文将对信息论第3章的课后习题进行解答，帮助读者更好地理解和掌握信息论的基本概念和方法。
1. 证明：对于任意两个随机变量X和Y，有H(X,Y)≤H(X)+H(Y)。
首先，根据联合熵的定义，有H(X,Y)=-∑p(x,y)log2p(x,y)。
而熵的定义为H(X)=-∑p(x)log2p(x)和H(Y)=-∑p(y)log2p(y)。
我们可以将联合熵表示为H(X,Y)=-∑p(x,y)log2(p(x)p(y))。
根据对数的性质，log2(p(x)p(y))=log2p(x)+log2p(y)。
将其代入联合熵的表达式中，得到H(X,Y)=-∑p(x,y)(log2p(x)+log2p(y))。
再根据概率的乘法规则，p(x,y)=p(x)p(y)。
将其代入上式中，得到H(X,Y)=-∑p(x,y)(log2p(x)+log2p(y))=-∑p(x,y)log2p(x)-∑p(x,y)log2p(y)。
根据熵的定义，可以将上式分解为H(X,Y)=H(X)+H(Y)。
因此，对于任意两个随机变量X和Y，有H(X,Y)≤H(X)+H(Y)。
2. 证明：对于一个随机变量X，有H(X)≥0。
根据熵的定义，可以得到H(X)=-∑p(x)log2p(x)。
由于概率p(x)是非负的，而log2p(x)的取值范围是负无穷到0之间，所以-p(x)log2p(x)的取值范围是非负的。
因此，对于任意一个随机变量X，H(X)≥0。
3. 证明：对于一个随机变量X，当且仅当X是一个确定性变量时，H(X)=0。
当X是一个确定性变量时，即X只能取一个确定的值，概率分布为p(x)=1。
信息论课后习题答案
第六章 有噪信道编码6.1 R 为信息传输率，根据香农第二定理，当码长n->无穷大时，满足什么关系式，可使错误概率Pe->0。
答：Pe<exp{-nE(R)}->0，其中E(R)为可靠性函数，且在9<R<C 的范围为正。
信道容量C 是保证无差错传输时，信息传输率R 的权限值。
6.2 写出费诺不等式，其中哪一项表示是否判对的疑义度，log(k-1)又表示什么？答：H(X|Y)<=H2(Pe)+Pelog(k-1) ，H2(pe)是否判对的疑义度。
表示如果判决出错，错在k-1个符号中的一个，疑义度不会超过log(k-1)。
6.3 根据香农定理说明，（信息容量）是保证无差错传输时信息传输率R 的上限值，（平均错误概率）是信源可压缩信息的最低极限。
6.4 最大后验概率译码准则就是最小错误译码准则，对吗？错误。
()∑≠-==≠=k i k i k k e y x y xy x x y p )|(1)|()|(φφφ 这个公式可知最大后验概率与最小错误译码准则所得的最终结果是相等的。
但并非概念定义一致。
6.5 在信源等该分布时，则极大似然函数译码准则就是最小错误译码准则，对吗？ Proof: if ())|(|k k x y p x y p > m=1,2,……,MThen 信道等概率输入时，有),()(m k x q x q = 代入上式得)()|()()|(m m k k x q x y p x q x y p >So,it comes to )()(y x p y x p m k >所以说明全概率最大，对应最大联合概率译码准则。
1/2 1/6 1/36.6 离散无记忆信道DMC ，转移概率矩阵为 P= 1/3 1/2 1/61/6 1/3 1/2(1 )q(x1)=1/2 q(x2)=1/4 q(x3)=1/4. 求最佳判决译码及错误概率。
（2）若信源等概分布，求最佳判决译码及错误概率。
信息论基础第二版习题答案
信息论基础第二版习题答案信息论是一门研究信息传输和处理的学科，它的基础理论是信息论。
信息论的基本概念和原理被广泛应用于通信、数据压缩、密码学等领域。
而《信息论基础》是信息论领域的经典教材之一，它的第二版是对第一版的修订和扩充。
本文将为读者提供《信息论基础第二版》中部分习题的答案，帮助读者更好地理解信息论的基本概念和原理。
第一章：信息论基础1.1 信息的定义和度量习题1：假设有一个事件发生的概率为p，其信息量定义为I(p) = -log(p)。
求当p=0.5时，事件的信息量。
答案：将p=0.5代入公式，得到I(0.5) = -log(0.5) = 1。
习题2：假设有两个互斥事件A和B，其概率分别为p和1-p，求事件A和B 同时发生的信息量。
答案：事件A和B同时发生的概率为p(1-p)，根据信息量定义，其信息量为I(p(1-p)) = -log(p(1-p))。
1.2 信息熵和条件熵习题1：假设有一个二进制信源，产生0和1的概率分别为p和1-p，求该信源的信息熵。
答案：根据信息熵的定义，信源的信息熵为H = -plog(p) - (1-p)log(1-p)。
习题2：假设有两个独立的二进制信源A和B，产生0和1的概率分别为p和1-p，求两个信源同时发生时的联合熵。
答案：由于A和B是独立的，所以联合熵等于两个信源的信息熵之和，即H(A,B) = H(A) + H(B) = -plog(p) - (1-p)log(1-p) - plog(p) - (1-p)log(1-p)。
第二章：信道容量2.1 信道的基本概念习题1：假设有一个二进制对称信道，其错误概率为p，求该信道的信道容量。
答案：对于二进制对称信道，其信道容量为C = 1 - H(p)，其中H(p)为错误概率为p时的信道容量。
习题2：假设有一个高斯信道，信道的信噪比为S/N，求该信道的信道容量。
答案：对于高斯信道，其信道容量为C = 0.5log(1 + S/N)。
信息论答案完整版
/8
⎥ ⎦
，其发出的消息为(202
120
130
213
001
203 210 110 321 010 021 032 011 223 210)，求：
(1) 此消息的自信息是多少？
(2) 在此消息中平均每个符号携带的信息量是多少?
