信息熵、交叉熵与相对熵

本文参考了：
https://baike.baidu.com/item/%E4%BF%A1%E6%81%AF%E7%86%B5/7302318?fr=aladdin http://blog.csdn.net/zb1165048017/article/details/48937135
这三个概念广泛用于如nlp等深度学习任务中。TF-IDF等概念，是基于这些基本概念衍生出来的。而这三者有着密不可分的联系。下面就来说明一下它们之间的关系。

信息熵

用来衡量信息量大小，也就是不确定程度。直观理解就是用一组序号给若干不确定的结果编码，平均编码长度。

公式：



为什么公式长这样呢？因为一个信源发送出什么符号是不确定的，衡量它可以根据其出现的概率来度量。概率大，出现机会多，不确定性小；反之就大。

不确定性函数f是概率P的单调递降函数；两个独立符号所产生的不确定性应等于各自不确定性之和，即f（P1，P2）=f（P1）+f（P2），这称为可加性。同时满足这两个条件的函数f是对数函数，即

.

而平均不确定性就是不确定性的期望。

交叉熵

现有关于样本集的2个概率分布p和q，其中p为真实分布，q非真实分布。按照真实分布p来衡量识别一个样本的所需要的编码长度的期望(即平均编码长度)为：



也就是信息熵。

如果使用错误分布q来表示来自真实分布p的平均编码长度，则应该是：



因为用q来编码的样本来自分布p，所以期望H(p,q)中概率是p(i)。H(p,q)我们称之为“交叉熵”。

比如含有4个字母(A,B,C,D)的数据集中，真实分布p=(1/2, 1/2, 0, 0)，即A和B出现的概率均为1/2，C和D出现的概率都为0。计算H(p)为1，即只需要1位编码即可识别A和B。如果使用分布Q=(1/4, 1/4, 1/4, 1/4)来编码则得到H(p,q)=2，即需要2位编码来识别A和B(当然还有C和D，尽管C和D并不会出现，因为真实分布p中C和D出现的概率为0，这里就钦定概率为0的事件不会发生啦)。

交叉熵可在神经网络(机器学习)中作为损失函数，p表示真实标记的分布，q则为训练后的模型的预测标记分布，交叉熵损失函数可以衡量p与q的相似性。交叉熵作为损失函数还有一个好处是使用sigmoid函数在梯度下降时能避免均方误差损失函数学习速率降低的问题，因为学习速率可以被输出的误差所控制。

相对熵

可以看到上例中根据非真实分布q得到的平均编码长度H(p,q)大于根据真实分布p得到的平均编码长度H(p)。事实上，根据Gibbs'
inequality可知，H(p,q)>=H(p)恒成立，当q为真实分布p时取等号。我们将由q得到的平均编码长度比由p得到的平均编码长度多出的bit数称为“相对熵”：



其又被称为KL散度(Kullback–Leibler divergence，KLD)Kullback–Leibler
divergence。它表示2个函数或概率分布的差异性：差异越大则相对熵越大，差异越小则相对熵越小，特别地，若2者相同则熵为0。注意，KL散度的非对称性。

比如TD-IDF算法就可以理解为相对熵的应用：词频在整个语料库的分布与词频在具体文档中分布之间的差异性。