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信息论与编码第二章答案

第二章信息的度量

2.1 信源在何种分布时，熵值最大？又在何种分布时，熵值最小？

答：信源在等概率分布时熵值最大；信源有一个为1，其余为0时熵值最小。

2.2 平均互信息量I(X;Y)与信源概率分布q(x)有何关系？与p(y|x)又是什么关系？

答：

若信道给定，I(X;Y)是q(x)的上凸形函数；若信源给定，I(X;Y)是q(y|x)的下凸形函数。

2.3 熵是对信源什么物理量的度量？

答：平均信息量

2.4 设信道输入符号集为{x1,x2,……xk}，则平均每个信道输入符号所能携带的最大信息量是多少？

答：k

xi q xi q X H i

log 1log

1)(log )()

(=-

=-=∑

2.5 根据平均互信息量的链规则，写出I(X;YZ)的表达式。

答：)|;();();(Y Z X I Y X I YZ

X I +=

2.6 互信息量I(x;y)有时候取负值，是由于信道存在干扰或噪声的原因，这种说法对吗？

答：互信息量)

()|(log

)

;(xi q yj xi Q y x I =，若互信息量取负值，即Q(xi|yj)

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)

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：4

3)|(4

1)|(32)|(31)|(41)|(43)|(222111110201=

s x p s x p s x p s x p s x p s x p

即：

3)|(0)|(4

1)|(31)|(32)|(0)|(0

)|(4

1)|(4

3)|(222120121110020100=

====

s s p s s p s s p s s p s s p s s p s s p s s p s s p

可得：

)()()()

(43)(31)()(31)(41)()(41)(43)(210212101200=+++

+=+=s p s p s p s p s p s p s p s p s p s p s p s p

得：11

4)(113)

(114)(210=

s p s p s p

+-+-+-=)]|(log )|()|(log )|()[()]|(log )|()|(log )|()[()]|(log )|()|(log )|()[(222220202121211111010100000s s p s s p s s p s s p s p s s p s s p s s p s s p s p s s p s s p s s p s s p s p H 0.25（bit/符号）

2.8 一个马尔可夫信源，已知：0

)2|2(,1)2|1(,3

1)1|2(,3

2)1|1(===

x x p x x p x x p x x p 试画出它的香

农线图，并求出信源熵。答：

)2()1()

1(3

1)2()2()1(32)1(=+=

x p x p x p x p x p x p x p

1)2(,4

3)1(=

x p x p

)

/(82.0)]2|1(log )2|1()[2()]1|2(log )1|2()1|1(log )1|1()[1(符号bit x x p x x p x p x x p x x p x x p x x p x p H =-+-=

2.9 （1）对于离散无记忆信源DMS ]1[

])

([

21p

x x X q X -=，试证明：

)1log()1(log )()(2p p p p p H X H ----==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

)}

,(),,(),,(),,{(22122111)

2(x x x x x x x x X

=，证明：)

(2)()

2(X H X

H =

证明：（1）函数

)

1log()1(log )(p p p p X H ----=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[0,1]上是关于p=1/2对称的函数。

p p p p p p p p p p p p p p X H -=-

--+

-=--

-+-+

-=----=1log

ln 1)

1(2ln 11log

)

1(2ln )1log()

1(2ln 12ln 1log ))1log()1(log ()(,

在区间[0，0.5]上1-p>p,则（1-p ）/p>1，所以0

1log >-p

p ，在此区间上,)(x H >0，

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。所以，)1log()1(log )()(2p p p p p H X H ----==

当

p=1/2时，H(X)达到最大值。

(2)二次扩展后的矩阵：

])

1()

1()1([

])

([2

22122

2111p p p x x x x p p p

x x x x X q X ---=

)

(2)]1log ()1(log

[2)

1log ()1(2log 2)

1log ()1()1(log )1()1(log

)1(log )(2

)

2(X H p p p p p p p p p p p p p p p p p p p

H =----=----=------

----=

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）I(xi)= —㏒??

??!521=225.6（比特/符号）（2）I(x i )= -㏒(q i )= -log(13

134

c )=log(i

39!*13*4

!5213

)

(3)H(X)= N*H(x)=52*(-52

1*log(52

1))=log52=2*log13=7.4(比特/符号)

（4）H(x)= -log(

1)=3.7(比特/符号)

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？解：（1）H(X)=-log(1/6)=2.58(比特/符号) (2) H(X)= -(61

*(log

1)+

2*(log

2)+

3*(log

3)+

4*(log

4)+

5*(log

5))=2.068(比特/

符号)

(3) I(x i )= -log(

1*3*2)= log6=2.585(比特/符号)

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) I(x i )= -log(100

1)= log100

(2)I(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? 解：

病人：y1，健康人:y2

12149()50

50Y Y Y W Y

????=?

?????

11(|)1X Y Φ= ; 12221(|)(|)2

X Y X Y Φ=Φ=

111111()()()50

P X Y W Y X Y =Φ=

1249()50P X Y = 2249()100

P X Y =

(|)()lo g ()0.056i j j i i

H Y X p X Y y y b it

=-Φ=∑∑

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R t 。

答：信息传输率定义为R t =H （x ）/（t*n ）其中，H （x ）= -logq （x i ）

所以R t =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？

答：I （X|Y ）= -log =log

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。

答：由题意得：H（Y）=（-log）*6=log6=2.585（bit/符号）

H（Y|X ）=H(Y|x i)=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：u0，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。

答：（1）由I（1；u4）=log；

又q(1)=p(1|u i )=[4(1-p)+4p]=

推出I（1；u4）=log=log2(1-p)

（2）同理，可得I（10；u4）=2log2(1-p)

