Теория информации (стр. 3 из 29)

Количество элементов сообщения (знаков) в одной строке равно числу значений, которое может принять амплитуда импульсов в строке,: m = 8.

Количество информации в одной строке: I = n log m = 600 log8, а количество информации в кадре: I¢ = 625 I = 625 600 log 8 = 1,125 × 10⁶ бит

Пример2. Определить минимальное число взвешиваний, которое необходимо произвести на равноплечих весах, чтобы среди 27 внешне неотличимых монет найти одну фальшивую, более легкую.

Решение. Так как монеты внешне не отличимые, то они представляют источник с равновероятными состояниями, а общая неопределенность ансамбля, характеризующая его энтропию, поэтому составляет: H1= Iog₂27 бит.

Одно взвешивание способно прояснить неопределенность ансамбля насчитывающего три возможных исхода (левая чаша весов легче, правая чаша весов легче, весы находятся в равновесии).Так как все исходы равновероятны (нельзя заранее отдать предпочтение одному из них), то результат одного взвешивания представляет источник с равновероятными состояниями, а его энтропия составляет: H2= Iog₂3 бит.

Так как энтропия отвечает требованию аддитивности и при этом Н1=3Н2= 3 1og₂3, то для определения фальшивой монеты достаточно произвести три взвешивания.

Алгоритм определения фальшивой монеты следующий. При первом взвешивании на каждую чашку весов кладется по девять монет. Фальшивая монета будет либо среди тех девяти монет, которые оказались легче, либо среди тех, которые не взвешивались, если имело место равновесие. Аналогично, после второго взвешивания число монет, среди которых находится фальшивая монета, сократится до трех. Последнее, третье, взвешивание дает возможность точно указать фальшивую монету.

Рассмотренная выше оценка информации основана на предположении о равновероятности всех знаков алфавита.

В общем случае каждый из знаков появляется в сообщении с различной вероятностью.

Пусть на основании статистического анализа известно, что в сообщении длины n знак x_iпоявляется n_i раз, т.е. вероятность появления знака:

, (i = 1, 2, 3, ... , m).

Все знаки алфавита составляют полную систему случайных событий, поэтому:

Число всех возможных сообщений длины n, в которых знак x_iвходит n_i раз, где i = 1, 2, 3 ... ,m, определяется как число перестановок с повторениями из n элементов, спецификация которых {n₁, n₂, ..., n_m}. Поэтому количество возможных сообщений определяют по формуле:

Например, план застройки улицы 10 домами, среди которых 3 дома одного типа, 5 другого и 2 третьего, можно представить

Количество информации можно найти по формуле:

I = log N = log n! - (log n₁!+log n₂!+...+log n_m!).

Для достаточно больших n это выражение можно преобразовать с помощью приближенной формулы Стирлинга:

logn! »n(lnn - 1).

Воспользовавшись формулой Стирлинга и соотношением

, получают:

Переходя к вероятностям и произвольным основаниям логарифмов, получают формулы Шеннона для количества информации и энтропии:

В дальнейшем в выражениях для количества информации I и энтропии H всегда используют логарифмы с основанием 2.

2.1 Свойства энтропии

При равновероятности знаков алфавита Рi = 1/m из формулы Шеннона получают:

Из этого следует, что при равновероятности знаков алфовита энтропия определяется исключительно числом знаков m алфавита и по существу является характеристикой только алфавита.

Если же знаки алфавита неравновероятны, то алфавит можно рассматривать как дискретную случайную величину, заданную статистическим распределением частотn_iпоявления знаков х_i (или вероятностейРi =n_i/ n) табл. 2.1:

Таблица 2.1.

Знаки х_i	x₁	x₂	. . .	x_m
Частоты n_i	n₁	n₂	. . .	n_m

Такие распределения получают обычно на основе статистического анализа конкретных типов сообщений (например, русских или английских текстов и т.п.).

Поэтому, если знаки алфавита неравновероятны и хотя формально в выражение для энтропии входят только характеристики алфавита (вероятности появления его знаков), энтропия отражает статистические свойства некоторой совокупности сообщений.