解：（1）因为离散信源是无记忆的，所以它发出的消息序列中各个符号是无依赖的，统计独立的。因
在研究香农信源编码定理的同时，另外一部分科学家从事寻找最佳编码（纠错码）的研究工作，并 形成一门独立的分支——纠错码理论。
1959 年香农发表了“保真度准则下的离散信源编码定理”，首先提出了率失真函数及率失真信源 编码定理。从此，发展成为信息率失真编码理论。
香农 1961 年的论文“双路通信信道”开拓了网络信息论的研究。 现在，信息理论不仅在通信、计算机以及自动控制等电子学领域中得到直接的应用，而且还广泛地 渗透到生物学、医学、生理学、语言学、社会学、和经济学等领域。
I (a4
=
3)
=
− log
P(a4 )
=
− log
1 8
=
log2
8=3(比特)
此消息中共有 14 个符号“0”，13 个符号“1”，12 个符号“2”和 6 个符号“3”，则此消息的自
信息是
I = 14I (a1 = 0) +13I (a2 = 1) +12I (a3 = 2) + 6I (a4 = 3) ≈ 14×1.415 +13× 2 +12× 2 + 6× 3 ≈ 87.71(比特)
此，此消息的自信息就等于各个符号的自信息之和。则可得：
I
(a1
=
信息论习题解答
第二章 信息量和熵2.2 八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步，每秒1000个码字，求它的信息速率。
解：同步信息均相同，不含信息，因此每个码字的信息量为 2⨯8log =2⨯3=6 bit 因此，信息速率为 6⨯1000=6000 bit/s2.3 掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为：(a) 7; (b) 12。
问各得到多少信息量。
解：(1) 可能的组合为 {1，6},{2，5},{3，4},{4，3},{5，2},{6，1})(a p =366=61 得到的信息量 =)(1loga p =6log =2.585 bit (2) 可能的唯一，为 {6，6} )(b p =361 得到的信息量=)(1logb p =36log =5.17 bit2.4 经过充分洗牌后的一副扑克（52张），问：(a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？(b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量？解：(a) )(a p =!521 信息量=)(1loga p =!52log =225.58 bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C =13.208 bit2.9 随机掷3颗骰子，X 表示第一颗骰子的结果，Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和，Z表示3颗骰子的点数之和，试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。
解：令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ，1x ，2x ，3x 相互独立，则1x X =，21x x Y +=，321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6=2.585 bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H =2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6 =3.2744 bit)|(Y X H =)(X H -);(Y X I =)(X H -[)(Y H -)|(X Y H ]而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H = 2)(X H -)(Y H =1.8955 bit或)|(Y X H =)(XY H -)(Y H =)(X H +)|(X Y H -)(Y H而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H =2)(X H -)(Y H =1.8955 bit),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H =2.585 bit)|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =1.8955+2.585=4.4805 bit2.10 设一个系统传送10个数字，0，1，…，9。
信息论复习题
• 1.什么是平均自信息量与平均互信息，比较一下这两个概念的异同？• 答：平均自信息为• 表示信源的平均不确定度，也表示平均每个信源消息所提供的信息量。
• 平均互信息•表示从Y 获得的关于每个X 的平均信息量，也表示发X 前后Y 的平均不确定性减少的量，还表示通信前后整个系统不确定性减少的量。
2.简述最大离散熵定理。
对于一个有m 个符号的离散信源，其最大熵是多少？答：最大离散熵定理为：离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。
• 最大熵值为3.解释信息传输率、信道容量、最佳输入分布的概念，说明平均互信息与信源的概率分布、信道的传递概率间分别是什么关系？答：信息传输率R 指信道中平均每个符号所能传送的信息量。
信道容量是一个信道所能达到的最大信息传输率。
