熵 度量随机变量的平均不确定性——「搞清楚 的取值平均需要多少比特」。信息论一切量的基准零点。
定义
底数取 2 时单位为 bit,取 时为 nat。对对数运算的依赖使熵兼具组合意义( 计数)与概率意义(期望)。
直觉与性质
| 性质 | 内容 |
|---|---|
| 非负 | |
| 均匀最大 | 固定取值数时等分布熵最大:硬币均匀时 bit |
| 确定性最小 | 退化为单点分布时 ——没有不确定性 |
| 链式法则 |
家族
- 联合熵 / 条件熵:、,后者 = 观测 后残余的不确定性
- 互信息 :观测带来的熵削减,见互信息
- 交叉熵与 KL 散度:,机器学习损失函数的来源,见交叉熵损失
- 率失真函数:有损压缩的极限由熵的推广刻画,见率失真理论
在哪里遇到它
- 分类损失(交叉熵 = 熵 + KL)
- 决策树分裂准则(信息增益 = 互信息)
- 数据压缩极限(Shannon 信源编码定理:平均码长 )
- 语言模型困惑度(perplexity )