（3）同理，可得I（100；u4）=3log2(1-p)

2.18求出概率分布{qk，k =0,1,2，…}，使在限制条件

k A

∞

∑下，熵达到最大值。

答：

()

A k k

q C e

A A

时取得最大；

最大为：

1(1) ()lo g lo g

(1)

k m k k k

k k

A k A

H U q

q A A

+∞∞

∑∑

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)<=H(Y|Z)+H(Z|X)

(2)H(YZ|X)=H(Y|X)+H(Z|XY)

(3) H(X|Z)<=H(X|Y)+H(Y|Z) 证明：

(1)H(Y|Z)+H(Z|X)= 11()lo g

()lo g

(|)

i j i j i

i i i i p y z p z x y z z x +

ΦΦ∑∑

∑∑

=(|)()lo g

(|)

i i i j i

i i z x p y z y z ΦΦ∑

∑

；

(|)()lo g (|)i

j k j k i i

H YZ X p x y z p y z x =-∑

∑∑

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))=

()lo g (|)()lo g (|)

()lo g (|)

i j k j k i i j j i i

i j k k i j i

p x y z p y z x p x y p y x p x y z p z x y -++∑

∑∑

∑

∑∑

（3）：

H(X|Z)-H(X|Y)-H(Y|Z)

= ()lo g (|)()lo g (|)

()lo g (|)

(|)(|)

()lo g

(|)

i k i k i j i j i

j k j k j

j k i j i j k i

i k p x z p x z p x y p x y p y z p y z p y z p x y p x y z p x z -++?=

∑

∑∑

∑

∑∑∑

<=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 X Y H Y Z H X Z

≥

答：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 X Y H YZ H X Z +

≥

；

2.21 令X →Y →Z 为马尔可夫链，证明：

(1)I(X;Z|Y)=0 (2)I(XY;Z)=I(Y;Z)

(3)I(Y;Z|X)=I(Y;Z)+I(X;Z) (4)I(Y;Z|X)<=I(Y;Z)

(说明：对本题的马尔可夫链了解不够，答案仅供参考) 答：(1) I(X;Z|Y)=H(Z|Y)-H(Z|XY);

(|)(|)()lo g (|)k j i j k j

H Z Y p z y q z p y z =-∑

∑

根据马尔可夫链

(|)(|)()lo g (|)k i j i j k i j i

H Z X Y p z x y q x y p z x y =-∑

∑∑

(|)()lo g (|)k j i j k j

p z y q z p y z =-∑

∑

因此：I （X;Z|Y ）=0;

(2)由（1）同理可得：I(XY;Z)=I(Y;Z);

(3)根据（1）（2）可得：I(Y;Z|X)=I(Y;Z)+I(X;Z);

(4)

(;|)(;)(;)(;)(;)

H Y Z X I Y Z I X Z I X Y Z I Y Z =+≤=

2.22

证明概率分布1

...

(1)...

...(1)i

i x x x x x

q p p p p p ---?

??=?

??????

的熵为H （x ）=2()H P P 。答：二次扩张后，可以将信源记为如下形式：

21122

2()

()(1)

(1)

i i

x x x x x x x q x p p p p p p p ++???++?????????????

=???

???-???

?-????

?? ()()lo g ()x

H x q x q x =-∑

二由以上的扩张后的信源我们可以得到：

2()()lo g ()x

H x q q x q x =-∑；

因此：H （x ）=2()H P P

。

2.23 应用熵与互信息的链规则证明：I(X;Y)= 11

(;|)n n

i j i j i j I x y X Y --==∑∑

。

答：

2.24 信源信息集X={0,1}，信宿信息集Y={0,1}，信源等概分布，通过二进制信道

[

]0.760.24

0.32

0.68

(|)p y x ?

????

传输，求： (1) 该系统的平均互信息量

(2) 接收到y=0后，所提供的关于x 的平均互信息量I{X ；0}。答：

(1) 由(;)()()I X Y H Y H Y X =-

设信宿符号接收概率分别为0q 和1q

010

10.760.240.76

0.241

1[][][][0.540.46]0.32

0.680.32

0.682

2q q p p ????

===?

?????

()(0.54,0.46)0.9954H Y H ==bit/符号

(2) []1

1()()(0.76,0.24)(0.32,0.68)0.84972

i i H Y X p H Y i H H ===

+=∑bit/符号

从而(;)()()I X Y H Y H Y X =-=0.9954-0.8497=0.146bit/符号

2.25 传输系统的输入符号集X={x0,x1,x2,x3},输出符号集Y={y0，y1，y2}，输

入符号与输出符号的联合概率p(x y)用下述矩阵表示

[

0123

0.1000.20.10()00.30.200

0.1y y y x x p xy x x ???

?????

????

计算H(X),H(Y),H(Y|X),H(X Y)及I(X;Y),并与维拉图对照。

答：

由联合概率分布可求得X 和Y 的一维概率分布[]0.1

0.3

0.5

0.1X P =，

[]0.3

0.4

0.3Y P =及转移概率矩阵10021033320550

P ??

??????=??????????

