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/s2.3 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=61 得到的信息量 =)(1loga p =6log =2.585 bit (2) 可能的唯一，为 {6，6} )(b p =361 得到的信息量=)(1log b p =36log =5.17 bit2.4 经过充分洗牌后的一副扑克（52），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=)(1loga p =!52log =225.58 bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C =13.208 bit2.9 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 。
解：令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ，1x ，2x ，3x 相互独立，则1x X =，21x x Y +=，321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6=2.585 bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H =2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6 =3.2744 bit)|(Y X H =)(X H -);(Y X I =)(X H -[)(Y H -)|(X Y H ]而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H = 2)(X H -)(Y H =1.8955 bit或)|(Y X H =)(XY H -)(Y H =)(X H +)|(X Y H -)(Y H而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H =2)(X H -)(Y H =1.8955 bit),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H =2.585 bit)|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =1.8955+2.585=4.4805 bit2.10 设一个系统传送10个数字，0，1，…，9。
奇数在传送过程中以0.5的概率错成另外一个奇数，其余正确接收，求收到一个数字平均得到的信息量。
解：);(Y X I =)(Y H -)|(X Y H因为输入等概，由信道条件可知，⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++++====101)8181818121(101)(101)(为偶数为奇数i i y p i i y p 即输出等概，则)(Y H =log 10)|(X Y H =)|(log )(i j jjiix y p yx p ∑∑-=)|(log )(i j j i j i x y p y x p ∑∑-偶-)|(log )(i j j i j i x y p y x p ∑∑奇=0-)|(log )(i j j i j i x y p y x p ∑∑奇= -)|(log )|()(97,5,3,1i i i ii ix y p x yp x p ∑=，-)|(log )|()(97531i j j i i i jix y p x yp x p ∑∑≠，，，，＝=101⨯21log 2⨯5+101⨯21⨯41log 8⨯4⨯5 =4341+=1 bit);(Y X I =)(Y H -)|(X Y H =log 10 -1=log 5=2.3219 bit2.11 令{821,,u u u ，⋯}为一等概消息集，各消息相应被编成下述二元码字1u =0000，2u =0011，3u =0101，4u =0110，5u =1001，6u =1010，7u =1100，8u =1111通过转移概率为p 的BSC 传送。
求：(a)接收到的第一个数字0与1u 之间的互信息量。
(b)接收到的前二个数字00与1u 之间的互信息量。
(c)接收到的前三个数字000与1u 之间的互信息量。
(d)接收到的前四个数字0000与1u 之间的互信息量。
解：即)0;(1u I ，)00;(1u I ，)000;(1u I ，)0000;(1u I)0(p =4)1(81⨯-p +481⨯p =21)0;(1u I =)0()|0(log1p u p =211log p-=1+)1log(p - bit)00(p =]2)1(4)1(2[8122p p p p +-+-=41)00;(1u I =)00()|00(log 1p u p =4/1)1(log 2p -=)]1log(1[2p -+ bit)000(p =])1(3)1(3)1[(813223p p p p p p +-+-+-=81)000;(1u I =3[1+)1log(p -] bit)0000(p =])1(6)1[(814224p p p p +-+-)0000;(1u I =42244)1(6)1()1(8log p p p p p +-+-- bit2.12 计算习题2.9中);(Z Y I 、);(Z X I 、);,(Z Y X I 、)|;(X Z Y I 、)|;(Y Z X I 。
