ทำไม KL แตกต่างกันจึงไม่เป็นลบ


18

ทำไม KL แตกต่างกันจึงไม่เป็นลบ

จากมุมมองของทฤษฎีสารสนเทศฉันมีความเข้าใจที่เข้าใจง่าย:

บอกว่ามีสองตระการตาและBซึ่งจะประกอบด้วยชุดเดียวกันขององค์ประกอบที่โดดเด่นด้วยx p ( x )และq ( x )คือการแจกแจงความน่าจะเป็นที่แตกต่างกันมากกว่าชุดAและBตามลำดับABxp(x)q(x)AB

จากมุมมองของทฤษฎีข้อมูลlog2⁡(P(x))เป็นจำนวนเงินที่น้อยที่สุดของบิตที่จำเป็นต้องใช้สำหรับการบันทึกเป็นองค์ประกอบxทั้งมวล ดังนั้นความคาดหวัง ∑ x ∈ e n s e m b l e - p ( x ) ln ( p ( x ) ) สามารถตีความได้ว่าอย่างน้อยจำนวนบิตที่เราต้องการสำหรับบันทึกองค์ประกอบในAโดยเฉลี่ยA

∑x∈ensemble−p(x)ln⁡(p(x))
A

เนื่องจากสูตรนี้ให้ขอบเขตที่ต่ำกว่าบนบิตที่เราต้องการโดยเฉลี่ยดังนั้นสำหรับกลุ่มที่แตกต่างกันซึ่งทำให้มีการกระจายความน่าจะเป็นที่ต่างกันq ( x )ขอบเขตที่ให้สำหรับแต่ละองค์ประกอบxจะไม่ใช่บิตที่แน่นอน มอบให้โดยp ( x )ซึ่งหมายถึงการคาดหวัง∑ x ∈ e n s e m b l e - p ( x ) ln ( q ( x ) )Bq(x)xp(x)

∑x∈ensemble−p(x)ln⁡(q(x))
ความยาวเฉลี่ยนี้จะมากกว่าอดีตที่แน่นอนซึ่งนำไปสู่
ฉันไม่ใส่≥ที่นี่เนื่องจากp(x)และq(x)แตกต่างกัน
∑x∈ensemblep(x)ln⁡(p(x))ln⁡(q(x))>0
≥p(x)q(x)

นี่คือความเข้าใจที่เข้าใจง่ายของฉันมีวิธีการทางคณิตศาสตร์อย่างแท้จริงในการพิสูจน์ความแตกต่างของ KL ที่ไม่ใช่เชิงลบหรือไม่? ปัญหาสามารถระบุได้เป็น:

p(x)q(x)∫−∞+∞p(x)dx=1∫−∞+∞q(x)dx=1

∫−∞+∞p(x)ln⁡p(x)q(x)

สิ่งนี้จะพิสูจน์ได้อย่างไร? หรือสิ่งนี้สามารถพิสูจน์ได้โดยไม่มีเงื่อนไขพิเศษ?


1
หากคุณเข้าใจหลักฐานของความไม่เท่าเทียมของ Fanoมันเป็นเรื่องง่ายที่จะได้มาซึ่งความไม่เป็นลบของเอนโทรปีสัมพัทธ์
— Lerner Zhang

คำตอบ:


30

พิสูจน์ 1:

ln⁡a≤a−1a>0

−DKL(p||q)≤0DKL(p||q)≥0

−D(p||q)=−∑xp(x)ln⁡p(x)q(x)=∑xp(x)ln⁡q(x)p(x)≤(a)∑xp(x)(q(x)p(x)−1)=∑xq(x)−∑xp(x)=1−1=0

ln

−∑xp(x)log2⁡p(x)≤−∑xp(x)log2⁡q(x)

∑xp(x)log2⁡p(x)−∑xp(x)log2⁡q(x)≥0∑xp(x)log2⁡p(x)q(x)≥0

เหตุผลที่ฉันไม่ได้รวมสิ่งนี้ไว้เป็นหลักฐานแยกต่างหากก็เพราะว่าถ้าคุณต้องขอให้ฉันพิสูจน์ความไม่เท่าเทียมของกิ๊บส์ฉันจะต้องเริ่มจากการไม่ปฏิเสธของการแยกทาง KL และทำข้อพิสูจน์เดียวกันจากด้านบน


∑i=1nailog2⁡aibi≥(∑i=1nai)log2⁡∑i=1nai∑i=1nbi

DKL(p||q)≥0

D(p||q)=∑xp(x)log2⁡p(x)q(x)≥(b)(∑xp(x))log2⁡∑xp(x)∑xq(x)=1⋅log2⁡11=0

where we have used the Log sum inequality at (b).


Proof 3:

(Taken from the book "Elements of Information Theory" by Thomas M. Cover and Joy A. Thomas)

−D(p||q)=−∑xp(x)log2⁡p(x)q(x)=∑xp(x)log2⁡q(x)p(x)≤(c)log2⁡∑xp(x)q(x)p(x)=log2⁡1=0

where at (c) we have used Jensen's inequality and the fact that log is a concave function.

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.