()(0.1,0.3,0.5,0.1) 1.685H X H ==bit/符号

()(0.3,0.4,0.3) 1.571H Y H ==bit/符号

2132

()()()0.1(1,0,0)0.3(

,,0)0.5(,,0)0.1(0,0,1)3355

H Y X p x H Y x H H H H ==+++∑ 2132

0.3(,)0.5(,)0.76133

H H =+=bit/符号

()()() 1.6850.761 2.446H X Y H X H Y X =+=+=bit/2符号

(;)()()()() 1.5710.7610.81I X Y H X H X Y H Y H Y X =-=-=-=

答案~信息论与编码练习

1、有一个二元对称信道，其信道矩阵如下图所示。设该信道以1500个二元符号/秒的速度传输输入符号。现有一消息序列共有14000个二元符号，并设在这消息中P(0)=P(1)=1/2。问从信息传输的角度来考虑，10秒钟内能否将这消息序列无失真地传送完？解答：消息是一个二元序列，且为等概率分布，即P(0)=P(1)=1/2，故信源的熵为H(X)=1(bit/symbol)。则该消息序列含有的信息量＝14000(bit/symbol)。下面计算该二元对称信道能传输的最大的信息传输速率：信道传递矩阵为：信道容量（最大信息传输率）为： C=1-H(P)=1-H(0.98)≈0.8586bit/symbol 得最大信息传输速率为： Rt ≈1500符号/秒× 0.8586比特/符号 ≈1287.9比特/秒 ≈1.288×103比特/秒此信道10秒钟内能无失真传输得最大信息量＝10× Rt ≈ 1.288×104比特可见，此信道10秒内能无失真传输得最大信息量小于这消息序列所含有的信息量，故从信息传输的角度来考虑，不可能在10秒钟内将这消息无失真的传送完。 2、若已知信道输入分布为等概率分布，且有如下两个信道，其转移概率矩阵分别为：试求这两个信道的信道容量，并问这两个信道是否有噪声？ 3 、已知随即变量X 和Y 的联合分布如下所示： 01 100.980.020.020.98P ?? =?? ??11112222 1111222212111122221111222200000000000000000000000000000000P P ????????????==????????????11 222 2111 2222 2 log 4(00)1/()log 42/log 8(000000)2/(),H bit symbol H X bit symbol C C H bit symbol H X C =-===>=-==1解答：(1)由信道1的信道矩阵可知为对称信道故C 有熵损失，有噪声。(2)为对称信道，输入为等概率分布时达到信道容量无噪声

信息论与编码理论习题答案

信息论与编码理论习题答案 LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】

第二章信息量和熵八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步，每秒1000个码字，求它的信息速率。解：同步信息均相同，不含信息，因此每个码字的信息量为 2?8log =2?3=6 bit 因此，信息速率为 6?1000=6000 bit/s 掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为：(a) 7; (b) 12。问各得到多少信息量。解：(1) 可能的组合为 {1，6},{2，5},{3，4},{4，3},{5，2},{6，1} )(a p =366=6 1 得到的信息量 =) (1 log a p =6log = bit (2) 可能的唯一，为 {6，6} )(b p =361 得到的信息量=) (1 log b p =36log = bit 经过充分洗牌后的一副扑克（52张），问： (a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？ (b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量？解：(a) )(a p =! 521 信息量=) (1 log a p =!52log = bit (b) ? ??????花色任选种点数任意排列 13413!13 )(b p =13 52134!13A ?=1352 13 4C 信息量=1313 52 4log log -C = bit 随机掷3颗骰子，X 表示第一颗骰子的结果，Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和， Z 表示3颗骰子的点数之和，试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、 )|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。

信息论与编码课后习题答案

1．有一个马尔可夫信源，已知p(x 1|x 1)=2/3，p(x 2|x 1)=1/3，p(x 1|x 2)=1，p(x 2|x 2)=0，试画出该信源的香农线图，并求出信源熵。解：该信源的香农线图为： 1/3 ○ ○ 2/3 (x 1) 1 (x 2) 在计算信源熵之前，先用转移概率求稳定状态下二个状态x 1和 x 2 的概率)(1x p 和)(2x p 立方程：)()()(1111x p x x p x p =+)()(221x p x x p =)()(2132x p x p + )()()(1122x p x x p x p =+)()(222x p x x p =)(0)(2131x p x p + )()(21x p x p +=1 得4 3 1)(=x p 4 12)(=x p 马尔可夫信源熵H = ∑∑- I J i j i j i x x p x x p x p )(log )()( 得 H=0.689bit/符号 2．设有一个无记忆信源发出符号A 和B ，已知4 341)(.)(= =B p A p 。求： ①计算该信源熵； ②设该信源改为发出二重符号序列消息的信源，采用费诺编码方法，求其平均信息传输速率； ③又设该信源改为发三重序列消息的信源，采用霍夫曼编码方法，求其平均信息传输速率。解：①∑- =X i i x p x p X H )(log )()( =0.812 bit/符号 ②发出二重符号序列消息的信源,发出四种消息的概率分别为用费诺编码方法代码组 b i BB 0 1 BA 10 2 AB 110 3 AA 111 3 无记忆信源 624.1)(2)(2 ==X H X H bit/双符号平均代码组长度 2B =1.687 bit/双符号 B X H R )(22==0.963 bit/码元时间 ③三重符号序列消息有8个,它们的概率分别为用霍夫曼编码方法代码组 b i BBB 64 27 0 0 1 BBA 64 9 0 )(6419 1 110 3

信息论与编码试题集与答案(2014)

