计算机科学的数学基础-01：信息论与随机过程

概率基础

基本概念

• 随机实验与样本空间：随机实验的所有可能结果的集合称为 样本空间 $\Omega$，其中的元素为 基本结果 Outcomes 。

• 事件：样本空间的子集 。

• 概率公理：概率 $P(E)$ 是将事件映射到区间 $[0,1]$ 的测度，必须满足 Kolmogorov 公理：

  1. 必然事件的概率 $P(\Omega) = 1$ 。
  2. 非负性 $P(A) \ge 0$ 。
  3. 可加性 $P(A \cup B) = P(A) + P(B)$ 当且仅当 $A \cap B = \emptyset$。

• 随机变量：将样本空间映射到可测空间的函数 。

常见分布

• 高斯分布：$\mathcal{N}(x|\mu,\sigma^2) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} \exp\left[-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\right]$，其中 $\mu$ 为期望，$\sigma^2$ 为方差 。
• 均匀分布：离散情况下各结果概率相等，连续情况下在区间 [a,b] 内概率密度恒为 $\frac{1}{b-a}$ 。
• 伯努利分布：描述单次二元实验，变量 $X \sim Ber(\theta)$，成功概率为 $\theta$，失败概率为 $1-\theta$ 。
• 二项分布：描述 $n$ 次独立伯努利实验中成功 $k$ 次的概率，$Bin(X=k|n,\theta) = \binom{n}{k} \theta^k (1-\theta)^{n-k}$ 。

统计量

• 数学期望：变量值的概率加权平均，反映分布的中心位置，$\mu = E[X] = \sum_{x_i \in X} x_i P(X=x_i)$。
• 方差：变量偏离期望的平方的期望，反映分布的离散程度，$\sigma^2 = E[(X-\mu)^2] = \sum_{x_i} p(x_i) \cdot (x_i - E[X])^2$。从实际样本采样时，方差的计算方式为 $\sigma^2 = \frac{1}{N-1} \sum_{i=1}^n (x_i - \mu)^2$（无偏估计）。

联合分布

• 联合概率分布：定义在多个变量状态空间笛卡尔积上的概率函数，包含变量间关系的全貌 。
• 边缘化：通过对联合分布中不需要的变量求和，提取目标变量的边缘概率分布，$P(Y) = \sum_Z P(X_1, X_2, \dots, X_n)$。
• 条件概率：已知事件 $B$ 发生的前提下，事件 $A$ 发生的概率。这代表在获得部分信息后对变量置信的更新，$P(A|B) = \frac{P(A,B)}{P(B)}$。
• 独立性：若事件 $A$ 的发生与否不提供关于 $B$ 的任何信息，则 $A$ 与 $B$ 独立，即 $P(A \cap B) = P(A)P(B)$。
• 条件独立性：在给定变量 $Z$ 的信息后，$X$ 与 $Y$ 不再相互提供额外信息，即 $P(X,Y|Z) = P(X|Z)P(Y|Z)$。
• 链式法则：任何联合分布都可以分解为条件概率的连乘：$P(X_1, \dots, X_n) = P(X_1)P(X_2|X_1)\dots P(X_n|X_1, \dots, X_{n-1})$。

贝叶斯定理

在贝叶斯框架下，推断是对未知假设 $H$ 结合新证据 $E$ 进行更新的过程：

• 先验概率 Prior Probability $P(H)$：在观测证据前对假设的初始“信念”，这个值来自对事件发生概率的主观判断或历史经验。以发病率为例，$H$ 代表发病事件，$P(H)$ 对应的就是人群中的自然发病率。
• 似然 Likelihood $L(H|E) = P(E|H)$：给定假设 $H$ 的情况下，观测到当前证据 $E$ 的发生概率，衡量假设对证据的解释能力。证据 $E$ 设定为化验阳性，$P(E|H)$ 就是发病情况下测出阳性的概率；化验这一证据的可信度，即已经测出阳性时反推到发病的可信度，就是似然 $L(E|H)$。
• 后验概率 Posterior Probability $P(H|E)$：结合证据后更新的信念。也就是化验阳性后真正得病的概率。

贝叶斯定理是更新“信念”的运算核心，即后验概率正比于先验与似然的乘积：

$$P(H|E) = \frac{P(H)P(E|H)}{P(E)} \propto P(H)L(H|E)$$

贝叶斯网络

当系统涉及数十个甚至数百个随机变量时，直接构建联合概率表会遭遇维度灾难。对于 $N$ 个二元变量，完整的联合概率表需要 $2^N$ 个参数，无法进行高效的存储与计算 。

贝叶斯网络/概率图模型 通过引入领域知识中的条件独立性，将联合分布进行紧凑化表示 ：

• 定义：由一个有向无环图和一组条件概率表构成。图中节点代表随机变量，有向边代表变量间的因果依赖 。

• 局部马尔可夫性质：每个节点在给定其父节点的情况下，与所有非后代节点条件独立。全局联合分布可以分解为局部条件概率的乘积：

  $$P(X_1, X_2, \dots, X_n) = \prod_{i=1}^n P(X_i | Parents(X_i))$$

• 【例 1】给定下图网络：

  