На основании выражения

величину log 1/Pi можно рассматривать как частную энтропию, характеризующую информативность знака х_i, а энтропию H - как среднее значение частных энтропий.

Функция (Pi × log Pi) отражает вклад знака х_i в энтропию H. При вероятности появления знака Pi=1 эта функция равна нулю, затем возрастает до своего максимума, а при дальнейшем уменьшении Pi стремится к нулю (функция имеет экстремум): рис.2.1.

Рис. 2.1. Графики функций log 1/Pi и -Pi × log Pi

Для определения координат максимума этой функции нужно найти производную и приравнять ее к нулю.

Из условия

находят: Pi e = 1,где е - основание натурального логарифма.

Таким образом, функция: (Pi log Pi) при Pi = 1/e = 0,37 имеет максимум:

., т.е координаты максимума (0,37; 0,531)

ЭнтропияН - величина вещественная, неотрицательная и ограниченная, т.е. Н ³ 0 (это свойство следует из того, что такими же качествами обладают все ее слагаемые Pi log 1/Pi).

Энтропия равна нулю, если сообщение известно заранее (в этом случае каждый элемент сообщения замещается некоторым знаком с вероятностью, равной единице, а вероятности остальных знаков равны нулю).

Энтропия максимальна, есливсе знаки алфавита равновероятны, т.е. Н_max = log m.

Таким образом, степень неопределенности источника информации зависит не только от числа состояний, но и от вероятностей этих состояний. При неравновероятных состояниях свобода выбора источника ограничивается, что должно приводить к уменьшению неопределенности. Если источник информации имеет, например, два возможных состояния с вероятностями 0,99 и 0,01, то неопределенность выбора у него значительно меньше, чем у источника, имеющего два равновероятных состояния. Действительно, в первом случае результат практически предрешен (реализация состояния, вероятность которого равна 0,99), а во втором случае неопределенность максимальна, поскольку никакого обоснованного предположения о результате выбора сделать нельзя. Ясно также, что весьма малое изменение вероятностей состояний вызывает соответственно незначительное изменение неопределенности выбора.

Пример3.Распределение знаков алфавита имеет вид р(х₁) = 0,1 р(x₂) = 0,1 р(x₃) = 0,1 р(x₄) = 0,7. Определить число знаков другого алфавита, у которого все знаки равновероятны, а энтропия такая же как и у заданного алфавита.

Особый интерес представляют бинарные сообщения, использующие алфавит из двух знаков: (0,1). При m = 2 сумма вероятностей знаков алфавита: Р₁₊Р₂ = 1. Можно положить Р₁ = Р, тогда Р₂ = 1-Р.

Энтропию можно определить по формуле:

Энтропия бинарных сообщений достигает максимального значения, равного 1 биту, когда знаки алфавита сообщений равновероятны, т.е. при Р = 0,5, и ее график симметричен относительно этого значения.(рис.2.2).

Рис. 2.2. График зависимости энтропии Н двоичных сообщений (1) и ее составляющих (2,3): - (1 - Р) log (1 - P) и - P log P от Р.

Пример 4.Сравнить неопределенность, приходящуюся на букву источника информации (алфавита русского языка), характеризуемого ансамблем, представленным в таблице 2.2, с неопределенностью, которая была бы у того же источника при равновероятном использовании букв.

Таблица 2.2.

Буква	Вероятность	Буква	Вероятность	Буква	Вероятность	Буква	Вероятность
а	0,064	й	0,010	т	0,056	ы	0,016
б	0,015	к	0,029	у	0,021	э	0,003
в	0,039	л	0,036	ф	0,02	ю	0,007
г	0,014	м	0,026	х	0,09	я	0,019
д	0,026	н	0,056	ц	0,04	пробел	0,143
е,ё	0,074	о	0,096	ч	0,013
ж	0,008	п	0,024	ш	0,006
з	0,015	р	0,041	ш	0,003
и	0,064	с	0,047	ъ,ь	0,015

Решение. 1. При одинаковых вероятностях появления любой из всех m = 32 букв алфавита неопределенность, приходящуюся на одну букву, характеризует энтропия