信息论与编码第二章答案Word格式.docx
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q(xi)
知的是xi出现的可能性更小了。
从通信角度看,视xi为发送符号,yi为接收符号,Q(xi|yj)<
q(xi),
说明收到yi后使发送是否为xi的不确定性更大,这是由于信道干扰所引起的。
2.7一个马尔可夫信源如图所示,求稳态下各状态的概率分布和信源熵。
答:
由图示可知:
31
P(X1|So)P(X2|So)
44
12
P(X1|S1)-P(X1|S1)-
33
13
P(X1IS2)-P(X2|S2)-
即:
1
P(So|S2)P(Sl|S2)0p(S2|S2)
4
可得:
P(So)-P(So)-P(S2)
11
P(Si)-P(So)-P(S1)
43
P(S2)3P(Sj4P(S2)
P(So)P(SjP(S2)1
P(So)
11
得:
P(3)
P(S2)
3
ii
Hp(s°
)[p(s)IsJIogp(So|So)p(6|s°
)logp(s,|sJ]
P(S1)[p(S11s,)logp(s|S1)p(S2|S1)Iogp(s?
|sj]
p(S2)[p(So|S2)logp(So|s)p(S2|S2)logp(S>
|S2)]0.25(bit/符号)
21
28—个马尔可夫信源'
已知:
ExD3,p(x2|xD尹(心2)1皿2|瀚°
农线图,并求出信源熵。
试画出它的香
2
p(x1)-p(x1)
1p(x2)-p(x1)
p(x2)
31
p(x1)4,p(x2)4
p(x1)p(x2)1
Hp(x1)[p(x11x1)logp(x11x1)p(x21x1)logp(x2|x1)]
P(x2)[p(x1|x2)logP(x1|x2)]0.82(bit/符号)
Xx“x2
2.9
(1)对于离散无记忆信源DMS[][12],试证明:
q(x)p1p
H(X)H2(p)plogp(1p)log(1p)当p=1/2时,H(X)达到最大值。
(2)对
(1)中的DMS,考虑它的二次扩展信源
X⑵{(X1,X1),(X1,X2),(X2,X1),(X2,X2)},证明:
H(X
(2))2H(X)
证明:
(1)函数H(X)plogp(1p)log(1中的变量p在0到1中取值,
从函数的结构上可以知道该函数在区间
H(X)‘(plogp(1p)log(1p))'
.11logp
ln2ln2(1
1P
ln2(1p)
[0,1]上是关于p=1/2对称的函数。
P
在区间[0,0.5]上1-p>
p,则(1-p)/p>
1,所以log^-p0,在此区间上H(x)‘>
0,p
H(x)单调递增。
又该函数是在区间[0,1]上是关于p=1/2对称的函数,那么在区间[0.5,1]上单调递减。
H(X
(2))
p
log
p(1
p)log
p(1p)log
)
(1
)2log(1
2plogp
p)
log(
p)
2[plogp(1p)log(1p)]
p)2
2.10一副扑克牌(不用大小王),试问
(1)任意特定排列给出的信息量是多少?
(2)从52张牌中抽取13张,所给出的点数都不相同时得到多少信息量?
(3)从52张牌中任意抽取1张,然后放回,结果试为从DMS中取得样本,这个DMS的熵为多少?
(4)若(3)中不计颜色,熵又为多少?
解:
(1)l(xi)=—炯一=225.6(比特/符号)
52!
41352!
(2)I(Xi)=-炯(qj=-log(4ir)=log(i)
Os?
4*13!
*39!
(3)H(X)=N*H(X)=52*(-扩0g(W)=log52=2*|og13=7・4(比特/符号)
(4)H(x)=-log(-)=3.7(比特/符号)
13
2.11
(1)一个无偏骰子,掷骰子的熵为多少?
(2)如果骰子被改造使得某点出现的概率与其点数成正比,熵为多少?
(3)一对无偏骰子,个掷一次,得到总点数为7,问得到多少信息量?
(1)H(X)=-log(1/6)=2.58(比特/符号)
⑵
-(1
符号)
H(X)=
122334455
*(iog1)+2*(iog2)+3伽7)+7*(iog4)+5*(iog5))=2.o68(比特/
666666666
⑶l(xi)=-log(—*—*3*2)=log6=2.585(比特/符号)
66
2.12一个盒子中放有100个球,其中60个是黑色,40个球是白色
(1)随机摸取一个球,求获得的自信息量。
(2)做放回摸取n次,求这n次所得到的平均互信息量。
解:
(1)l(xi)=-log(—)=log100
100
⑵I(x,y)=log100
2.13已知平均每100个人中有2个患有某种病,为了查明病情进行某项指标的化验。
化验结果对病人总是阳性,而对于健康人来说,这项指标有一半可能为阳性,一半可能为阴性。
问这项化验对查明病情提供了多少信息量
病人:
y1,健康人:
y2
2.14一个8元编码系统,码长为4,每个码字的第一个字符相同(用于同步),若每秒产生1000个码字,求信息传输率Rt。
信息传输率定义为Rt=H(x)/(t*n)
其中,H(x)=-二」logq(Xi)
所以Rt=9*1000/4=2250(Bit/Sec)
2.15一副拼板,其中3块圆形,4块方形,5块三角形,随机排成一行,每一种排列都是等可能的,如果要求不能有2块方形相邻,可以得到多少关于拼版排列的信息?