一填空题 1、平均自信息为表示信源的平均不确定度，也表示平均每个信源消息所提供的信息量。平均互信息表示从Y 获得的关于每个X 的平均信息量，也表示发X 前后Y 的平均不确定性减少的量，还表示通信前后整个系统不确定性减少的量。 2、最大离散熵定理为：离散无记忆信源，等概率分布时熵最大,最大熵值为。 3、香农公式为为保证足够大的信道容量，可采用（1）用频带换信噪比；（2）用信噪比换频带。 4、只要，当N 足够长时，一定存在一种无失真编码。 5、当R ＜C 时，只要码长足够长，一定能找到一种编码方法和译码规则，使译码错误概率无穷小。 6、1948年，美国数学家香农发表了题为“通信的数学理论”的长篇论文，从而创立了信息论。 7.人们研究信息论的目的是为了高效、可靠、安全地交换和利用各种各样的信息。 8.信息的可度量性是建立信息论的基础。 9.统计度量是信息度量最常用的方法。 10、单符号离散信源一般用随机变量描述，而多符号离散信源一般用随机矢量描述。 11、一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量称为自信息量，定义为其发生概率对数的负值。 12、自信息量的单位一般有比特、奈特和哈特。 13、必然事件的自信息是 0 。 14、不可能事件的自信息量是 ∞ 。 15、两个相互独立的随机变量的联合自信息量等于两个自信息量之和。 16、数据处理定理：当消息经过多级处理后，随着处理器数目的增多，输入消息与输出消息之间的平均互信息量趋于变小。 17、离散平稳无记忆信源X 的N 次扩展信源的熵等于离散信源X 的熵的 N 倍。 18、离散平稳有记忆信源的极限熵，=∞H )/(lim 121-∞→N N N X X X X H 。 19、对于n 元m 阶马尔可夫信源，其状态空间共有 n m 个不同的状态。 20、一维连续随即变量X 在[a ，b]区间内均匀分布时，其信源熵为 log2（b-a ）。

信息论与编码习题参考答案

bit/s 104.98310661.130)/)(()/(R bit/frame 10661.1322.3105)(H 105)(H bit/pels 322.310log )(log )()(H 76650510 10?=??=?=∴?=??=??====∑=frame bit X H s frame r x X a p a p x i i i 所需信息速率为：每帧图像的熵是：每个像素的熵是：，由熵的极值性：由于亮度电平等概出现 . 5.2,,5.25.2477.210 log 300log )(H )(H pels /bit 300log )(log )()(H bit 3001030,10,,3001300 11倍左右比黑白电视系统高彩色电视系统信息率要图形所以传输相同的倍作用大信息量比黑白电视系统彩色电视系统每个像素每个像素的熵是：量化所以每个像素需要用个亮度每个色彩度需要求下在满足黑白电视系统要个不同色彩度增加∴≈====∴=?∑=x x b p b p x i i i 个汉字最少需要数描述一帧图像需要汉字每个汉字所包含信息量每个汉字所出现概率每帧图象所含信息量556 6 5 5 10322.6/10322.61 .0log 101.2)()()()(,log H(c):1.010000 1000 symble /bit 101.2128log 103)(103)(: ?∴?=-?=≥ ≤-=∴== ?=??=??=frame c H X H n c nH X H n p p x H X H ),...,,(21n p p p n m ≤≤0∑=-=m i i m p q 1 1)log(),,...,,(),...,,(2121m n q q p p p H p p p H m m m n -+≤ ∑∑+==- -=>-=<-=''-=''∴>- =''-=''>-=n m i i i m i i i n p p p p p p p H x x x x f x e x x x f x x e x x x f x x x x f 1 121log log ),...,,( )0(log )( 0log )log ()(0 log )log ()()0(log )( 又为凸函数。即又为凸函数，如下：先证明时等式成立。当且仅当时等式成立。当且仅当即可得：的算术平均值的函数，函数的平均值小于变量由凸函数的性质，变量n m m m m m n m m m i i i m m m m m m i i i n m i i i m i i i n n m m m m m n m i i i m m n m i i n m i i n m i i n m i i n m i i i p p p m n q q p p p H p p p H q q p p q p p p H m n q q q p p p p p p p p p H p p p m n q q q p p m n q q m n p m n p m n m n p f m n m n p f m n p p ===-+≤--=-+--≤- -=∴===-+-≤- --=----=---≤---=- ++==+==+++=+=+=+=+=+=∑∑∑∑∑∑∑∑∑ ∑...)log(),,...,,(),...,,(log log ),,...,,() log(log log log log ),...,,(...) log(log log log log )()()() ()(log 2121211 211 1 1 21211 1111 1 X n

信息论与编码习题参考答案(全)

信息论与编码习题参考答案第一章单符号离散信源同时掷一对均匀的子，试求： (1)“2和6同时出现”这一事件的自信息量； (2)“两个5同时出现”这一事件的自信息量； (3)两个点数的各种组合的熵； (4)两个点数之和的熵； (5)“两个点数中至少有一个是1”的自信息量。解： bit P a I N n P bit P a I N n P c c N 17.536log log )(36 1 )2(17.418log log )(362)1(36 662221111 616==-=∴====-=∴== =?==样本空间： * (3)信源空间： bit x H 32.436log 36 16236log 36215)(=??+?? =∴

bit x H 71.3636 log 366536log 3610 436log 368336log 366236log 36436log 362)(=??+?+?+??= ∴＋＋ (5) bit P a I N n P 17.111 36 log log )(3611333==-=∴== ? 如有6行、8列的棋型方格，若有两个质点A 和B ，分别以等概落入任一方格内，且它们的坐标分别为（Xa ，Ya ）, （Xb ，Yb ）,但A ，B 不能同时落入同一方格内。（1）若仅有质点A ，求A 落入任一方格的平均信息量；（2）若已知A 已落入，求B 落入的平均信息量；（3）若A ，B 是可辨认的，求A ，B 落入的平均信息量。解：！ bit a P a P a a P a I a P A i 58.548log )(log )()(H 48log )(log )(481 )(:)1(48 1 i i i i i ==-=∴=-=∴= ∑=落入任一格的概率 bit b P b P b b P b I b P A i 55.547log )(log )()(H 47 log )(log )(47 1 )(:B ,)2(48 1i i i i i ==-=∴=-=∴=∑=落入任一格的概率是落入任一格的情况下在已知 bit AB P AB P AB H AB P AB I AB P AB i i i i i i i 14.11)4748log()(log )()() (log )(47 1 481)()3(47481 =?=-=-=∴?=∑?=是同时落入某两格的概率从大量统计资料知道,男性中红绿色盲的发病率为7%,女性发病率为%.如果你问一位男士：“你是否是红绿色盲”他的回答可能是：“是”，也可能“不是”。问这两个回答中各含有多少信息量平均每个回答中各含有多少信息量如果你问一位女士，则她的答案中含有多少平均信息量解：

