GAN中涉及的信息量,信息熵,交叉熵,KL散度,JS散度等概念

GAN中涉及的信息量,信息熵,交叉熵,KL散度,JS散度等概念


信 息 量 → 信 息 熵 → 交 叉 熵 → K L 散 度 → J S 散 度 信息量\to信息熵\to交叉熵\to KL散度\to JS散度 KLJS

信息量

− log ⁡ p ( x ) = log ⁡ 1 p ( x ) -\log p(x)=\log \frac{1}{p(x)} logp(x)=logp(x)1

信息熵

H ( p ) = H ( x ) = E x   p ( x ) [ − log ⁡ p ( x ) ] = − ∫ p ( x ) log ⁡ p ( x ) d x 或 ∑ p ( x ) log ⁡ 1 p ( x ) H(p)=H(x)=E_{x~p(x)}[-\log p(x)]=-\int p(x)\log p(x)dx或\sum p(x)\log\frac{1}{p(x)} H(p)=H(x)=Ex p(x)[logp(x)]=p(x)logp(x)dxp(x)logp(x)1

交叉熵

H ( p , q ) = − ∫ p ( x ) log ⁡ q ( x ) d x 或 ∑ p ( x ) log ⁡ 1 q ( x ) H(p,q)=-\int p(x)\log q(x)dx或\sum p(x)\log \frac{1}{q(x)} H(p,q)=p(x)logq(x)dxp(x)logq(x)1

KL散度

H ( p ) − H ( p , q ) = − ∫ p ( x ) log ⁡ p ( x ) d x − ( − ∫ p ( x ) log ⁡ q ( x ) d x ) H(p)-H(p,q)=-\int p(x)\log p(x)dx-(-\int p(x)\log q(x)dx) H(p)H(p,q)=p(x)logp(x)dx(p(x)logq(x)dx)

K L ( p ∣ ∣ q ) = ∑ p ( x ) log ⁡ p ( x ) q ( x ) KL(p||q)=\sum p(x)\log\frac{p(x)}{q(x)} KL(pq)=p(x)logq(x)p(x)

JS散度

J S ( p ∣ ∣ q ) = 1 2 K L ( p ( x ) ∣ ∣ p ( x ) + q ( x ) 2 + 1 2 K L ( q ( x ) ∣ ∣ p ( x ) + q ( x ) 2 ) JS(p||q)=\frac{1}{2}KL(p(x)||\frac{p(x)+q(x)}{2}+\frac{1}{2}KL(q(x)||\frac{p(x)+q(x)}{2}) JS(pq)=21KL(p(x)2p(x)+q(x)+21KL(q(x)2p(x)+q(x))

信息量代表的是一种不确定性;信息熵代表的是不确定性的期望值;KL散度,JS散度,交叉熵都可以用来衡量两个概率分布之间的差异性

参考
https://blog.youkuaiyun.com/neil3611244/article/details/82829103
码字不易,如果您觉得有帮助,麻烦帮我点个赞~~

### 信息熵 信息熵是一种衡量随机变量不确定性的指标。对于离型随机变量 \(X\),其概率质量函数为 \(P(X)\),则信息熵定义如下: \[ H(X) = - \sum_{i=1}^{n} P(x_i) \log_2(P(x_i)) \] 其中,\(P(x_i)\) 表示事件 \(x_i\) 发生的概率[^1]。 信息熵越高,则系统的不确定性越大;反之亦然。 --- ### 交叉熵 交叉熵是用来衡量两个概率分布之间差异的一种方法,在机器学习中广泛应用于分类任务中的损失计算。假设真实分布为 \(P\),预测分布为 \(Q\),那么交叉熵可以表示为: \[ H(P, Q) = - \sum_{i=1}^{n} P(x_i) \log(Q(x_i)) \] 这里需要注意的是,交叉熵不仅依赖于真实的概率分布 \(P\),还取决于模型预测的概率分布 \(Q\)。因此,它是评估模型性能的重要工具之一[^2]。 --- ### KL KL (Kullback-Leibler divergence),也称为相对熵,用于量化两个概率分布之间的差异程。给定两个概率分布 \(P\) 和 \(Q\),KL 的公式为: \[ D_{KL}(P || Q) = \sum_{i=1}^{n} P(x_i) \log{\frac{P(x_i)}{Q(x_i)}} \] 值得注意的是,KL 具有 **非对称性** 和 **非负性** 的特点。即通常情况下 \(D_{KL}(P || Q) \neq D_{KL}(Q || P)\)[^3]。 --- ### JS JS (Jensen-Shannon divergence)是对称版本的 KL ,解决了 KL 不对称的问题。它通过引入中间分布来实现这一点。设 \(M = \frac{1}{2}(P + Q)\),则 JS 可写成: \[ D_{JS}(P || Q) = \frac{1}{2} D_{KL}(P || M) + \frac{1}{2} D_{KL}(Q || M) \] 由于 JS 基于 KL 构建,所以它的取值范围在 \([0, 1]\) 内,并且满足对称性和有限性条件。 --- ### 定义区别与联系 | 指标 | 描述 | |------------|------------------------------------------------------------------------------------------| | **信息熵** | 测量单个随机变量本身的不确定性 | | **交叉熵** | 量两个概率分布间的差异,主要用于监督学习中的目标优化 | | **KL ** | 计算一个分布相对于另一个分布的信息增益或“距离”,是非对称的 | | **JS ** | 基于 KL 改进而来,解决非对称问题并提供更稳定的数值表现 | 这些概念都属于信息论范畴,但在实际应用中有不同的侧重点。例如,交叉熵被频繁用作神经网络训练的目标函数,而 KL 更多地出现在变分推断等领域。 --- ### 在机器学习和深学习中的作用 - **信息熵**:帮助理解数据集内部结构以及特征的重要性。 - **交叉熵**:作为分类任务的核心损失函数,指导模型参数调整以最小化误差。 - **KL **:适用于生成对抗网络 (GANs) 或变分自编码器 (VAEs) 中隐空间分布匹配的任务。 - **JS **:相比 KL 更加稳定可靠,尤其适合处理不平衡样本情况下的相似比较场景。 --- ####
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