Mengapa divergensi KL adalah non-negatif?


18

Mengapa divergensi KL non-negatif?

Dari perspektif teori informasi, saya memiliki pemahaman yang intuitif:

Katakanlah ada dua ansambel A dan B yang terdiri dari himpunan elemen yang sama dengan label x . p(x) dan q(x) adalah distribusi probabilitas yang berbeda atas masing-masing ensemble A dan B

Dari perspektif teori informasi, adalah sedikitnya jumlah bit yang diperlukan untuk merekam elemen x untuk ensemble A . Sehingga harapan Σ x ∈ e n s e m b l e - p ( x ) ln ( p ( x ) ) dapat diartikan sebagai setidaknya berapa banyak bit yang kita butuhkan untuk merekam elemen di A rata-rata.log2⁡(P(x))xA

∑x∈ensemble−p(x)ln⁡(p(x))
A

Karena rumus ini menempatkan batas bawah pada bit yang kita butuhkan rata-rata, sehingga untuk ansambel yang berbeda yang menghasilkan distribusi probabilitas q yang berbeda ( x ) , batasan yang diberikannya untuk setiap elemen x pasti tidak akan menggigit yang diberikan oleh p ( x ) , yang berarti mengambil ekspektasi, ∑ x ∈ e n s e m b l e - p ( x ) ln ( q ( x ) )Bq(x)xp(x)

∑x∈ensemble−p(x)ln⁡(q(x))
Rata-rata lama ini pasti akan lebih besar dari yang pertama satu, yang mengarah ke
Saya tidak menaruh≥ disini karenap(x)danq(x)berbeda.
∑x∈ensemblep(x)ln⁡(p(x))ln⁡(q(x))>0
≥p(x)q(x)

Ini adalah pemahaman intuitif saya, apakah ada cara yang murni matematis untuk membuktikan perbedaan KL adalah non-negatif? Masalahnya dapat dinyatakan sebagai:

Diberikan dan q ( x ) keduanya positif atas garis nyata, dan ∫ + ∞ - ∞ p ( x ) d x = 1 , ∫ + ∞ - ∞ q ( x ) d x = 1 . Buktikan ∫ + ∞ - ∞ p ( x ) ln p ( x )p(x)q(x)∫−∞+∞p(x)dx=1∫−∞+∞q(x)dx=1 adalah non-negatif.

∫−∞+∞p(x)ln⁡p(x)q(x)

Bagaimana ini bisa dibuktikan? Atau dapatkah ini dibuktikan tanpa syarat tambahan?


1
Jika Anda memahami bukti ketidaksamaan Fano, mudah untuk mendapatkan nonnegativitas dari entropi relatif.
— Lerner Zhang

Jawaban:


30

Bukti 1:

dalam⁡Sebuah≤Sebuah-1Sebuah>0

-DKL.(hal||q)≤0DKL.(hal||q)≥0

-D(hal||q)=-∑xhal(x)dalam⁡hal(x)q(x)=∑xhal(x)dalam⁡q(x)hal(x)≤(Sebuah)∑xhal(x)(q(x)hal(x)-1)=∑xq(x)-∑xhal(x)=1-1=0

Untuk ketidaksetaraan (a) kami menggunakan dalam ketimpangan dijelaskan di awal.

Alternatively you can start with Gibbs' inequality which states:

−∑xp(x)log2⁡p(x)≤−∑xp(x)log2⁡q(x)

Then if we bring the left term to the right we get:

∑xp(x)log2⁡p(x)−∑xp(x)log2⁡q(x)≥0∑xp(x)log2⁡p(x)q(x)≥0

The reason I am not including this as a separate proof is because if you were to ask me to prove Gibbs' inequality, I would have to start from the non-negativity of KL divergence and do the same proof from the top.


Proof 2: We use the Log sum inequality:

∑i=1nailog2⁡aibi≥(∑i=1nai)log2⁡∑i=1nai∑i=1nbi

Then we can show that DKL(p||q)≥0:

D(p||q)=∑xp(x)log2⁡p(x)q(x)≥(b)(∑xp(x))log2⁡∑xp(x)∑xq(x)=1⋅log2⁡11=0

where we have used the Log sum inequality at (b).


Proof 3:

(Taken from the book "Elements of Information Theory" by Thomas M. Cover and Joy A. Thomas)

−D(p||q)=−∑xp(x)log2⁡p(x)q(x)=∑xp(x)log2⁡q(x)p(x)≤(c)log2⁡∑xp(x)q(x)p(x)=log2⁡1=0

where at (c) we have used Jensen's inequality and the fact that log is a concave function.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.