微分熵

微分熵是消息理論中的一個概念，是從以離散隨機變數所計算出的夏農熵推廣，以連續型隨機變數計算所得之熵，微分熵與離散隨機變數所計算出之夏農熵，皆可代表描述一信息所需碼長的下界，然而，微分熵與夏農熵仍存在著某些相異的性質。

 定義 

令為一連續型隨機變數，其機率密度函數為，其中的支撐集為。微分熵:

。

與夏農熵為類比，計算夏農熵之算式中的通常以2為底，而微分熵為計算方便，常以計算後再轉換為的結果。微分熵與夏農熵最大的不同點在於可為大於1的數值，此時可能會造成為負值，而夏農熵恆不為負。

例如，為均勻分布：

 相關計算 

 條件熵 
為之聯合機率密度函數，其條件熵為:

。

 相對熵 
又稱KL散度（Kullback–Leibler divergence)，兩機率密度函數f、g的相對熵定義為:

。

 互信息 
兩連續型隨機變數的聯合機率密度函數為，其互信息:

廣義而言，我們可以將互信息定義在有限多個連續隨機變數值域的劃分。
可參考連續互信息的量化。

 性質 

 相對熵恆正 
與夏農相對熵性質相同，恆正。

  (延森不等式)

。

 鏈式法則 
一次觀測所有隨機變數所測得的聯合熵，與個別接收隨機變數後計算的條件熵總和相同，即觀測順序與間隔不影響微分熵。

。

 平移 
隨機變數的平移不影響微分熵，因為固定的平移不會增加隨機變數的方差。

 縮放 
將隨機變數縮放會增加其方差，微分熵亦會隨之增加。

 上界 
期望值為0，方差為且值域為之隨機變數的微分熵，其上界為常態分佈的微分熵。

 估計誤差 
隨機變數與其估計子之均方誤差存在下界，當為常態分佈且為無偏估計子時，等號成立。

 漸進等分性 

 漸進等分性
離散隨機變數的夏農熵中，獨立同分布的隨機變數序列，在漸進等分性(Asymptotic equipartition property)之下其機率質量函數趨近於。

連續型隨機變數之漸進等分性：

 典型集 
典型集(Typical set)定義如下

,

 體積 
集合包含於,，其體積(Volume)定義如下:

。

典型集的體積有以下性質:

1.

2.

證明

1.

由，

可得：

2.

當n足夠大時，，

因此：

 量化 
我們可以將機率密度函數量化後，以夏農熵來計算微分熵。首先將連續隨機變數X以分為數個區間，根據均值定理，滿足：

量化後的隨機變數:

夏農熵為:

意即，當，。

 例子： 
1.

對X做n位元量化。

上式表示，若我們想得到n位元精確度，則需要n-3個位元來表示。

2.

對X做n位元量化。

上式表示，若我們想得到n位元精確度，需要個位元來表示。

 最大熵 

 常態分佈 
隨機變數，值域為，方差為，為任意分佈，為常態分佈，機率密度函數分別為。

則

證明:

其中，

 指數分佈 
隨機變數，值域為，期望值為，為任意分佈，為指數分佈，機率密度函數分別為。

則。

證明:

其中，

 參考文獻 

 Thomas M. Cover, Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, 1991 John Wiley & Sons, Inc, 1971.  ISBN 0-471-20061-1

Category:微分代数