信息传输率达到信道容量时所对应的输入概率分布称为最佳输入概率分布。
4.解释无失真变长信源编码定理。
答：只要 ，当N 足够长时，一定存在一种无失真编码。
5.解释有噪信道编码定理。
• 答：当R ＜C 时，只要码长足够长，一定能找到一种编码方法和译码规则，使译码错误概率无穷小。
6.离散平稳信源• 答：若信源输出的消息是取值离散的随机序列，随机序列的任意有限维的概率分布不随时间平移而改变，则称为离散平稳信源。
7.即时码答：如果在译码过程中只要接收到每个码字的最后一个符号就可立即将该码字译出，这种码称为即时码。
8.信道容量答：信息能够可靠传输的最大信息传输速率。
9.信源信道编码定理• 答：设有一离散无记忆平稳信道的每秒容量为C ，一个离散信源每秒的熵为H ，那么，如果H < C ，总存在一种编码系统，使得信源的输出以任意小的错误概率通过信道传输；反之，如果H > C 时，对任何编码编码系统，译码差错率>010.信道疑义度• 答：设信道的输入与输出分别为X 、Y ，定义条件熵H(X/Y)为信道疑义度。
它有如下含义：• 信道疑义度表示接收到Y 条件下X 的平均不确定性；根据I(X;Y)=H(X)-H(X/Y)，信道疑义度又表示X 经信道传输后信息量的损失； 接收的不确定性由信道噪声引起，在无噪情况下，H(X/Y)=0。
信息论课后题答案
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 x 1（是大学生） x 2（不是大学）P(X) 0.250.75设随机变量Y 代表女孩子身高Y y 1（身高>160cm ） y 2（身高<160cm ） P(Y) 0.50.5已知：在女大学生中有75%是身高160厘米以上的 即：bit x y p 75.0)/(11=求：身高160厘米以上的某女孩是大学生的信息量即：b i ty p x y p x p y x p y x I 415.15.075.025.0log )()/()(log )/(log )/(11111111=⨯-=-=-= 2.4 设离散无记忆信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=====⎥⎦⎤⎢⎣⎡8/14/1324/18/310)(4321x x x x X P X ，其发出的信息为( 02120130213001203210110321010021032011223210)，求(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：62514814183⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=p 此消息的信息量是：bit p I 811.87log =-=(2) 此消息中平均每符号携带的信息量是：b i t n I 951.145/811.87/==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(X 2), H(X 3/X 1X 2)及H ∞；(3) 试计算H(X 4)并写出X 4信源中可能有的所有符号。
第四章 信息论基础 习题及解答
第四章 习题解答4-1、某一信源以概率1/2、1/4、1/8、1/16、1/32和1/32产生6种不同的符号1x 、2x 、3x 、4x 、5x 和6x ，每个符号出现是独立的，符号速率为1000（符号）/秒。
（1）请计算每个符号所含的信息量；（2）求信源的熵；（3）求单位时间内输出的平均信息量。
解：（1）按定义，各符号所含的信息量分别为()()()12121log log 12I x p x bit =-=-= ()()()22221log log 24I x p x bit =-=-= ()()()32321log log 38I x p x bit =-=-= ()()()42421log log 416I x p x bit =-=-= ()()()52521log log 532I x p x bit =-=-= ()()()62621log log 532I x p x bit =-=-=（2）信源的熵()()()()521222222log 111111111111log log log log log log 22448816163232323211345516168555025228163232323216i i i H X p x p x ==-=------++++=+++++===∑比特符号（3）单位时间内输出的平均信息量()()2510001562.516S I H X R ==⨯=比特4-2 一个离散信号源每毫秒发出4种符号中的一个，各相互独立符号出现的概率分别为0.4、0.3、0.2和0.1，求该信号源的平均信息量与信息速率。
解：信号源的平均信息量，即熵为：()()()()5212222log 0.4log 0.40.4log 0.40.4log 0.40.4log 0.41.864i i i H X p x p x ==-=----=∑比特 因为符号速率R S ＝1/10－3＝103，信息速率R b()()31.86410b S R H X R ==⨯比特秒4-3 设有4个消息符号，其出现的概率分别是1/8、1/8、1/4和1/2，各消息符号的出现是相对独立的，求该符号集的平均信息量。
信息论习题集+答案(完版整)
