Количество информации в индивидуальных событиях

Единицы измерения энтропии и количества информации

Рассмотрим теперь вопрос о единицах измерения количества информации и энтропии. Из определений I и H следует их безразмерность, а из линейности их связи — одинаковость их единиц. Поэтому будем для определенности говорить об энтропии. Начнем с дискретного случая. За единицу энтропии примем неопределенность случайного объекта, такого, что

H(X) = -∑p_i⋅log(p_i) = 1

Легко установить, что для однозначного определения единицы измерения энтропии необходимо конкретизировать число m состояний объекта и основание логарифма. Возьмем для определенности наименьшее число возможных состояний, при котором объект еще остается случайным, т.е. m=2, и в качестве основания логарифма также возьмем число 2. Тогда из равенства

-p₁⋅log₂(p₂)-p₂⋅log₂(p₂) = 1

вытекает, что p₁=p₂=1/2. Следовательно, единицей неопределенности служит энтропия объекта с двумя равновероятными состояниями. Эта единица получила название «бит». Бросание монеты дает количество информации в один бит. Другая единица «нит» получается, если использовать натуральные логарифмы. Обычно она употребляется для непрерывных величин.

Остановимся еще на одном важном моменте. До сих пор речь шла о среднем количестве информации, приходящемся на пару состояний (x_i,y_k) объектов X и Y. Эта характеристика естественна для рассмотрения особенностей стационарно функционирующих систем, когда в процессе функционирования принимают участие все возможные пары (x_i,y_k). Однако в ряде практических случаев оказывается необходимым рассмотреть информационное описание конкретной пары состояний, оценить содержание информации в конкретной реализации сигнала. Тот факт, что некоторые сигналы несут информации намного больше, чем другие, виден на примере того, как отбираются новости средствами массовой информации (о рождении шестерых близнецов сообщают практически все газеты мира, а о рождении двойни не пишут).

Допуская существование количественной меры информации (x_i,y_k), в конкретной паре (x_i,y_k) естественно потребовать, чтобы индивидуальное и среднее количество информации удовлетворяли соотношению

I(X,Y) - M{i(x_i,y_k)} = ∑p(x_i,y_k)⋅i(x_i,y_k) (5)

Хотя равенство имеет место не только при равенстве всех слагаемых, сравнение формул (5) и, например, (4) наталкивает на мысль, что мерой индивидуальной информации в дискретном случае может служить величина

i(x_i,y_k) = log{p(x_i/y_k)/p(x_i)} = log{p(y_k/x_i)/p(y_k)} = log{p(x_i,y_k)/[p(x_i)⋅p(y_k)]}. (6)

а в непрерывном — величина

i(x,y) = ln{p(x/y) / p(x)} = ln{{p(y/x) / p(y)} = ln{p(x,y) / p(x)p(y)}, (7)

называемая «информационной плотностью». Свойства этих величин согласуются с интуитивными представлениями и, кроме того, доказана единственность меры, обладающей указанными свойствами. Полезность введения понятия индивидуального количества информации проиллюстрируем на следующем примере.