熵

熵

参考：[https://zh.wikipedia.org/wiki/熵_(信息论](https://zh.wikipedia.org/wiki/熵_%28信息论%29)

在信息论中熵（entropy）是接收的每条消息中包含的信息的平均量，又被称为信息熵、信源熵、平均自信息量。

熵也可以理解为不确定性的量度，因为越随机的信源的熵越大。这里的想法是，比较不可能发生的事情，当它发生了，会提供更多的信息。

如果有一个系统$$S$$内存在多个事件$$S = {E_1,E_2,...,E_n}$$，每个事件的概率分布$$P = {p_1,p_2, ..., p_n}$$，则每个事件本身的讯息（自信息）为：

$$I_e=- \mathrm{log}_2 {p_i}$$（对数以2为底，单位是比特（bit））

$$I_e=- \mathrm{ln} {p_i}$$（对数以$$e$$为底，单位是纳特/nats）

如英语有26个字母，假如每个字母在文章中出现次数平均的话，每个字母的讯息量为：

$$I_e=- \mathrm{log}_2 {\dfrac{1}{26}}=4.7$$

而汉字常用的有2500个，假如每个汉字在文章中出现次数平均的话，每个汉字的信息量为：

$$I_e=- \mathrm{log}_2 {\dfrac{1}{2500}}=11.3$$

实际上每个字母和每个汉字在文章中出现的次数并不平均，比方说较少见字母（如z）和罕用汉字就具有相对高的信息量。但上述计算提供了以下概念：使用书写单元越多的文字，每个单元所包含的讯息量越大。

熵是整个系统的平均信息量：

$$ H_s=\displaystyle-\sum_{i=1}^np_i\mathrm{log}_2p_i $$

若$$p_i=0$$，则定义$$0log0=0$$。通常对数以2为底或以$$e$$为底，这时熵的单位分别作为比特（bit）或奈特（nat）。

熵越大，随机变量的不确定性越大。

极值性

当所有事件有相同机会出现的情况下，熵达到最大值（所有可能的事件同等概率时不确定性最高）

$$ 0\leqslant H_n(p_1,p_2,...,p_n)\leqslant H_n(\dfrac{1}{n},\dfrac{1}{n},...,\dfrac{1}{n})=\mathrm{log}n $$

举例来说，当随机变量只取两个值时，例如1和0，则随机变量$$X$$的分布为

$$P(X=1)=p$$，$$P(X=0)=1-p$$，$$0\leqslant p \leqslant 1$$

熵为$$H(p)=-p\mathrm{log}_2p-(1-p)\mathrm{log}_2(1-p)$$

这时熵随着概率$$p$$变化的曲线如图，当$$p=0.5$$时熵取值最大，系统的不确定性最大。