信息论习题集一、名词解释（每词2分）（25道）1、“本体论”的信息（P3）2、“认识论”信息（P3）3、离散信源（11）4、自信息量（12）5、离散平稳无记忆信源（49）6、马尔可夫信源（58）7、信源冗余度 （66）8、连续信源 （68）9、信道容量 （95）10、强对称信道 （99） 11、对称信道 （101-102）12、多符号离散信道（109）13、连续信道 （124） 14、平均失真度 （136） 15、实验信道 （138） 16、率失真函数 （139） 17、信息价值率 （163） 18、游程序列 （181） 19、游程变换 （181） 20、L-D 编码（184）、 21、冗余变换 （184） 22、BSC 信道 （189） 23、码的最小距离 （193）24、线性分组码 （195） 25、循环码 （213） 二、填空（每空1分）（100道）1、 在认识论层次上研究信息的时候，必须同时考虑到形式、含义和效用 三个方面的因素。
2、 1948年，美国数学家 香农 发表了题为“通信的数学理论”的长篇论文，从而创立了信息论。
3、 按照信息的性质，可以把信息分成语法信息、语义信息和语用信息 。
4、 按照信息的地位，可以把信息分成 客观信息和主观信息 。
5、 人们研究信息论的目的是为了高效、可靠、安全 地交换和利用各种各样的信息。
6、 信息的可度量性 是建立信息论的基础。
7、 统计度量 是信息度量最常用的方法。
8、 熵是香农信息论最基本最重要的概念。
9、 事物的不确定度是用时间统计发生 概率的对数 来描述的。
10、单符号离散信源一般用随机变量描述，而多符号离散信源一般用 随机矢量 描述。
11、一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量称为自信息量，定义为 其发生概率对数的负值。
12、自信息量的单位一般有 比特、奈特和哈特 。
13、必然事件的自信息是 0 。
14、不可能事件的自信息量是 ∞ 。
信息论与编码习题参考答案(全)
信息论与编码习题参考答案 第一章 单符号离散信源1.1同时掷一对均匀的子，试求：(1)“2和6同时出现”这一事件的自信息量； (2)“两个5同时出现”这一事件的自信息量； (3)两个点数的各种组合的熵； (4)两个点数之和的熵；(5)“两个点数中至少有一个是1”的自信息量。
解：bitP a I N n P bit P a I N n P c c N 17.536log log )(361)2(17.418log log )(362)1(36662221111616==-=∴====-=∴===⨯==样本空间：(3)信源空间：bit x H 32.436log 3662log 3615)(=⨯⨯+⨯⨯=∴ bitx H 71.3636log 366536log 3610 436log 368336log 366236log 36436log 362)(=⨯⨯+⨯+⨯+⨯⨯=∴＋＋ (5) bit P a I N n P 17.11136log log )(3611333==-=∴==1.2如有6行、8列的棋型方格，若有两个质点A 和B ，分别以等概落入任一方格，且它们的坐标分别为（Xa ，Ya ）, （Xb ，Yb ）,但A ，B 不能同时落入同一方格。
（1） 若仅有质点A ，求A 落入任一方格的平均信息量； （2） 若已知A 已落入，求B 落入的平均信息量； （3） 若A ，B 是可辨认的，求A ，B 落入的平均信息量。
解：bita P a P a a P a I a P A i 58.548log )(log )()(H 48log )(log )(481)(:)1(481i i i i i ==-=∴=-=∴=∑=落入任一格的概率Θbitb P b P b b P b I b P A i 55.547log )(log )()(H 47log )(log )(471)(:B ,)2(481i i i i i ==-=∴=-=∴=∑=落入任一格的概率是落入任一格的情况下在已知ΘbitAB P AB P AB H AB P AB I AB P AB i i i i i i i 14.11)4748log()(log )()()(log )(471481)()3(47481=⨯=-=-=∴⨯=∑⨯=是同时落入某两格的概率1.3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：“你是否是红绿色盲？”他的回答可能是：“是”，也可能“不是”。
信息论与编码第二版答案 (3)
信息论与编码第二版答案第一章：信息论基础1.问题：信息论的基本概念是什么？答案：信息论是一种数学理论，研究的是信息的表示、传输和处理。
它的基本概念包括：信息、信息的熵和信息的编码。
2.问题：什么是信息熵？答案：信息熵是信息的度量单位，表示信息的不确定度。
它的计算公式为H(X) = -ΣP(x) * log2(P(x))，其中P(x)表示事件x发生的概率。
3.问题：信息熵有什么特性？答案：信息熵具有以下特性：•信息熵的值越大，表示信息的不确定度越高；•信息熵的值越小，表示信息的不确定度越低；•信息熵的最小值为0，表示信息是确定的。
4.问题：信息熵与概率分布有什么关系？答案：信息熵与概率分布之间存在着直接的关系。
当概率分布均匀时，信息熵达到最大值；而当概率分布不均匀时，信息熵会减小。
第二章：数据压缩1.问题：数据压缩的目的是什么？答案：数据压缩的目的是通过消除冗余和重复信息，使数据占用更少的存储空间或传输更快。
2.问题：数据压缩的两种基本方法是什么？答案：数据压缩可以通过无损压缩和有损压缩两种方法来实现。
无损压缩是指压缩后的数据可以完全还原为原始数据；而有损压缩则是指压缩后的数据不完全还原为原始数据。
3.问题：信息压缩的度量单位是什么？答案：信息压缩的度量单位是比特（bit），表示信息的数量。
4.问题：哪些方法可以用于数据压缩？答案：数据压缩可以通过以下方法来实现：•无结构压缩方法：如霍夫曼编码、算术编码等；•有结构压缩方法：如词典编码、RLE编码等；•字典方法：如LZW、LZ77等。