  自顶向下写，得到：$P(C, S, R, W, F) = P(C)P(S|C)P(R|C)P(W|S,R)P(F|R)$。

• 【例2】给定下图网络：

  
  仍然按关系图自顶向下写：$p(x_1, x_2, x_3, x_4, x_5, x_6, x_7) = p(x_1)p(x_2)p(x_3)p(x_4|x_1, x_2, x_3)p(x_5|x_1, x_3)p(x_6|x_4)p(x_7|x_4, x_5)$

信息论

信息的度量

定义一个 事件 Event，其有若干种 状态 States。对于有两个状态的事件，只需要 1 bit 来编码两个不同的状态，即 0 和 1；有四个状态时，用 2 bit 编码，对应二进制的 0,1,2,3 四个数字；以此类推，对于有 $M$ 个状态的事件，其需要用来表示状态的 bit 数为 $log_2M$。当同时跟踪 $N$ 个事件的状态时，需要的 bit 数就为 $Nlog_2M$。而对于随机事件：

• 如果一个事件经常发生（概率高），其带来的信息量较低 。
• 如果一个事件极少发生（概率低），其发生时带来的信息量较高 。
• 重复接收相同的消息不会带来新的信息 。

定义香农信息量用于量化单一事件的信息量。对于发生概率为$p$的事件，其香农信息量定义为：$SIC = log_{2}\frac{1}{p}$ bit。

熵

熵 Entropy 用来衡量随机变量概率分布不确定性，定义为分布中所有可能事件香农信息量的数学期望。对于具有离散取值状态 $\{x_{1}, \cdot\cdot\cdot, x_{M}\}$ 和对应概率分布 $(p_{1}, \cdot\cdot\cdot, p_{M})$ 的随机变量 $X$，其熵 $H(X)$ 计算为：$H(X) = \mathbb{E}\{log_{2}\frac{1}{p(X)}\} = -\sum_{x\in\mathcal{X}}p(x)log_{2}p(x)$ bit。

• 熵衡量了我们对系统输出结果的缺乏了解程度，熵越高表示系统越不确定 。
• 均匀分布产生最大的不确定性，对应最大的熵（例如公平硬币投掷的熵为1 bit） 。
• 非均匀分布的不确定性较小，对应的熵也较低（例如不公平硬币的熵小于1 bit） 。

霍夫曼编码通过让出现频率来决定编码长度来降低需要的比特数，提高空间利用效率：

• 简单按字母种类数编码的信息量：$L_{simple} = 0.70 \times 2 + 0.26 \times 2 + 0.02 \times 2 + 0.02 \times 2 = 2$ bits。
• 给出现概率高的字母短编码，出现概率低的长编码：$L_{huffman} = (0.70 \times 1) + (0.26 \times 2) + (0.02 \times 3) + (0.02 \times 3) = 1.34$ bits。

霍夫曼编码可以对信息进行无损压缩，从而去逼近信息熵来提高信息传输的效率。

联合熵与条件熵

• 联合熵 Joint Entropy：衡量两个随机变量 $X$ 和 $Y$ 联合分布的整体不确定性 ：$H(X,Y) = -\sum_{x\in\mathcal{X}}\sum_{y\in\mathcal{Y}}p(x,y)\log_{2}p(x,y)$ 。

  

• 条件熵 Conditional Entropy：表示在已知变量 $X$ 的条件下，变量 $Y$ 仍然保留的不确定性 ： $H(Y|X) = -\sum_{x\in\mathcal{X}}\sum_{y\in\mathcal{Y}}p(x,y)\log_{2}p(y|x)$。

  • 条件熵可以通过变量 $X$ 各种状态下 $Y$ 的熵的概率加权平均得出：$H(Y|X) = \sum_{x\in\mathcal{X}}p(x)H(Y|X=x)$ 。
  • 条件熵满足链式法则，即联合系统的不确定性等于 $X$ 的不确定性加上已知 $X$ 后 $Y$ 的不确定性。$H(X,Y) = H(X) + H(Y|X)$。
    

交叉熵

交叉熵 Cross Entropy 度量在真实概率分布为 $p$ 的情况下，使用假设分布 $q$ 进行编码或不确定性消除所需的平均成本 ：

$$CE(p,q) = \mathbb{E}_{x \sim p(x)}\{log\frac{1}{q(x)}\}= -\sum_{x\in\mathcal{X}}p(x)\log_{2}q(x)$$

