交叉熵

在信息论中，基于相同事件测度的两个概率分布$p$和$q$的交叉熵（英语：Cross entropy）是指，当基于一个“非自然”（相对于“真实”分布$p$而言）的概率分布$q$进行编码时，在事件集合中唯一标识一个事件所需要的平均比特数（bit）。

给定两个概率分布$p$和$q$，$p$相对于$q$的交叉熵定义为：

$H(p,q)=\operatorname {E} _{p}[-\log q]=H(p)+D_{\mathrm {KL} }(p\|q),\!$

其中$H(p)$是$p$的熵，$D_{\mathrm {KL} }(p\|q)$是从$p$与$q$的KL散度(也被称为p相对于q的相对熵)。

对于离散分布$p$和$q$，这意味着：

$H(p,q)=-\sum _{x}p(x)\,\log q(x).\!$

对于连续分布也是类似的。我们假设$p$和$q$在测度 $r$上是绝对连续的(通常 $r$是Lebesgue measure on a Borel σ-algebra)。设$P$和$Q$分别为$p$和$q$在测度 $r$上概率密度函数。则

$-\int _{X}P(x)\,\log Q(x)\,dr(x)=\operatorname {E} _{p}[-\log Q].\!$

源起

在信息论中, 以直接可解编码模式通过值$x_{i}$编码一个信息片段，使其能在所有可能的$X$集合中唯一标识该信息片段，Kraft–McMillan theorem确保这一过程可以被看作一种$X$上的隐式概率分布$q(x_{i})=2^{-l_{i}}$，从而使得$l_{i}$是$x_{i}$的编码位长度。 因此, 交叉熵可以看作每个信息片段在错误分布$Q$下的期望编码位长度，而信息实际分布为$P$。这就是期望${E}_{p}$是基于$P$而不是$Q$的原因。

$H(p,q)=\operatorname {E} _{p}[l_{i}]=\operatorname {E} _{p}\left[\log {\frac {1}{q(x_{i})}}\right]$

$H(p,q)=\sum _{x_{i}}p(x_{i})\,\log {\frac {1}{q(x_{i})}}\!$

$H(p,q)=-\sum _{x}p(x)\,\log q(x).\!$

估计

在大多数情况下，我们需要在不知道分布$p$的情况下计算其交叉熵。例如在语言模型中, 我们基于训练集$T$创建了一个语言模型, 而在测试集合上通过其交叉熵来评估该模型的准确率。$p$是语料中词汇的真实分布，而$q$是我们获得的语言模型预测的词汇分布。由于真实分布是未知的，我们不能直接计算交叉熵。在这种情况下，我们可以通过下式来估计交叉熵:

$H(T,q)=-\sum _{i=1}^{N}{\frac {1}{N}}\log _{2}q(x_{i})$

$N$是测试集大小，$q(x)$是在训练集上估计的事件$x$发生的概率。我们假设训练集是从$p(x)$的真实采样，则此方法获得的是真实交叉熵的蒙特卡洛估计。

参考资料

• de Boer, Pieter-Tjerk; Kroese, Dirk P.; Mannor, Shie; Rubinstein, Reuven Y. A Tutorial on the Cross-Entropy Method (PDF) (pdf) 134 (1). February 2005: 19–67 [2018-02-02]. ISSN 1572-9338. doi:10.1007/s10479-005-5724-z. （原始内容存档 (PDF)于2016-10-26）.