第三章：信道容量1.问题：什么是信道容量？答案：信道容量是指在给定信噪比的条件下，信道传输的最大数据速率。
2.问题：信道容量的计算公式是什么？答案：信道容量的计算公式为C = W * log2(1 + S/N)，其中C表示信道容量，W表示信道带宽，S表示信号的平均功率，N表示噪声的平均功率。
3.问题：信道容量与信噪比有什么关系？答案：信道容量与信噪比成正比，信噪比越高，信道容量越大；反之，信噪比越低，信道容量越小。
信息论第三版课后答案
信息论第三版课后答案【篇一：西电邓家先版信息论与编码第3章课后习题解答】6x11/6y13/41/4x2图3.1 二元信道y2?x??x1x2???=?0.60.4?通过一干扰信道，接收符号y=?y1y2?,信道传递概率如p(x)????图3.33所示。
求：（1）信源x中事件x1,和x2分别含有的自信息。
（2）收到消息yj(j=1,2)后，获得的关于xi(i=1,2)的信息量。
（3）信源x和信源y的信息熵。
（4）信道疑义度h（x|y）和噪声熵h（y|x）。
（5）接收到消息y后获得的平均互信息。
解：（1）由定义得：i（x1）= －log0.6=0.74biti（x2）= －log0.4=1.32biti（xi；xj）= i（xi）－i（xi|yj）=log[p（xi|yj）/p（xi）]= log[p（yj|xi）/p（yj）]则 i（x1；y1）= log[p（y1|x1）/p（y1）]=log5/6/0.8=0.059bit i （x1；y2）= log[p（y2|x2）/p（y2）]=log1/6/0.2=-0.263biti（x2；y1）= log[p（y1|x2）/p（y1）]=log3/4/0.8=-0.093bit i（x2；y2）= log[p（y2|x2）/p（y2）]=log1/4/0.2=0.322bit（3）由定义显然 h（x）=0.97095bit/符号h（y）=0.72193bit/符号（4）h（y|x）=?22p（xy）log[1/p（y|x）]=??i?1j?1p（xi）p（yj|xi）log[1/p（yj|xi）]h（x|y）= h（x）+h（y|x）－h（y）=0.9635bit/符号(5) i（x；y）= h（x）－h（x|y）=0.00745 bit/符号3.2设8个等概率分布的消息通过传递概率为p的bsc进行传送。
八个消息相应编成下述码字：m1=0000, m2=0101, m3=0110, m4=0011, m5=1001, m6=1010, m7=1100, m8=1111, 试问 (1) 接受到第一个数字0与m之间的互信息。
信息论——习题解答
(2)
1 3 p ( xi ) 4 4
m
100 m
3
100 m 100
4
3
100 m 100
I ( xi ) log p ( x i ) log
4
41.5 1.585 m bit
(3)
H (X
100
) 100 H ( X ) 100 0 .811 81 .1 bit / symbol
i 2
x 忙 x 2闲 1 63 40 P( X ) 103 103 63 40 40 63 p ( xi ) log p ( x i ) log log 0.964 bit / symbol 103 103 103 103 X
2
P
(2) H p ( ei ) H ( X / ei )
i
3
1 3
H ( p, p)
1 3
H ( p, p)
1 3
H ( p, p)
H ( p, p)
p log p p log p
bit / symbol
2.18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) 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
信息论第6章课后习题答案
信息论第6章课后习题答案信息论是一门研究信息传输和处理的学科，它以数学为基础，探讨了信息的度量、编码和传输等问题。
本文将对信息论第6章的课后习题进行解答，以帮助读者更好地理解和应用信息论的知识。
1. 习题6.1：证明熵函数H(X)是凸函数。
解答：首先，我们知道熵函数H(X)可以表示为H(X) = -Σp(x)logp(x)，其中p(x)为随机变量X的概率分布。
要证明H(X)是凸函数，需要证明对于任意的两个概率分布p1(x)和p2(x)，以及0≤λ≤1，有H(λp1(x) + (1-λ)p2(x)) ≤ λH(p1(x)) + (1-λ)H(p2(x))。
根据Jensen不等式，对于凸函数f(x)，有f(λx + (1-λ)y) ≤ λf(x) + (1-λ)f(y)。
将凸函数f(x)替换为H(X)，则有H(λp1(x) + (1-λ)p2(x)) ≤ λH(p1(x)) + (1-λ)H(p2(x))。
因此，熵函数H(X)是凸函数。
2. 习题6.2：证明条件熵H(Y|X) ≥ 0。
解答：条件熵H(Y|X)可以表示为H(Y|X) = -ΣΣp(x,y)logp(y|x)，其中p(x,y)为随机变量X和Y的联合概率分布。
要证明条件熵H(Y|X) ≥ 0，需要证明对于任意的联合概率分布p(x,y)，有H(Y|X) = -ΣΣp(x,y)logp(y|x) ≥ 0。
根据信息论的定义，熵函数H(Y) ≥ 0，即对于任意的随机变量Y，其熵函数都大于等于0。
而条件熵H(Y|X)可以看作是在已知随机变量X的条件下，随机变量Y的不确定性。
根据信息论的定义，条件熵H(Y|X)应该不小于0，即H(Y|X)≥ 0。