哲!
7!
诂!
弓
I(X|Y)=-log!
=log-
3!
*4!
*5!
2.16设有一个传输系统,等概传输0、1、2、3、4、5六个数字,奇数在传输时以0.5的概
率错成其他奇数,偶数能正确接收,求此传输系统的平均互信息量。
由题意得:
H(Y)=(-—log—)*6=log6=2.585(bit/符号)
6j6
H(Y|X)=1:
P(xi)H(Y|xi)=0.75(bit/符号)
I(X;
Y)=H(Y)-H(Y|X)=2.585-0.75=1.835(bit/符号)
2.17等概信源消息集:
uO,u1,…u7,编码为u0=000,u1=001,…u7=111,通过错误概率为p的二进制对称信道BSC传输,在接收u4=100的过程中,求:
(1)1与u4之间的互信息量;
(2)10与u4之间的互信息量;
3)100与u4之间的互信息量。
PC1M)
(1)由I(1;
u4)=log..;
又q
(1)=:
—P(1|ui)=5[4(1-p)+4p]=?
(1—p)
推出I(1;
u4)=log=log2(1-p)
1/2
(2)同理,可得I(10;
u4)=2log2(1-p)
(3)
同理,可得I(100;
u4)=3log2(1-p)
大值。
qkCeAk
1a
1()k时取得最大;
1A1A
最大为:
Hm(U)
k1
qklog1Ak(LJ^
k0kqkk0(1A)k19Ak
2.19X,Y,Z为概率空间,证明下述关系式成立,并给出等号成立的条件。
(1)H(YZ|X)v=H(Y|Z)+H(Z|X)
⑵H(YZ|X)=H(Y|X)+H(Z|XY)
⑶H(X|Z)v=H(X|Y)+H(Y|Z)证明:
(1)H(Y|Z)+H(Z|X)=
i
P(%Zj)log
1
(yiIZi)
P(ZXj)log
ij
1_
(Zi|xj
P(yiZj)log
(Z|x);
(y|z)
H(YZ|X)
j
将其代入上式计算即可得原始成立;
(2):
H(YZ|X)-(H(Y|Z)+H(Z|XY))=
p(xyjZk)logp(yjZk|片)
k
p(XiyjZQlogp(yj4|xj
ijk
p(XiyjZQlogp(Zk|xyj)
(3):
H(X|Z)-H(X|Y)-H(Y|Z)
p(Xjyj)logp(yj|xj
P(XiZk)logp(x|Zk)
P(Xiyj)logp(Xi|yj)
p(yjZjogp(yj|Zk)
p(XyjZjogPWj"
k)
P(Xi|yj)
P(Xi|Zk)
<
=0
2.20对任意概率事件集X,Y,Z,证明下述三角不等式成立
H(X|Y)H(Y|Z)H(X|Z)
H(XY)H(YZ)H(XZ)
H(XY)=H(X)+H(Y|X)=H(Y)+H(X|Y);
H(YZ)=H(Y)+H(Z|Y)=H(Z)+H(Y|Z);
H(XZ)=H(Z)+H(Z|X)=H(Z)+H(X|Z);
将以上三式代入原式可证得:
H(X|Y)H(Y|Z)H(X|Z)H(XY)H(YZ)H(XZ)
2.21令XYZ为马尔可夫链,证明:
(1)I(X;
Z|Y)=O
(2)I(XY;
Z)=I(Y;
Z)
⑶I(Y;
Z|X)=I(Y;
Z)+I(X;
⑷I(Y;
Z|X)v=I(Y;
(说明:
对本题的马尔可夫链了解不够,答案仅供参考)
(1)I(X;
Z|Y)=H(Z|Y)-H(Z|XY);
H(Z|Y)p(Zk|yj)q(zjlogp(y」|互)
jk
根据马尔可夫链
H(Z|XY)p(Zk|Xiyj)q(xyj)log卩包|幼)
P(Zk|yj)q(Zi)logp(yj|Zk)
因此:
I
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