【機器學習基礎】熵、KL散度、交叉熵
熵（entropy）、KL 散度（Kullback-Leibler (KL) divergence）和交叉熵（cross-entropy）在機器學習的很多地方會用到。比如在決策樹模型使用資訊增益來選擇一個最佳的劃分，使得熵下降最大；深度學習模型最後一層使用 softmax 啟用函式後，我們也常使用交叉熵來計算兩個分佈的“距離”。KL散度和交叉熵很像，都可以衡量兩個分佈之間的差異，相互之間可以轉化。
1. 如何量化資訊？
ofollow,noindex">資訊理論 是應用數學的一個分支，主要研究的是對一個訊號包含資訊的多少進行量化。資訊理論的基本想法是一個不太可能的事件發生了，要比一個非常可能的事件發生，能提供更多的資訊。
在資訊理論中，我們認為：
-
- 非常可能發生的事件資訊量要比較少。在極端情況下，確保能夠發生的事件應該沒有信息量。
- 較不可能發生的事件具有更高的資訊量。
- 獨立事件應具有增量的資訊。例如，投擲的硬幣兩次正面朝上傳遞的資訊量，應該是投擲一次硬幣正面朝上的資訊量的兩倍。
為了滿足上面 3 個性質，定義了一事件 $\mbox{x} = x$ 的自資訊 （self-information）為
\begin{equation}
I(x) = -\log P(x)
\end{equation}
我們使用 $\text{x}$ 表示隨機變數，使用 $x_1, x_2,...,x_i,..., x_N$ 或者 $x$ 表示隨機變數 $\text{x}$ 可能的取值。當式（1）中 $\log$ 以 2 為底數時，$I(x)$ 單位是位元（bit）或者夏農（shannons）；當 $\log$ 以自然常數 $e$ 為底數時，$I(x)$ 單位是奈特（nats）。這兩個單位之間可以互相轉換，通過位元度量的資訊只是通過奈特度量資訊的常數倍。（使用對數換底公式轉化）
自資訊只能處理單個的輸出。我們可以使用夏農熵 （Shannon entropy）來對整個概率分佈中的不確定性總量進行量化：
\begin{equation}
H(\text{x}) = \mathbb{E}_{\text{x} \sim P}[I(x)] = \sum_{i= 1}^{N} P(x_i)I(x_i) = - \sum_{i= 1}^{N} P(x_i)\log P(x_i)
\end{equation}
式（2）後兩個等號是在離散型變數的情況下成立，對於連續型變數，則需要求積分。當 $\text{x}$ 是連續的，夏農熵被稱為微分熵 （differential entropy）。
在1948年，克勞德·艾爾伍德·夏農 將熱力學的熵，引入到資訊理論，因此它又被稱為夏農熵 。機器學習（ML）中熵的概念都是由資訊理論而來，所以在 ML 中能看到的熵都是夏農熵，而不會是熱力學的熵。
熵的一些性質：
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- 那些接近確定性的分佈（輸出幾乎可以確定）具有較低的熵。
- 那些接近均勻分佈的概率分佈具有較高的熵。
2. KL 散度
KL 散度全稱 Kullback-Leibler (KL) divergence。
KL 散度可以用來衡量兩個分佈的差異。
在概率論與統計中，我們經常會將一個複雜的分佈用一個簡單的近似分佈來代替。KL 散度可以幫助我們測量在選擇一個近似分佈時丟失的資訊量。
假設原概率分佈為 $P(\text{x})$，近似概率分佈為 $Q(\text{x})$，則使用 KL 散度衡量這兩個分佈的差異：
\begin{equation}
D_{KL}(P||Q) = \mathbb{E}_{\text{x} \sim P}[\log \frac{P(x)}{Q(x)}] = \mathbb{E}_{\text{x} \sim P}[\log P(x) - \log Q(x)]
\end{equation}
如果 $\text{x}$ 是離散型變數，式（3）還可以寫成如下形式：
\begin{equation}