3. 习题6.3：证明互信息I(X;Y) = H(X) - H(X|Y) = H(Y) - H(Y|X)。
解答：互信息I(X;Y)可以表示为I(X;Y) = ΣΣp(x,y)log(p(x,y)/(p(x)p(y)))，其中p(x,y)为随机变量X和Y的联合概率分布，p(x)和p(y)分别为随机变量X和Y的边缘概率分布。
信息论课后习题解答
问男，回答“否”所获得的信息量为：
男，平均回答中含有的信息量为：
同样，女为红绿色盲的概率空间为 问女，回答“是”所获昨的信息量为： 问女，回答“否”所获昨的信息量为： 女，平均回答中含有的信息量为
【2.12】 （1）为了使电视图像获得良好的清晰度和规定的适 当的对比度，需要用 5×105个像素和10个不同亮度电平，求传 递此图像所需的信息率（比特/秒）。并设每秒要传送 30帧图 像，所有像素是独立变化的，且所有亮度电平等概率出现。 （2）设某彩电系统，除了满足对于黑白电视系统的上述要求外， 还必须有30个不同的色彩度，试证明传输这彩色系统的信息率 要比黑白系统的信息率约大2.5倍。 解： （1）每个像素的电平取自10个不同的电平，形成的概率 空间为：
解： 每个像素的电平亮度形成了一个概率空间，如下：
平均每个像素携带的信息量为：
每帧图像由3×105个像素组成，且像素间是独立的，因此每帧图
像含有的信息量为：
平均每个汉字携带的信息量为 择1000字来描述，携带的信息量为
bit/sym; 选
需要汉字个数为：
【2.18】设有一信源，它在开始时以P(a)=0.6， P(b)=0.3, P(c)=0.1的概率发出X1。如果X1为a时，则 X2为 a、b、c 的概 率为1/3；如果X1为b时，则X2为 a、b、c 的概率为1/3；如果X1 为c时，则X2为a、b的概率为1/2，为c的概率为0。而且后面发 出Xi的概率只与Xi-1有关，又 。试用马尔克夫信源的图示法画出状态 转移图，并计算此信源的熵H∞。
解： 信源为一阶马尔克夫信源，其状态转换图如下所示。
根据上述状态转换图，设状态分别为
P(a)、P(b) 和P(c) ，
信息论基础 课后习题答案
信息论基础课后习题答案问题1问题：信息论的基本目标是什么？答案：信息论的基本目标是研究信息的传递、存储和处理的基本原理和方法。
主要关注如何量化信息的量和质，并通过定义信息熵、条件熵、互信息等概念来描述信息的特性和性质。
问题2问题：列举一些常见的信息论应用领域。
答案：一些常见的信息论应用领域包括：•通信领域：信息论为通信系统的性能分析和设计提供了基础方法，例如信道编码和调制调制等。
•数据压缩领域：信息论为数据压缩算法的研究和实现提供了理论依据，例如无损压缩和有损压缩等。
•隐私保护领域：信息论用于度量隐私保护方案的安全性和隐私泄露的程度，在隐私保护和数据共享中起着重要作用。
•机器学习领域：信息论被应用于机器学习中的特征选择、集成学习和模型评估等任务中，提供了许多有用的数学工具和概念。
•生物信息学领域：信息论被应用于分析DNA序列、蛋白质序列和生物网络等生物数据，发现其中的模式和规律。
问题3问题：信息熵是什么？如何计算信息熵？答案：信息熵是衡量一个随机变量的不确定性或信息量的度量值。
信息熵越大，表示随机变量的不确定性越高，每个可能的取值都相对等可能发生；反之，信息熵越小，表示随机变量的不确定性越低，某些取值较为集中或者出现的概率较大。
信息熵的计算公式如下所示：H(X) = -Σ P(x) * log2(P(x))其中，H(X) 表示随机变量 X 的信息熵，P(x) 表示随机变量X 取值为 x 的概率。
问题4问题：条件熵是什么？如何计算条件熵？答案：条件熵是在给定其他随机变量的条件下，一个随机变量的不确定性或信息量的度量。
条件熵基于条件概率定义，用于描述一个随机变量在给定其他相关随机变量的条件下的信息量。
条件熵的计算公式如下所示：H(Y|X) = -Σ P(x, y) * log2(P(y|x))其中，H(Y|X) 表示随机变量 Y 在给定随机变量 X 的条件下的条件熵，P(x, y) 表示随机变量 X 取值为 x 且随机变量 Y 取值为 y 的概率，P(y|x) 表示随机变量 Y 在给定随机变量 X 取值为x 的条件下取值为 y 的概率。
信息论基础(含习题与解答)
信息论基础（含习题与解答）
1.习题
（1）解码的定义是什么？
解码是指从消息中分离出编码信息，并将其转换为原始消息的过程。
（2）什么是哈夫曼编码？
哈夫曼编码是一种熵编码方案，它把出现频率最高的信息单位用最短的码字表示，从而有效地压缩了信息。
（3）请解释索引信息论。
索引信息论是一种认知科学，它研究了使用多个索引信息对信息资源进行管理和协作的方法。
它重点研究的是如何将信息可视化，以便用户可以快速找到需要的信息，同时有效地利用多个索引信息。
2.答案
（1）解码的定义是什么？
解码是指从消息中分离出编码信息，并将其转换为原始消息的过程。
（2）什么是哈夫曼编码？
哈夫曼编码是一种熵编码方案，它把出现频率最高的信息单位用最短的码字表示，从而有效地压缩了信息。
（3）请解释索引信息论。
索引信息论是一种认知科学，它研究了使用多个索引信息对信息资源进行管理和协作的方法。
它主要专注于通过设计有效的用户界面来提高信
息的有用性，实现信息的检索和可视化，以实现快速了解和分析信息资源。
它强调以用户为中心，基于支持知识管理和协作的。
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第二章 信息量和熵2.2 八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步，每秒1000个码字，求它的信息速率。