信息论与编码理论课后习题答案高等教育出版社

信息论与编码理论习题解第二章-信息量和熵解: 平均每个符号长为:154 4.0312.032= ?+?秒每个符号的熵为9183.03log 3 1 23log 32=?+?比特/符号所以信息速率为444.34 15 9183.0=?比特/秒解: 同步信号均相同不含信息,其余认为等概, 每个码字的信息量为 3*2=6 比特；所以信息速率为600010006=?比特/秒解:(a)一对骰子总点数为7的概率是 36 6 所以得到的信息量为 585.2)366(log 2= 比特 (b) 一对骰子总点数为12的概率是36 1 所以得到的信息量为 17.536 1 log 2= 比特解: (a)任一特定排列的概率为 ! 521 ,所以给出的信息量为 58.225! 521 log 2 =- 比特 (b) 从中任取13张牌,所给出的点数都不相同的概率为 1352 13 13 521344!13C A =? 所以得到的信息量为 21.134 log 1313 52 2=C 比特. 解:易证每次出现i 点的概率为 21 i ,所以

比特比特比特比特比特比特比特398.221 log 21)(807.1)6(070.2)5(392.2)4(807.2)3(392.3)2(392.4)1(6,5,4,3,2,1,21 log )(26 12=-==============-==∑ =i i X H x I x I x I x I x I x I i i i x I i 解: 可能有的排列总数为 27720! 5!4!3! 12= 没有两棵梧桐树相邻的排列数可如下图求得， Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y 图中X 表示白杨或白桦，它有???? ??37种排法，Y 表示梧桐树可以栽种的位置，它有???? ??58种排法，所以共有???? ??58*???? ??37=1960种排法保证没有两棵梧桐树相邻，因此若告诉你没有两棵梧桐树相邻时，得到关于树排列的信息为1960log 27720log 22-= 比特解: X=0表示未录取，X=1表示录取； Y=0表示本市，Y=1表示外地； Z=0表示学过英语，Z=1表示未学过英语，由此得

信息论与编码试卷及答案

一、概念简答题（每题5分，共40分） 1.什么是平均自信息量与平均互信息，比较一下这两个概念的异同？平均自信息为：表示信源的平均不确定度，表示平均每个信源消息所提供的信息量。平均互信息：表示从Y获得的关于每个X的平均信息量；表示发X前后Y的平均不确定性减少的量；表示通信前后整个系统不确定性减少的量。 2.简述最大离散熵定理。对于一个有m个符号的离散信源，其最大熵是多少？最大离散熵定理为：离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。最大熵值为 3.解释信息传输率、信道容量、最佳输入分布的概念，说明平均互信息与信源的概率分布、信道的传递概率间分别是什么关系？信息传输率R指信道中平均每个符号所能传送的信息量。信道容量是一个信道所能达到的最大信息传输率。信息传输率达到信道容量时所对应的输入概率分布称为最佳输入概率分布。平均互信息是信源概率分布的∩型凸函数，是信道传递概率的U型凸函数。 4.对于一个一般的通信系统，试给出其系统模型框图，并结合此图，解释数据处理定理。数据处理定理为：串联信道的输入输出X、Y、Z组成一个马尔可夫链，且有，。说明经数据处理后，一般只会增加信息的损失。

5.写出香农公式，并说明其物理意义。当信道带宽为5000Hz，信噪比为30dB时求信道容量。香农公式为，它是高斯加性白噪声信道在单位时间内的信道容量，其值取决于信噪比和带宽。由得，则 6.解释无失真变长信源编码定理。只要，当N足够长时，一定存在一种无失真编码。 7.解释有噪信道编码定理。答：当R＜C时，只要码长足够长，一定能找到一种编码方法和译码规则，使译码错误概率无穷小。 8.什么是保真度准则？对二元信源，其失真矩阵，求a>0时率失真函数的和？答：1）保真度准则为：平均失真度不大于允许的失真度。 2）因为失真矩阵中每行都有一个0，所以有，而。二、综合题（每题10分，共60分） 1.黑白气象传真图的消息只有黑色和白色两种，求： 1）黑色出现的概率为0.3，白色出现的概率为0.7。给出这个只有两个符号的信源X的数学模型。假设图上黑白消息出现前后没有关联，求熵；

信息论与编码课后答案

一个马尔可夫信源有3个符号{}1,23,u u u ，转移概率为：()11|1/2p u u =，()21|1/2p u u =， ()31|0p u u =，()12|1/3p u u =，()22|0p u u =，()32|2/3p u u =，()13|1/3p u u =，()23|2/3p u u =，()33|0p u u =，画出状态图并求出各符号稳态概率。解：状态图如下状态转移矩阵为： 1/21/2 01/302/31/32/30p ?? ?= ? ??? 设状态u 1，u 2，u 3稳定后的概率分别为W 1，W 2、W 3 由1231WP W W W W =??++=?得1231132231231 112331223 231W W W W W W W W W W W W ?++=???+=???=???++=? 计算可得1231025925625W W W ?=??? =?? ?=?? 由符号集{0，1}组成的二阶马尔可夫链，其转移概率为：(0|00)p =，(0|11)p =，(1|00)p =， (1|11)p =，(0|01)p =，(0|10)p =，(1|01)p =，(1|10)p =。画出状态图，并计算各状态的稳态概率。解：(0|00)(00|00)0.8p p == (0|01)(10|01)0.5p p == (0|11)(10|11)0.2p p == (0|10)(00|10)0.5p p == (1|00)(01|00)0.2p p == (1|01)(11|01)0.5p p == (1|11)(11|11)0.8p p == (1|10)(01|10)0.5p p ==