D_{KL}(P||Q) = \sum_{i= 1}^{N} P(x_i) \log\frac{P(x_i)}{Q(x_i)} = \sum_{i= 1}^{N} P(x_i)[\log P(x_i) - \log Q(x_i)]
\end{equation}
對於連續型變數，則式（4）不能這麼寫，需要求積分。如果 $\text{x}$ 是連續型變數，則式（3）中概率分佈最好用 $p(\text{x})$和$q(\text{x})$ 代替 $P(\text{x})$和$Q(\text{x})$。習慣上，用小寫字母表示連續型變數的概率密度函式（probability density function，PDF），用大寫字母表示離散型變數的概率質量函式（probability mass function，PMF）。（PDF和PMF都是用來描述概率分佈）
KL 散度的一些性質：
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- KL 散度是非負的。
- KL 散度為 0，當且僅當 $P$ 和 $Q$ 在離散型變數的情況下是相同的分佈，或者在連續型變數的情況下是“幾乎處處”相同的。
- KL 散度不是真的距離，它不是對稱的，即 $ D_{KL}(P||Q) \ne D_{KL}(Q||P)$。
3. 交叉熵
交叉熵（cross-entropy）和 KL 散度聯絡很密切。同樣地，交叉熵也可以用來衡量兩個分佈的差異。以離散型變數 $\text{x}$ 為例：
\begin{equation}
H(P, Q) = - \mathbb{E}_{\text{x} \sim P}\log Q(x) = - \sum_{i= 1}^{N} P(x_i) \log Q(x_i)
\end{equation}
交叉熵 $H(P, Q) = H(P) + D_{KL}(P||Q)$。其中 $H(P)$（即 $H(\text{x})$ ，其中 $\text{x} \sim P$）為分佈 $P$ 的熵，$D_{KL}(P||Q)$ 表示兩個分佈的 KL 散度。當概率分佈 $P(\text{x})$ 確定了時，$H(P)$ 也將被確定，即 $H(P)$ 是一個常數。在這種情況下，交叉熵和 KL 散度就差一個大小為 $H(P)$ 的常數。下面給出一個簡單的推導：
我們將式（4）中 KL 散度的公式再進行展開：
\begin{equation}\label{equ:tpr}
\begin{split}
D_{KL}(P||Q) &= \sum_{i= 1}^{N} P(x_i)[\log P(x) - \log Q(x)] \\ &= \sum_{i= 1}^{N} P(x_i) \log P(x_i) - \sum_{i= 1}^{N} P(x_i) \log Q(x_i) \\ &= -[- \sum_{i= 1}^{N} P(x_i) \log P(x_i)]+ [ - \sum_{i= 1}^{N} P(x_i) \log Q(x_i) ] \\ &= - H(P) + H(P, Q)
\end{split}
\end{equation}
即 $H(P, Q) = H(P) + D_{KL}(P||Q)$。
交叉熵的一些性質：
-
- 非負。
- 和 KL 散度相同，交叉熵也不具備對稱性，即 $H(P, Q) \ne H(Q,P)$。
- 對同一個分佈求交叉熵等於對其求熵。
為什麼既有 KL 散度又有交叉熵？在資訊理論中，熵的意義是對 $P$ 事件的隨機變數編碼所需的最小位元組數，KL 散度的意義是“額外所需的編碼長度”如果我們使用 $Q$ 的編碼來表示 $P$，交叉熵指的是當你使用 $Q$ 作為密碼來表示 $P$ 是所需要的 “平均的編碼長度”。但是在機器學習評價兩個分佈之間的差異時，由於分佈 $P$ 會是給定的，所以此時 KL 散度和交叉熵的作用其實是一樣的，而且因為交叉熵少算一項，更加簡單，所以選擇交叉熵會更好。
References
Goodfellow, I., Bengio, Y., & Courville, A. (2016). Deep Learning.