解：同步信息均相同，不含信息，因此每个码字的信息量为 2⨯8log =2⨯3=6 bit 因此，信息速率为 6⨯1000=6000 bit/s2.3 掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为：(a) 7; (b) 12。
问各得到多少信息量。
解：(1) 可能的组合为 {1，6},{2，5},{3，4},{4，3},{5，2},{6，1})(a p =366=61 得到的信息量 =)(1loga p =6log =2.585 bit (2) 可能的唯一，为 {6，6} )(b p =361 得到的信息量=)(1logb p =36log =5.17 bit2.4 经过充分洗牌后的一副扑克（52张），问：(a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？(b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量？解：(a) )(a p =!521 信息量=)(1loga p =!52log =225.58 bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C =13.208 bit2.9 随机掷3颗骰子，X 表示第一颗骰子的结果，Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和，Z表示3颗骰子的点数之和，试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。
解：令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ，1x ，2x ，3x 相互独立，则1x X =，21x x Y +=，321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6=2.585 bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H =2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6 =3.2744 bit)|(Y X H =)(X H -);(Y X I =)(X H -[)(Y H -)|(X Y H ]而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H = 2)(X H -)(Y H =1.8955 bit或)|(Y X H =)(XY H -)(Y H =)(X H +)|(X Y H -)(Y H而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H =2)(X H -)(Y H =1.8955 bit),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H =2.585 bit)|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =1.8955+2.585=4.4805 bit2.10 设一个系统传送10个数字，0，1，…，9。
奇数在传送过程中以0.5的概率错成另外一个奇数，其余正确接收，求收到一个数字平均得到的信息量。
解：8,6,4,2,0=i √);(Y X I =)(Y H -)|(X Y H因为输入等概，由信道条件可知，⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++++====101)8181818121(101)(101)(为偶数为奇数i i y p i i y p 即输出等概，则)(Y H =log 10)|(X Y H =)|(log )(i j jjiix y p yx p ∑∑-=)|(log )(i j jij i x y p yx p ∑∑-偶-)|(log )(i j j i j i x y p y x p ∑∑奇=0-)|(log )(i j j i jix y p yx p ∑∑奇= -)|(log )|()(97,5,3,1i i i ii ix y p x y p x p ∑=，-)|(log )|()(97531i j j i i i jix y p x yp x p ∑∑≠，，，，＝=101⨯21log 2⨯5+101⨯21⨯41log 8⨯4⨯5 =4341+=1 bit);(Y X I =)(Y H -)|(X Y H =log 10 -1=log 5=2.3219 bit2.11 令{821,,u u u ，⋯}为一等概消息集，各消息相应被编成下述二元码字 1u =0000，2u =0011，3u =0101，4u =0110，5u =1001，6u =1010，7u =1100，8u =1111通过转移概率为p 的BSC 传送。
求：(a)接收到的第一个数字0与1u 之间的互信息量。
(b)接收到的前二个数字00与1u 之间的互信息量。
(c)接收到的前三个数字000与1u 之间的互信息量。
(d)接收到的前四个数字0000与1u 之间的互信息量。