信息论与编码理论习题答案

第二章信息量和熵 2.2 八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步，每秒1000个码字，求它的信息速率。解：同步信息均相同，不含信息，因此每个码字的信息量为 2?8log =2?3=6 bit 因此，信息速率为 6?1000=6000 bit/s 2.3 掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为：(a) 7; (b) 12。问各得到多少信息量。解：(1) 可能的组合为 {1，6},{2，5},{3，4},{4，3},{5，2},{6，1} )(a p =366=6 1 得到的信息量 =) (1 log a p =6log =2.585 bit (2) 可能的唯一，为 {6，6} )(b p =361 得到的信息量=) (1 log b p =36log =5.17 bit 2.4 经过充分洗牌后的一副扑克（52张），问： (a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？ (b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量？解：(a) )(a p =! 521 信息量=) (1 log a p =!52log =225.58 bit (b) ???????花色任选种点数任意排列 13413!13 )(b p =13 52134!13A ?=1352 13 4C 信息量=1313 52 4log log -C =13.208 bit

(完整版)信息论与编码概念总结

第一章 1.通信系统的基本模型: 2.信息论研究内容：信源熵，信道容量，信息率失真函数，信源编码，信道编码，密码体制的安全性测度等等第二章１.自信息量：一个随机事件发生某一结果所带的信息量。２.平均互信息量：两个离散随机事件集合X 和Y ，若其任意两件的互信息量为 I （Xi;Yj ），则其联合概率加权的统计平均值，称为两集合的平均互信息量，用I （X;Y ）表示３.熵功率：与一个连续信源具有相同熵的高斯信源的平均功率定义为熵功率。如果熵功率等于信源平均功率，表示信源没有剩余；熵功率和信源的平均功率相差越大，说明信源的剩余越大。所以信源平均功率和熵功率之差称为连续信源的剩余度。信源熵的相对率(信源效率)：实际熵与最大熵的比值信源冗余度： 0H H ∞=ηη ζ-=1

意义：针对最大熵而言，无用信息在其中所占的比例。３.极限熵：平均符号熵的N 取极限值，即原始信源不断发符号，符号间的统计关系延伸到无穷。４. ５.离散信源和连续信源的最大熵定理。离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。连续信源，峰值功率受限时，均匀分布的熵最大。平均功率受限时，高斯分布的熵最大。均值受限时，指数分布的熵最大６.限平均功率的连续信源的最大熵功率：称为平均符号熵。定义：即无记忆有记忆N X H H X H N X H X NH X H X H X H N N N N N N )() ()()()()()(=≤∴≤≤

若一个连续信源输出信号的平均功率被限定为p ，则其输出信号幅度的概率密度分布是高斯分布时，信源有最大的熵，其值为 1log 22 ep π.对于N 维连续平稳信源来说，若其输出的N 维随机序列的协方差矩阵C 被限定，则N 维随机矢量为正态分布时信源的熵最大，也就是N 维高斯信源的熵最大，其值为1log ||log 222N C e π+ 7.离散信源的无失真定长编码定理：离散信源无失真编码的基本原理原理图说明：（1）信源发出的消息：是多符号离散信源消息，长度为L,可以用L 次扩展信源表示为： X L =(X 1X 2……X L ) 其中，每一位X i 都取自同一个原始信源符号集合（n 种符号）： X={x 1，x 2，…x n } 则最多可以对应n L 条消息。（2）信源编码后，编成的码序列长度为k,可以用k 次扩展信宿符号表示为： Y k =(Y 1Y 2……Y k ) 称为码字/码组其中，每一位Y i 都取自同一个原始信宿符号集合： Y={y 1，y 2，…y m } 又叫信道基本符号集合（称为码元，且是m 进制的）则最多可编成m k 个码序列，对应m k 条消息定长编码：信源消息编成的码字长度k 是固定的。对应的编码定理称为定长信源编码定理。变长编码：信源消息编成的码字长度k 是可变的。 8.离散信源的最佳变长编码定理最佳变长编码定理：若信源有n 条消息，第i 条消息出现的概率为p i ，且 p 1>=p 2>=…>=p n ，且第i 条消息对应的码长为k i ，并有k 1<=k 2<=…<=k n

