python实现互信息和条件互信息的计算

最近在研究信息论的时候,需要计算两个变量之间的互信息和条件互信息,计算公式如下。
在这里插入图片描述
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在python的api里只找到了互信息的函数:

from sklearn.metrics import mutual_info_score
X = [1,1,2]
Y = [2,3,1]
# 计算X和Y之间的互信息
print(mutual_info_score(X, Y))

但是没有找到条件互信息的代码,于是自己动手实现了一下互信息和条件互信息的代码,以免需要用到的朋友再重复造轮子了。
注意在计算中所用到的对数均是以自然对数e为底。互信息的代码没有用dataframe,有点繁琐。

互信息:

# 互信息计算公式 I(X;Y) = sigma(p_xy * ln(p_xy/(p_x * p_y)))
# 输入为一个dataframe,有两列数据,计算并返回的是这两列之间的互信息值
def mutualInfo(data):
    X = np.asarray(data.iloc[:, 0])
    Y = np.asarray(data.iloc[:, 1])
    # 使用字典统计每一个x元素出现的次数
    d_x = dict()  # x的字典
    for x in X:
        if x in d_x:
            d_x[x] += 1
        else:
            d_x[x
条件互信息是指在已知一个随机变量的条件下,另一个随机变量的互信息。在Python中,我们可以使用以下代码实现条件互信息计算: ```python import math def conditional_entropy(x, y): """ 计算条件熵H(X|Y) :param x: 随机变量X :param y: 随机变量Y :return: 条件熵H(X|Y) """ xy_count = {} y_count = {} for i in range(len(x)): if y[i] not in y_count: y_count[y[i]] = 0 y_count[y[i]] += 1 if (x[i], y[i]) not in xy_count: xy_count[(x[i], y[i])] = 0 xy_count[(x[i], y[i])] += 1 # 计算H(Y) hy = 0 for k, v in y_count.items(): p = v / len(y) hy += -p * math.log2(p) # 计算H(X, Y) hxy = 0 for k, v in xy_count.items(): p = v / len(x) py = y_count[k[1]] / len(y) hxy += -p * math.log2(py * p) # 计算H(X|Y) hxy_y = hxy - hy return hxy_y def conditional_mutual_information(x, y, z): """ 计算条件互信息I(X;Y|Z) :param x: 随机变量X :param y: 随机变量Y :param z: 随机变量Z :return: 条件互信息I(X;Y|Z) """ return conditional_entropy(x, z) - conditional_entropy(x, y+z) ``` 其中,`conditional_entropy`函数用于计算条件熵H(X|Y),`conditional_mutual_information`函数用于计算条件互信息I(X;Y|Z)。在计算条件互信息时,我们需要将随机变量YZ组合在一起作为条件。 使用示例: ```python x = [1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1] y = [1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0] z = [0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1] cmi = conditional_mutual_information(x, y, z) print(cmi) # 输出结果为0.09136415540489636 ``` 上述代码中,我们首先定义了三个随机变量X、Y、Z,然后计算了在已知Z的条件下,XY的条件互信息
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