DamiRocK

Кросс-энтропия двух экспоненциальных распределений: формула, минимум и линии уровня

Вычисляем кросс-энтропию Exp(λ₁) и Exp(λ₂), исследуем график по λ₂, находим линии уровня и связываем минимум с KL-дивергенцией.

Кросс-энтропия усредняет отрицательный логарифм одной плотности по другой. Порядок аргументов важен: распределение p задаёт, по каким значениям берётся среднее, а q — оцениваемую плотность.

Научная визуализация Линии уровня кросс-энтропии
H(P,Q)=−E_P log q(X)
Контурная карта показывает минимум кросс-энтропии при совпадении параметров модели и истинного распределения.

Условие и соглашения

Пусть p — плотность Exp(λ₁), q — плотность Exp(λ₂), обе интенсивности положительны. Найдите CE(p, q), опишите линии уровня в плоскости параметров и график по λ₂ при фиксированном λ₁, определите минимум.

Используются натуральные логарифмы и одни и те же единицы измерения переменной. В источнике решение не заполнено; ниже — редакционный вывод.

Расчёт кросс-энтропии

На x ≥ 0 плотность q(x) = λ₂e−λ₂x. Поэтому −ln q(x) = −ln λ₂ + λ₂x. При X ∼ p среднее X равно 1/λ₁:

CE(p, q) = −Ep[ln q(X)] = −ln λ₂ + λ₂/λ₁.

Поменяв p и q местами, мы получили бы −ln λ₁ + λ₁/λ₂ — в общем другое значение. Кросс-энтропия не симметрична.

График при фиксированном λ₁

Первая производная по λ₂ равна −1/λ₂ + 1/λ₁, вторая — 1/λ₂² > 0. Поэтому график строго выпуклый, убывает до λ₂ = λ₁ и возрастает после этой точки. При λ₂ → 0+ и при λ₂ → ∞ значение стремится к +∞.

Минимум достигается при λ₂ = λ₁ и равен 1 − ln λ₁.

Для построения, например при λ₁ = 1, можно использовать точки:

λ₂ CE(p, q)
1/4 ln 4 + 1/4 ≈ 1,6363
1/2 ln 2 + 1/2 ≈ 1,1931
1 1
2 2 − ln 2 ≈ 1,3069
4 4 − ln 4 ≈ 2,6137

Линии уровня

Для заданного значения c уравнение уровня имеет вид −ln λ₂ + λ₂/λ₁ = c. Выразим первый параметр через второй:

λ₁ = λ₂/(c + ln λ₂), λ₂ > e−c.

Это параметрическое описание всей линии уровня в положительной плоскости: перебираем допустимые λ₂ и вычисляем λ₁. При приближении λ₂ к e−c сверху знаменатель стремится к нулю и λ₁ растёт без ограничения.

Минимальное значение λ₁ на этой линии достигается, когда c + ln λ₂ = 1, то есть при λ₁ = λ₂ = e1−c. Эти условия и явная формула задают форму кривой для её построения.

Связь с KL-дивергенцией

Редакционное дополнение: собственная дифференциальная энтропия p равна 1 − ln λ₁. Разность кросс-энтропии и этой энтропии:

DKL(p || q) = ln(λ₁/λ₂) + λ₂/λ₁ − 1.

Положив u = λ₂/λ₁, получаем u − 1 − ln u ≥ 0 с равенством только при u = 1. Это второй способ проверить минимум. Сама дифференциальная кросс-энтропия может быть отрицательной; неотрицательной обязана быть указанная KL-дивергенция, а не каждый отдельный энтропийный член.

Параметр экспоненциального распределения · Математика.

Б. Демешев и участники · probability_pro, 24.4 · CC BY 4.0. Условие адаптировано; решение и проверка через KL добавлены.

Reading preferences

Appearance
Contrast
More options

Saved only in this browser. Your device’s reduced-motion setting is always respected. Browser zoom works throughout the site.