信息论与编码第一章答案

第一章信息论与基础 1.1信息与消息的概念有何区别？信息存在于任何事物之中,有物质的地方就有信息，信息本身是看不见、摸不着的，它必须依附于一定的物质形式。一切物质都有可能成为信息的载体，信息充满着整个物质世界。信息是物质和能量在空间和时间中分布的不均匀程度。信息是表征事物的状态和运动形式。在通信系统中其传输的形式是消息。但消息传递过程的一个最基本、最普遍却又十分引人注意的特点是：收信者在收到消息以前是不知道具体内容的；在收到消息之前，收信者无法判断发送者将发来描述何种事物运动状态的具体消息；再者，即使收到消息，由于信道干扰的存在，也不能断定得到的消息是否正确和可靠。在通信系统中形式上传输的是消息,但实质上传输的是信息。消息只是表达信息的工具，载荷信息的载体。显然在通信中被利用的（亦即携带信息的）实际客体是不重要的，而重要的是信息。信息载荷在消息之中，同一信息可以由不同形式的消息来载荷；同一个消息可能包含非常丰富的信息，也可能只包含很少的信息。可见，信息与消息既有区别又有联系的。 1.2 简述信息传输系统五个组成部分的作用。信源：产生消息和消息序列的源。消息是随机发生的，也就是说在未收到这些消息之前不可能确切地知道它们的内容。信源研究主要内容是消息的统计特性和信源产生信息的速率。信宿：信息传送过程中的接受者，亦即接受消息的人和物。编码器：将信源发出的消息变换成适于信道传送的信号的设备。它包含下述三个部分：(1)信源编码器：在一定的准则下，信源编码器对信源输出的消息进行适当的变换和处理，其目的在于提高信息传输的效率。(2)纠错编码器：纠错编码器是对信源编码器的输出进行变换，用以提高对于信道干扰的抗击能力，也就是说提高信息传输的可靠性。(3)调制器：调制器是将纠错编码器的输出变换适合于信道传输要求的信号形式。纠错编码器和调制器的组合又称为信道编码器。信道：把载荷消息的信号从发射端传到接受端的媒质或通道，包括收发设备在内的物理设施。信道除了传送信号外，还存储信号的作用。译码器：编码的逆变换。它要从受干扰的信号中最大限度地提取出有关信源输出消息的信息，并尽可能地复现信源的输出。 1.3 同时掷一对骰子，要得知面朝上点数之和，描述这一信源的数学模型。解：设该信源符号集合为X

信息论与编码理论习题答案全解

信息论与编码理论第二章习题答案

I (X ;Y=1)= P(x/Y 1)I(x;Y 1) x P(x/Y 1)log P(x/Y 1) P(x) = P(X 0/Y 1)log P(X 0/Y 1) P(X 0) P(X 1/Y 1)log P(X 1/Y 1) P(X 1) 部分答案，仅供参考。信息速率是指平均每秒传输的信息量点和划出现的信息量分别为log3Jog3， 2’ 一秒钟点和划出现的次数平均为 1 15 2 1 ~4 0.20.4 - 3 3 一秒钟点和划分别出现的次数平均为巴5 4 4 那么根据两者出现的次数，可以计算一秒钟其信息量平均为10 log 3 5 竺 5 4 2 4 4 2 解： ⑻骰子A和B，掷出7点有以下6种可能： A=1,B=6; A=2,B=5; A=3,B=4; A=4,B=3; A=5,B=2; A=6,B=1 概率为6/36=1/6，所以信息量 -log(1/6)=1+log3 ~ bit (b)骰子A和B,掷出12点只有1种可能： A=6,B=6 概率为1/36，所以信息量 -log(1/36)=2+log9 ~ bit 解：出现各点数的概率和信息量： 1 点：1/21 , log21 ?bit ; 2 点：2/21 , log21-1 ?bit ; 3 点：1/7 , log7 4 点：4/21 , log21-2 5 点：5/21 , log (21/5 )~; 6 点：2/ 7 , log(7/2)? 平均信息量： (1/21) X +(2/21) X +(1/7) X +(4/21) X +(5/21) X +(2/7) 解： X=1:考生被录取；X=0考生未被录取； Y=1：考生来自本市；Y=0考生来自外地； Z=1:考生学过英语；z=o：考生未学过英语 P(X=1)=1/4, P( X=q=3/4; P( Y=1/ X=1)=1/2 ；P( Y=1/ X=0)=1/10 ；P(Z=1/ Y=1 )=1, P( Z=1/ X=0, Y=0 )=, P( Z=1/ X=1, Y=0 )=, P(Z=1/Y=0)= (a)P(X=0,Y=1)=P(Y=1/X=0)P(X=0)=, P(X=1,Y=1)= P(Y=1/X=1)P(X=1)= P(Y=1)= P(X=0,Y=1)+ P(X=1,Y=1)= P(X=0/Y=1)=P(X=0,Y=1)/P(Y=1)=, P(X=1/Y=1)=P(X=1,Y=1)/P(Y=1)=

信息论与编码习题参考答案(全)

信息论与编码习题参考答案第一章单符号离散信源 1.1同时掷一对均匀的子，试求： (1)“2和6同时出现”这一事件的自信息量； (2)“两个5同时出现”这一事件的自信息量； (3)两个点数的各种组合的熵； (4)两个点数之和的熵； (5)“两个点数中至少有一个是1”的自信息量。解： bit P a I N n P bit P a I N n P c c N 17.536log log )(361 )2(17.418log log )(362)1(36 662221111 616==-=∴====-=∴== =?==样本空间： (3)信源空间： bit x H 32.436log 36 62log 3615)(=??+?? =∴ (4)信源空间： bit x H 71.3636 log 366536log 3610 436log 368336log 366236log 36436log 362)(=??+?+?+??= ∴＋＋ (5) bit P a I N n P 17.11136 log log )(3611333==-=∴==

