Энтропия непрерывного источника информации
Энтропия непрерывного источника информации должна быть бесконечна, т. к. неопределенность выбора из бесконечно большого числа возможных состояний бесконечно велика. (на самом деле это только некорректная математическая модель, так как реальные сигналы занимают ограниченный спектр частот, а значит, могут быть представлены дискретными значениями через некоторый шаг, определяемый теоремой Котельникова; кроме того реальные сигналы не могут быть измерены с бесконечной точностью, так как имеются шумы линии и ошибка измерения, а это значит, что по шкале динамического диапазона непрерывный сигнал тоже может быть представлен конечным числом различимых квантовых уровней - примечание К.А. Хайдарова)
Разобьем диапазон изменения непрерывной случайной величины U на конечное число n малых интервалов Du. При реализации значений u в интервале (un, un+Du) будем считать, что реализовалось значение un дискретной случайной величины U', вероятность реализации которой:
p(un<u<un+Du) =
p(u) du » p(un) Du.
Энтропия дискретной величины U':
H(U') = -
p(un) Du log (p(un) Du).
Заменяем log (p(u
n) Du) = log p(un)+log Du, принимаем во внимание, что сумма p(un)Du по всем возможным значениям un равна 1, и получаем:H(U') = -p(un) Du log p(un) – log Du. (1.4.4)
В пределе, при
Du ® 0, получаем выражение энтропии для непрерывного источника:H(U) = -
p(u) log p(u) du –
. (1.4.5)
Значение энтропии в (1.4.5), как и ожидалось, стремится к бесконечности за счет второго члена выражения. Для получения конечной характеристики информационных свойств непрерывных сигналов используют только первый член выражения (1.4.5), получивший название дифференциальной энтропии
. Ее можно трактовать, как среднюю неопределенность выбора произвольной случайной величины по сравнению со средней неопределенностью выбора случайной величины U', имеющей равномерное распределение в диапазоне (0-1). Действительно, для такого распределения p(un) = 1/N, Du = 1/N, и при N ® Ґ из (1.4.4) следует:H(U') = - (log N)/N - log Du ® -.
Соответственно, разность энтропий дает дифференциальную энтропию:
h(U) = H(U) – H(U') = -p(u) log p(u) du. (1.4.6)
Дифференциальная энтропия не зависит от конкретных значений величины U:
h(U+a) = h(U), a = const,
но зависит от масштаба ее представления:
h(kU) = h(U) + log k.
Практика анализа и обработки сигналов обычно имеет дело с сигналами в определенном интервале [a, b] их значений, при этом максимальной дифференциальной энтропией обладает равномерное распределение значений сигналов:
h(U) = -
p(u) log p(u) du = log (b-a).
По мере сужения плотности распределения значение h(U) уменьшается, и в пределе при p(u)
® d(u-c), a<c<b стремится к нулю.(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
|
|
 |