交叉熵常被用作机器学习分类任务的损失函数。通过最小化交叉熵损失，模型驱动预测分布 $q$ 不断逼近真实数据分布 $p$ 。

相对熵

相对熵 Relative Entropy，即 KL 散度，度量使用非真实分布 $q$ 替代真实分布 $p$ 时所产生的额外信息冗余度或低效性，简单来说度量了两个概率分布之间的“距离”：

$$D_{KL}(p||q) = \sum_{x\in\mathcal{X}}p(x)\log_{2}\frac{p(x)}{q(x)}$$

相对熵具有不对称性且恒大于等于 0，当且仅当分布 $p$ 完全等同于分布 $q$ 时值为 0 。相对熵与交叉熵的关系式为 ： $D_{KL}(p||q) = CE(p,q) - H(p)$。

互信息

互信息 Mutual Information 衡量一个随机变量包含关于另一个随机变量的信息量，即观测到一个变量后，另一个变量不确定性的减少量 ：

$$I(X;Y) = \sum_{x\in\mathcal{X}}\sum_{y\in\mathcal{Y}}p(x,y)\log_{2}\frac{p(x,y)}{p(x)p(y)}$$

互信息具有对称性，即 $I(X;Y) = I(Y;X)$ 。其与熵的转换关系如下 ：

$$I(X;Y) = H(X) - H(X|Y) = H(X) + H(Y) - H(X,Y)$$

决策树分类

决策树构建的核心在于寻找最佳的特征属性节点进行分裂。最优选择标准是使分类目标变量 $Y$ 的不确定性下降最多，这一指标称为 信息增益 Information Gain。

$$IG(Y,X) = H(Y) - H(Y|X)$$

信息增益在数学定义上完全等价于目标类别 $Y$ 与特征变量 $X$ 之间的互信息 $I(X;Y)$ 。

随机过程

随机过程是一个数学模型，描述系统随时间以随机方式演变的过程 。在数学表达上，随机过程由一系列随机变量 $S_1, S_2, \dots, S_T$ 构成，其中每个变量代表系统在特定时间点的状态 。系统的演变可以通过条件概率 $\mathbb{P}[S_{t+1}|S_1,\dots,S_t]$ 量化 。

随机过程可根据时间与状态的连续性分为不同类别。例如，时间离散且状态离散的过程通常称为离散时间马尔可夫链；而时间连续状态离散的过程称为连续时间马尔可夫链。布朗运动则属于时间与状态均连续的维纳过程。

马尔可夫过程

马尔可夫过程 Markov Process 是一类具备马尔可夫性质的特殊随机过程，其性质的核心在于“无后效性”，即在给定当前状态的前提下，系统未来的状态与过去的历史状态独立 。其数学定义与重要公式表示为：对于状态序列 $S_1, S_2, \dots, S_t$，当且仅当满足下式时，该过程为马尔可夫过程 ：

$$\mathbb{P}[S_{t+1}|S_t] = \mathbb{P}[S_{t+1}|S_1, \dots, S_t]$$

由于该性质，马尔可夫过程通常可以使用有限状态机、来直观表示系统在不同状态间的随机游走 。系统的动态变化通过状态转移矩阵进行表示，矩阵中的元素 $P_{ij} = \mathbb{P}[S_i \rightarrow S_j]$ 代表从状态 $i$ 转移到状态 $j$ 的概率，且矩阵每一行的概率总和必须为1，即 $\sum_{j=1}^n P_{ij} = 1$ 。

对于存在状态转移的系统，可以通过转移矩阵计算多步后的状态分布分布 。若初始状态分布为 $\pi_0$，第 $n$ 步的状态分布为 $\pi_n = \pi_0 P^n$ 。 经过足够多次的迭代，状态分布轨迹将收敛于一个稳定值，称为平稳分布，满足 $\pi_n = \pi_{n-1} P$ 或表示为极限 $\lim_{n \to \infty} P^n$ 。

这一部分在 PageRank 中有应用：# 高级数据结构-14：PageRank 算法

马尔可夫决策过程

马尔可夫决策过程 Markov Decision Process 在马尔可夫过程的基础上，引入了 决策 Actions 与 奖励 Rewards 机制 。MDP 将状态转移公式由 $\mathbb{P}[S_{t+1}|S_t]$ 扩展为包含动作的条件概率 $\mathbb{P}[S_{t+1}|S_t, A_t]$，即下一个状态不仅取决于当前状态，还取决于所执行的决策 。

一个完整的MDP通常定义为一个五元组 $(S, A, \{P_{sa}\}, \gamma, R)$ ：

• $S$：状态空间。
• $A$：动作集合。
• $\{P_{sa}\}$：状态转移概率。
• $R$：奖励函数，定义在 $S \times A \to \mathbb{R}$ 的映射 。
• $\gamma$：折扣因子，$\gamma \in [0,1]$ ，用于权衡未来奖励在当前的价值 。 MDP的最终优化目标是在状态空间中寻找一条最优路径（策略），以最大化系统的长期累积奖励 $R_t$ 。由于未来的不确定性，需要引入折扣因子计算折扣长期回报 ：

  $$R_t = \sum_{i=t}^{\infty} \gamma^i r_i = r_t + \gamma r_{t+1} + \gamma^2 r_{t+2} + \dots$$

CS188 里有更详细的：# 4. MDPs