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La entropía de la matriz de vectores producto

Considere la posibilidad de un random $n$ $n$ matriz $A$ cuyas entradas son elegidos de $\{0,1\}$ y un random $n$ dimensiones de vectores $x$ cuyas entradas son también elegido por el $\{0,1\}$. Suponga $n$ es grande.

¿Cuál es la (base 2) la entropía de Shannon de $Ax$? Es decir, podemos dar un gran $n$ aproximación para $H(Ax)$?

Se siente como $H(Ax)$ debe ser de al menos $n$ que es la entropía de $x$ $A$ es muy probable que sea no singular. También sabemos $H(Ax) \leq n \log_2{n}$ como podemos codificar $Ax$ $n \log_2{n}$ bits (las entradas de $Ax$ no más de $n$).

Es la entropía de la forma $n$ o de la forma $n\log_2{n}$ o algo entre los dos?

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palehorse Puntos 8268

Deje $A$ tiene el tamaño de $m\times n$ (más general), $y=A x$, $y=(y_1, y_2, \cdots y_m)$. Deje $s=\sum_{i=1}^n x_i$

A continuación, $$H(y)= H(y \mid s) + H(s) - H(s \mid y) \tag{1}$$ y podemos obligado:

$$ H(y \mid s) \le H(y) \le H(y \mid s) + H(s) \tag{2} $$ Para calcular, $H(y \mid s)$, ten en cuenta que mientras que $y=(y_1, y_2, \cdots y_m)$ no son independientes, son independientes si acondicionado en $s$. Por lo tanto

$$H(y \mid s) = m \, H(y_1 \mid s)$$

Además, $y_1 |s \sim B(s,1/2)$ (Binomial), y $s$ es también Binomio $B(n,1/2)$ por lo tanto

$$H(y \mid s) = m \sum_{s=0}^n \frac{1}{2^n}{n \choose s} h_B(s) \tag{3}$$

$$H(s) = h_B(n) \tag{4}$$

donde $$h_B(t)= - \frac{1}{2^t} \sum_{k=0}^t {t\choose k} \log\left(\frac{1}{2^t}{t \choose k}\right) = t - \frac{1}{2^t} \sum_{k=0}^t {t \choose k} \log\left({t \choose k}\right) \tag{5}$$ is the entropy of a Binomial of size $t$ and $p=1/2$.

(todos los registros en la base de las $2$ aquí).

Expresiones $(3)$ $(4)$, junto con $(2)$, proporcionar exacta de los límites. Podemos obtener una aproximación mediante la toma de la central término en $(3)$ y el uso de la asintótica $h_B(t) \approx \frac{1}{2} \log(t \, \pi e /2)$. A continuación, obtener

$$H(y|s) \approx \frac{m}{2} \log(n \pi e /4) \tag{6}$$

$$H(s) \approx \frac{1}{2} \log(n \pi e /2) \tag{7}$$

Esto sugiere que, cuando $m=n$, $H(y)$ crece como $\frac{n}{2} \log(n)$

El graps muestra de los límites y la aproximación a $(6)$ para el límite inferior.

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