1.2如有6行、8列的棋型方格，若有两个质点A 和B ，分别以等概落入任一方格，且它们的坐标分别为（Xa ，Ya ）, （Xb ，Yb ）,但A ，B 不能同时落入同一方格。（1）若仅有质点A ，求A 落入任一方格的平均信息量；（2）若已知A 已落入，求B 落入的平均信息量；（3）若A ，B 是可辨认的，求A ，B 落入的平均信息量。解： bit a P a P a a P a I a P A i 58.548log )(log )()(H 48log )(log )(481 )(:)1(48 1 i i i i i ==-=∴=-=∴= ∑=落入任一格的概率 bit b P b P b b P b I b P A i 55.547log )(log )()(H 47 log )(log )(47 1 )(:B ,)2(48 1i i i i i ==-=∴=-=∴=∑=落入任一格的概率是落入任一格的情况下在已知 bit AB P AB P AB H AB P AB I AB P AB i i i i i i i 14.11)4748log()(log )()() (log )(47 1 481)()3(47481 =?=-=-=∴?=∑?=是同时落入某两格的概率 1.3从大量统计资料知道,男性中红绿色盲的发病率为7%,女性发病率为0.5%.如果你问一位男士：“你是否是红绿色盲？”他的回答可能是：“是”，也可能“不是”。问这两个回答中各含有多少信息量？平均每个回答中各含有多少信息量？如果你问一位女士，则她的答案中含有多少平均信息量？解： bit w P w P w P w P m m P m I w P w I bit m P m P m P m P m bit m P m I bit m P m I n n y y n n y y n n y y n n y y 0454.0log99.5%99.5%-log0.5%-0.5% )(log )()(log )()(H % 5.99log )(log )(%5.0log )(log )(36 6.0log93%93%-log7%-7% )(log )()(log )()(H 105.0%93log )(log )(84.3%7log )(log )(: =??=?-?-=-=-=-=-==??=?-?-==-=-==-=-=平均每个回答信息量：：回答“不是”的信息量回答“是”的信息量：对于女：平均每个回答信息量：：回答“不是”的信息量回答“是”的信息量：对于男士

信息论与编码试题集与答案(新)

一填空题（本题20分，每小题2分） 1、平均自信息为表示信源的平均不确定度，也表示平均每个信源消息所提供的信息量。平均互信息表示从Y获得的关于每个X的平均信息量，也表示发X前后Y的平均不确定性减少的量，还表示通信前后整个系统不确定性减少的量。 2、最大离散熵定理为：离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。 3、最大熵值为。 4、通信系统模型如下： 5、香农公式为为保证足够大的信道容量，可采用（1）用频带换信噪比；（2）用信噪比换频带。

6、只要，当N足够长时，一定存在一种无失真编码。 7、当R＜C时，只要码长足够长，一定能找到一种编码方法和译码规则，使译码错误概率无穷小。 8、在认识论层次上研究信息的时候，必须同时考虑到形式、含义和效用三个方面的因素。 9、1948年，美国数学家香农发表了题为“通信的数学理论”的长篇论文，从而创立了信息论。按照信息的性质，可以把信息分成语法信息、语义信息和语用信息。按照信息的地位，可以把信息分成客观信息和主观信息。人们研究信息论的目的是为了高效、可靠、安全地交换和利用各种各样的信息。信息的可度量性是建立信息论的基础。统计度量是信息度量最常用的方法。熵是香农信息论最基本最重要的概念。事物的不确定度是用时间统计发生概率的对数来描述的。 10、单符号离散信源一般用随机变量描述，而多符号离散信源一般用随机矢量描述。 11、一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量称为自信息量，定义为其发生概率对

数的负值。 12、自信息量的单位一般有比特、奈特和哈特。 13、必然事件的自信息是 0 。 14、不可能事件的自信息量是 ∞ 。 15、两个相互独立的随机变量的联合自信息量等于两个自信息量之和。 16、数据处理定理：当消息经过多级处理后，随着处理器数目的增多，输入消息与输出消息之间的平均互信息量趋于变小。 17、离散平稳无记忆信源X 的N 次扩展信源的熵等于离散信源X 的熵的 N 倍。 18、离散平稳有记忆信源的极限熵，=∞H )/(lim 121-∞→N N N X X X X H 。 19、对于n 元m 阶马尔可夫信源，其状态空间共有 nm 个不同的状态。 20、一维连续随即变量X 在[a ，b]区间内均匀分布时，其信源熵为 log2（b-a ）。 21、平均功率为P 的高斯分布的连续信源，其信源熵，Hc （X ）=eP π2log 21 2。 22、对于限峰值功率的N 维连续信源，当概率密度均匀分布时连续信源熵具有最大值。 23、对于限平均功率的一维连续信源，当概率密度高斯分布时，信源熵有最大值。 24、对于均值为0，平均功率受限的连续信源，信源的冗余度决定于平均功率的限定值P 和信源的熵功率P 之比。

信息论与编码课后习题答案

1．有一个马尔可夫信源，已知p(x 1|x 1)=2/3，p(x 2|x 1)=1/3，p(x 1|x 2)=1，p(x 2|x 2)=0，试画出该信源的香农线图，并求出信源熵。解：该信源的香农线图为： 1/3 ○ ○ 2/3 (x 1) 1 (x 2) 在计算信源熵之前，先用转移概率求稳定状态下二个状态x 1和 x 2 的概率)(1x p 和)(2x p 立方程：)()()(1111x p x x p x p =+)()(221x p x x p =)()(2132x p x p + )()()(1122x p x x p x p =+)()(222x p x x p =)(0)(2131x p x p + )()(21x p x p +=1 得4 3 1)(=x p 4 12)(=x p 马尔可夫信源熵H = ∑∑- I J i j i j i x x p x x p x p )(log )()( 得 H=符号 2．设有一个无记忆信源发出符号A 和B ，已知4 3 41)(.)(= =B p A p 。求： ①计算该信源熵； ②设该信源改为发出二重符号序列消息的信源，采用费诺编码方法，求其平均信息传输速率； ③又设该信源改为发三重序列消息的信源，采用霍夫曼编码方法，求其平均信息传输速率。解：①∑- =X i i x p x p X H )(log )()( = bit/符号 ②发出二重符号序列消息的信源,发出四种消息的概率分别为 1614141)(=?=AA p 1634341 )(=?=AB p 1634143)(=?=BA p 1694343)(=?=BB p 用费诺编码方法代码组 b i BB 0 1 BA 10 2 AB 110 3