解：即)0;(1u I ，)00;(1u I ，)000;(1u I ，)0000;(1u I )0(p =4)1(81⨯-p +481⨯p =21)0;(1u I =)0()|0(log 1p u p =211log p-=1+)1log(p - bit)00(p =]2)1(4)1(2[8122p p p p +-+-=41)00;(1u I =)00()|00(log 1p u p =4/1)1(log 2p -=)]1log(1[2p -+ bit)000(p =])1(3)1(3)1[(813223p p p p p p +-+-+-=81)000;(1u I =3[1+)1log(p -] bit)0000(p =])1(6)1[(814224p p p p +-+-)0000;(1u I =42244)1(6)1()1(8log pp p p p +-+-- bit2.12 计算习题2.9中);(Z Y I 、);(Z X I 、);,(Z Y X I 、)|;(X Z Y I 、)|;(Y Z X I 。
解：根据题2.9分析)(Z H =2(216log 2161+3216log 2163+6216log 2166+10216log21610+ 15216log 21615+21216log 21621+25216log 21625+27216log21627) =3.5993 bit);(Z Y I =)(Z H -)|(Y Z H =)(Z H -)(X H =1.0143 bit );(Z X I =)(Z H -)|(X Z H =)(Z H -)(Y H =0.3249 bit );,(Z Y X I =)(Z H -)|(XY Z H =)(Z H -)(X H =1.0143 bit )|;(X Z Y I =)|(X Z H -)|(XY Z H =)(Y H -)(X H =0.6894 bit )|;(Y Z X I =)|(Y Z H -)|(XY Z H =)(X H -)(X H =0 bit2.14 对于任意概率事件集X,Y ,Z ，证明下述关系式成立(a))|,(X Z Y H ≤)|(X Y H +)|(X Z H ，给出等号成立的条件 (b))|,(X Z Y H =)|(X Y H +),|(Y X Z H (c)),|(Y X Z H ≤)|(X Z H 证明：(b) )|,(X Z Y H =-∑∑∑xyzx yz p xyz p )|(log )(=-∑∑∑xyzxy z p x y p xyz p )]|()|(log[)(=-∑∑∑xyzx y p xyz p )|(log )(-∑∑∑xyzxy z p xyz p )|(log )(=)|(X Y H +)|(XY Z H (c) ),|(Y X Z H =-∑∑∑xyzxy z p xyz p )|(log )(=∑∑xyxy p )([-∑zxy z p xy z p )|(log )|(]≤∑∑xyxy p )([-∑zx z p x z p )|(log )|(]=-∑∑∑xyzx z p xyz p )|(log )(=)|(X Z H当)|(xy z p =)|(x z p ，即X 给定条件下，Y 与Z 相互独立时等号成立 (a) 上式(c)左右两边加上)|(X Y H ，可得)|(X Y H +),|(Y X Z H ≤)|(X Y H +)|(X Z H 于是)|,(X Z Y H ≤)|(X Y H +)|(X Z H2.28 令概率空间⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=21,211,1X ，令Y 是连续随机变量。
已知条件概率密度为⎪⎩⎪⎨⎧≤-<-=其他,022,41)|(x y x y p ，求：(a)Y 的概率密度)(y ω (b));(Y X I(c) 若对Y 做如下硬判决⎪⎩⎪⎨⎧-≤⋯⋯-≤<-⋯⋯>⋯⋯=1,111,01,1y y y V求);(V X I ，并对结果进行解释。
解：(a) 由已知，可得)1|(-=x y p =⎪⎩⎪⎨⎧⋯⋯≤<-⋯⋯else y 01341)1|(=x y p =⎪⎩⎪⎨⎧⋯⋯≤<-⋯⋯elsey 03141)(y ω=)1(-=x p )1|(-=x y p +)1(=x p )1|(=x y p=⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⋯⋯≤<⋯⋯≤<-⋯⋯-≤<-⋯⋯elsey y y 0318111411381(b) )(Y H C =⎰⎰---+⨯11134log 4128log 81=2.5 bit)|(X Y H C =⎰--=-=-=-13)1|(log )1|()1(dy x y p x y p x p⎰-===-31)1|(log )1|()1(dy x y p x y p x p=dy dy ⎰⎰----311341log 412141log 4121 =2 bit );(Y X I =)(Y H C -)|(X Y H C =0.5 bit (c) 由)(y ω可得到V 的分布律再由5.14log 2412log 21)(=⨯+=V H bit 2]2log 212log 21[21)|(⨯+=X V H =1 bit);(V X I =)|()(X V H V H -= 0.5 bit2.29 令)(1x Q 和)(2x Q 是同一事件集U 上的两个概率分布，相应的熵分别为1)(U H 和2)(U H 。
(a)对于10≤≤λ，证明)(x Q =λ)(1x Q +)1(λ-)(2x Q 是概率分布(b))(U H 是相应于分布)(x Q 的熵，试证明)(U H ≥λ1)(U H +)1(λ-2)(U H证明：(a) 由于)(1x Q 和)(2x Q 是同一事件集U 上的两个概率分布，于是)(1x q ≥0，)(2x q ≥0dx x q x⎰)(1=1，dx x qx⎰)(2=1又10≤≤λ，则)(x q =λ)(1x q +)1(λ-)(2x q ≥0dx x q x⎰)(=dx x q x⎰)(1λ+dx x qx⎰-)()1(2λ=1因此，)(x Q 是概率分布。