解：根据题2.9分析)(Z H =2(216log 2161+3216log 2163+6216log 2166+10216log21610+ 15216log 21615+21216log 21621+25216log 21625+27216log21627) =3.5993 bit);(Z Y I =)(Z H -)|(Y Z H =)(Z H -)(X H =1.0143 bit );(Z X I =)(Z H -)|(X Z H =)(Z H -)(Y H =0.3249 bit );,(Z Y X I =)(Z H -)|(XY Z H =)(Z H -)(X H =1.0143 bit )|;(X Z Y I =)|(X Z H -)|(XY Z H =)(Y H -)(X H =0.6894 bit )|;(Y Z X I =)|(Y Z H -)|(XY Z H =)(X H -)(X H =0 bit2.14 对于任意概率事件集X,Y,Z ，证明下述关系式成立 (a))|,(X Z Y H ≤)|(X Y H +)|(X Z H ，给出等号成立的条件 (b))|,(X Z Y H =)|(X Y H +),|(Y X Z H (c)),|(Y X Z H ≤)|(X Z H证明：(b) )|,(X Z Y H =-∑∑∑xyzx yz p xyz p )|(log )(=-∑∑∑xyzxy z p x y p xyz p )]|()|(log[)(=-∑∑∑xyzx y p xyz p )|(log )(-∑∑∑xyzxy z p xyz p )|(log )(=)|(X Y H +)|(XY Z H(c) ),|(Y X Z H =-∑∑∑xyzxy z p xyz p )|(log )(=∑∑xyxy p )([-∑zxy z p xy z p )|(log )|(]≤∑∑xyxy p )([-∑zx z p x z p )|(log )|(]=-∑∑∑xyzx z p xyz p )|(log )(=)|(X Z H当)|(xy z p =)|(x z p ，即X 给定条件下，Y 与Z 相互独立时等号成立 (a) 上式(c)左右两边加上)|(X Y H ，可得)|(X Y H +),|(Y X Z H ≤)|(X Y H +)|(X Z H于是)|,(X Z Y H ≤)|(X Y H +)|(X Z H2.28 令概率空间⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=21,211,1X ，令Y 是连续随机变量。
已知条件概率密度为⎪⎩⎪⎨⎧≤-<-=其他,022,41)|(x y x y p ，求：(a)Y 的概率密度)(y ω (b));(Y X I(c) 若对Y 做如下硬判决⎪⎩⎪⎨⎧-≤⋯⋯-≤<-⋯⋯>⋯⋯=1,111,01,1y y y V求);(V X I ，并对结果进行解释。
解：(a) 由已知，可得)1|(-=x y p =⎪⎩⎪⎨⎧⋯⋯≤<-⋯⋯elsey 01341)1|(=x y p =⎪⎩⎪⎨⎧⋯⋯≤<-⋯⋯elsey 03141)(y ω=)1(-=x p )1|(-=x y p +)1(=x p )1|(=x y p=⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⋯⋯≤<⋯⋯≤<-⋯⋯-≤<-⋯⋯elsey y y 0318111411381(b) )(Y H C =⎰⎰---+⨯11134log 4128log 81=2.5 bit)|(X Y H C =⎰--=-=-=-13)1|(log )1|()1(dy x y p x y p x p⎰-===-31)1|(log )1|()1(dy x y p x y p x p=dy dy ⎰⎰----311341log 412141log 4121 =2 bit);(Y X I =)(Y H C -)|(X Y H C =0.5 bit (c) 由)(y ω可得到V 的分布律再由)|(x y p 可知5.14log 2412log 21)(=⨯+=V H bit 2]2log 212log 21[21)|(⨯+=X V H =1 bit);(V X I =)|()(X V H V H -= 0.5 bit2.29 令)(1x Q 和)(2x Q 是同一事件集U 上的两个概率分布，相应的熵分别为1)(U H 和2)(U H 。
(a)对于10≤≤λ，证明)(x Q =λ)(1x Q +)1(λ-)(2x Q 是概率分布 (b))(U H 是相应于分布)(x Q 的熵，试证明)(U H ≥λ1)(U H +)1(λ-2)(U H证明：(a) 由于)(1x Q 和)(2x Q 是同一事件集U 上的两个概率分布，于是)(1x q ≥0，)(2x q ≥0dx x q x⎰)(1=1，dx x q x⎰)(2=1又10≤≤λ，则)(x q =λ)(1x q +)1(λ-)(2x q ≥0dx x q x⎰)(=dx x q x⎰)(1λ+dx x q x⎰-)()1(2λ=1因此，)(x Q 是概率分布。