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• 信息熵

   编辑 讨论

信息是个很抽象的概念。人们常常说信息很多，或者信息较少，但却很难说清楚信息到底有多少。比如一本五十万字的中文书到底有多少信息量。

直到1948年，香农提出了“信息熵”的概念，才解决了对信息的量化度量问题。信息熵这个词是C.E.Shannon（香农）从热力学中借用过来的。热力学中的热熵是表示分子状态混乱程度的物理量。香农用信息熵的概念来描述信源的不确定度。

信息论之父克劳德·艾尔伍德·香农第一次用数学语言阐明了概率与信息冗余度的关系。

• 中文名

• 信息熵

• 外文名

• informationentropy

• 提出者

•  C. E. Shannon 

• 时    间

•  1948 年

•  借鉴

• 热力学的概念

目录

1. 1 理论提出

2. 2 基本内容

3. 3 信息含义

4. ▪ 现代定义

5. ▪ 最初定义

6. ▪ 计算公式

7. ▪ 《博弈圣经》

理论提出

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信息论之父 C. E. Shannon 在 1948 年发表的论文“通信的数学理论（ A Mathematical Theory of Communication ）”中指出，任何信息都存在冗余，冗余大小与信息中每个符号（数字、字母或单词）的出现概率或者说不确定性有关。

Shannon 借鉴了热力学的概念，把信息中排除了冗余后的平均信息量称为“信息熵”，并给出了计算信息熵的数学表达式。

基本内容

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通常，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；反之不确定性就大。

不确定性函数f是概率P的减函数；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

。

在信源中，考虑的不是某一单个符号发生的不确定性，而是要考虑这个信源所有可能发生情况的平均不确定性。若信源符号有n种取值：U1…Ui…Un，对应概率为：P1…Pi…Pn，且各种符号的出现彼此独立。这时，信源的平均不确定性应当为单个符号不确定性-logPi的统计平均值（E），可称为信息熵，即

，式中对数一般取2为底，单位为比特。但是，也可以取其它对数底，采用其它相应的单位，它们间可用换底公式换算。

最简单的单符号信源仅取0和1两个元素，即二元信源，其概率为P和Q=1-P，该信源的熵即为如图1所示。

由图可见，离散信源的信息熵具有：

①非负性：即收到一个信源符号所获得的信息量应为正值，H(U)≥0

②对称性：即对称于P=0.5

③确定性：H(1,0)=0，即P=0或P=1已是确定状态，所得信息量为零

④极值性：因H(U)是P的上凸函数，且一阶导数在P=0.5时等于0，所以当P=0.5时，H(U)最大。

对连续信源，香农给出了形式上类似于离散信源的连续熵，

图1 二元信源的熵

虽然连续熵

仍具有可加性，但不具有信息的非负性，已不同于离散信源。

不代表连续信源的信息量。连续信源取值无限，信息量是无限大，而

是一个有限的相对值，又称相对熵。但是，在取两熵的差值为互信息时，它仍具有非负性。这与力学中势能的定义相仿。

信息含义

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现代定义

信息是物质、能量、信息及其属性的标示。【逆维纳信息定义】

信息是确定性的增加。【逆香农信息定义】

信息是事物现象及其属性标识的集合。【2002年】

最初定义

信息理论的鼻祖之一Claude E. Shannon把信息（熵）定义为离散随机事件的出现概率。

所谓信息熵，是一个数学上颇为抽象的概念，在这里不妨把信息熵理解成某种特定信息的出现概率。而信息熵和热力学熵是紧密相关的。根据Charles H. Bennett对Maxwell's Demon的重新解释，对信息的销毁是一个不可逆过程，所以销毁信息是符合热力学第二定律的。而产生信息，则是为系统引入负（热力学）熵的过程。所以信息熵的符号与热力学熵应该是相反的。

一般而言，当一种信息出现概率更高的时候，表明它被传播得更广泛，或者说，被引用的程度更高。我们可以认为，从信息传播的角度来看，信息熵可以表示信息的价值。这样子我们就有一个衡量信息价值高低的标准，可以做出关于知识流通问题的更多推论。

计算公式

H(x) = E[I(xi)] = E[ log(2,1/P(xi)) ] = -∑P(xi)log(2,P(xi)) (i=1,2,..n)

其中，x表示随机变量，与之相对应的是所有可能输出的集合，定义为符号集,随机变量的输出用x表示。P(x)表示输出概率函数。变量的不确定性越大，熵也就越大，把它搞清楚所需要的信息量也就越大.

《博弈圣经》

信息熵：信息的基本作用就是消除人们对事物的不确定性。多数粒子组合之后，在它似像非像的形态上押上有价值的数码，具体地说，这就是一个在博弈对局中信息混乱的现象。

香农指出，它的准确信息量应该是

-(p1*log(2,p1) + p2 * log(2,p2) +　．．．　+p32 *log(2,p32))，

信息熵

其中，p1，p2 ，　．．．，p32 分别是这 32 个球队夺冠的概率。香农把它称为“信息熵” (Entropy)，一般用符号 H 表示，单位是比特。

有兴趣的读者可以推算一下当 32 个球队夺冠概率相同时，对应的信息熵等于五比特。有数学基础的读者还可以证明上面公式的值不可能大于五。对于任意一个随机变量 X（比如得冠军的球队），它的熵定义如下：

变量的不确定性越大，熵也就越大，把它搞清楚所需要的信息量也就越大。

信息熵是信息论中用于度量信息量的一个概念。一个系统越是有序，信息熵就越低；

反之，一个系统越是混乱，信息熵就越高。所以，信息熵也可以说是系统有序化程度的一个度量。

熵的概念源自热物理学。

假定有两种气体a、b，当两种气体完全混合时，可以达到热物理学中的稳定状态，此时熵最高。如果要实现反向过程，即将a、b完全分离，在封闭的系统中是没有可能的。只有外部干预（信息），也即系统外部加入某种有序化的东西（能量），使得a、b分离。这时，系统进入另一种稳定状态，此时，信息熵最低。热物理学证明，在一个封闭的系统中，熵总是增大，直至最大。若要使系统的熵减少（使系统更加有序化），则必须有外部能量的干预。

信息熵的计算是非常复杂的。而具有多重前置条件的信息，更是几乎不能计算的。所以在现实世界中信息的价值大多是不能被计算出来的。但因为信息熵和热力学熵的紧密相关性，所以信息熵是可以在衰减的过程中被测定出来的。因此信息的价值是通过信息的传递体现出来的。在没有引入附加价值（负熵）的情况下，传播得越广、流传时间越长的信息越有价值。

熵首先是物理学里的名词。

在传播中是指信息的不确定性，一则高信息度的信息熵是很低的,低信息度的熵则高。具体说来，凡是导致随机事件集合的肯定性，组织性，法则性或有序性等增加或减少的活动过程，都可以用信息熵的改变量这个统一的标尺来度量。

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