3个概率分布的Jensen-Shannon发散计算:这样可以吗?


12

我想根据以下3个分布来计算他的詹森-香农散度。下面的计算是否正确?(我遵循了维基百科的JSD公式):

P1  a:1/2  b:1/2    c:0
P2  a:0    b:1/10   c:9/10
P3  a:1/3  b:1/3    c:1/3
All distributions have equal weights, ie 1/3.

JSD(P1, P2, P3) = H[(1/6, 1/6, 0) + (0, 1/30, 9/30) + (1/9,1/9,1/9)] - 
                 [1/3*H[(1/2,1/2,0)] + 1/3*H[(0,1/10,9/10)] + 1/3*H[(1/3,1/3,1/3)]]

JSD(P1, P2, P3) = H[(1/6, 1/5, 9/30)] - [0 + 1/3*0.693 + 0] = 1.098-0.693 = 0.867

提前致谢...

编辑下面是一些简单的脏Python代码,它也可以计算出这个代码:

    def entropy(prob_dist, base=math.e):
        return -sum([p * math.log(p,base) for p in prob_dist if p != 0])

    def jsd(prob_dists, base=math.e):
        weight = 1/len(prob_dists) #all same weight
        js_left = [0,0,0]
        js_right = 0    
        for pd in prob_dists:
            js_left[0] += pd[0]*weight
            js_left[1] += pd[1]*weight
            js_left[2] += pd[2]*weight
            js_right += weight*entropy(pd,base)
        return entropy(js_left)-js_right

usage: jsd([[1/2,1/2,0],[0,1/10,9/10],[1/3,1/3,1/3]])

2
不错的Python代码!
gui11aume12年

Answers:


13

混合物分配有误。它应该是 而不是,该总数不等于1。其熵(自然对数)为1.084503 。您的其他熵项是错误的。(5/18,28/90,37/90)(1/6,1/5,9/30)

我将给出一种计算的细节:

H(1/2,1/2,0)=1/2log(1/2)1/2log(1/2)+0=0.6931472

同样,其他术语为0.325083和1.098612。所以最终结果是1.084503-(0.6931472 + 0.325083 + 1.098612)/ 3 = 0.378889


3
+1。快速和肮脏R计算器:h <- function(x) {h <- function(x) {y <- x[x > 0]; -sum(y * log(y))}; jsd <- function(p,q) {h(q %*% p) - q %*% apply(p, 2, h)}。参数p是一个矩阵,其行是分布,参数q是权重的向量。例如,p <- matrix(c(1/2,1/2,0, 0,1/10,9/10, 1/3,1/3,1/3), ncol=3, byrow=TRUE); q <- c(1/3,1/3,1/3); jsd(p,q)返回(近似于)。3 34 / 15 5 1 / 9 2 - 13 / 45 7 - 14 / 45 37 - 37 / 900.378889334/1551/9213/45714/453737/90
ub

1
不太脏... ;-)
gui11aume 2012年

4
(1)重做数学。(2)只要您保持一致,就可以使用任意对数底数来度量熵。自然,普通和以2为底的原木都是常规的。(3)这实际上是分布与平均值之间的平均差异。如果将每个分布都视为一个点,它们就会形成一个云。您正在查看云的中心与其点之间的平均“距离”,有点像平均半径。直观地,它可以衡量云的大小。
ub

1
@传奇我认为你是对的。在发现一个结果与我以另一种方式(使用Mathematica)获得的答案相符之后,我没有进行充分的测试。
Whuber

1
@dmck我的评论中确实存在拼写错误:(1)该短语h <- function(x) {粘贴了两次。只需将其删除即可:其他所有方法都可以产生我引用的结果。然后修改apply(p, 2, h),以apply(p, 1, h)作为指出,在由联想评论
ub

6

蟒蛇:

import numpy as np
# @author: jonathanfriedman

def jsd(x,y): #Jensen-shannon divergence
    import warnings
    warnings.filterwarnings("ignore", category = RuntimeWarning)
    x = np.array(x)
    y = np.array(y)
    d1 = x*np.log2(2*x/(x+y))
    d2 = y*np.log2(2*y/(x+y))
    d1[np.isnan(d1)] = 0
    d2[np.isnan(d2)] = 0
    d = 0.5*np.sum(d1+d2)    
    return d

jsd(np.array([0.5,0.5,0]),np.array([0,0.1,0.9]))

Java:

/**
 * Returns the Jensen-Shannon divergence.
 */
public static double jensenShannonDivergence(final double[] p1,
        final double[] p2) {
    assert (p1.length == p2.length);
    double[] average = new double[p1.length];
    for (int i = 0; i < p1.length; ++i) {
        average[i] += (p1[i] + p2[i]) / 2;
    }
    return (klDivergence(p1, average) + klDivergence(p2, average)) / 2;
}

public static final double log2 = Math.log(2);

/**
 * Returns the KL divergence, K(p1 || p2).
 * 
 * The log is w.r.t. base 2.
 * <p>
 * *Note*: If any value in <tt>p2</tt> is <tt>0.0</tt> then the
 * KL-divergence is <tt>infinite</tt>. Limin changes it to zero instead of
 * infinite.
 */
public static double klDivergence(final double[] p1, final double[] p2) {
    double klDiv = 0.0;
    for (int i = 0; i < p1.length; ++i) {
        if (p1[i] == 0) {
            continue;
        }
        if (p2[i] == 0.0) {
            continue;
        } // Limin

        klDiv += p1[i] * Math.log(p1[i] / p2[i]);
    }
    return klDiv / log2; // moved this division out of the loop -DM
}

0

您给了Wikipedia参考。在这里,我给出了具有多个概率分布的詹森-香农散度的完整表达式:

JSmetric(p1,...,pm)=H(p1+...+pmm)j=1mH(pj)m

最初发布的问题没有多分布JS散度的数学表达式,这导致在理解所提供的计算时出现混乱。同样,使用了术语weight,这再次引起了您如何选择合适的权重进行乘法的困惑。以上表达澄清了这些困惑。从上面的表达式可以清楚地看出,权重是根据分布数自动选择的。


这可能会因为它太短而被自动标记为低质量。目前,按照我们的标准,这更多是评论而不是答案。你可以扩展吗?我们也可以将其转化为评论。
gung-恢复莫妮卡

这听起来像是一个澄清的评论,而不是一个答案。这应该是对问题的编辑吗?
gung-恢复莫妮卡

@gung,修改了我的答案。希望能帮助到你。
你好世界

0

两种不同长度序列的JS散度的Scala版本:

def entropy(dist: WrappedArray[Double]) = -(dist.filter(_ != 0.0).map(i => i * Math.log(i)).sum)


val jsDivergence = (dist1: WrappedArray[Double], dist2: WrappedArray[Double]) => {
    val weights = 0.5 //since we are considering inly two sequences
    val left = dist1.zip(dist2).map(x => x._1 * weights + x._2 * weights)
    // println(left)
    // println(entropy(left))
    val right = (entropy(dist1) * weights) + (entropy(dist2) * weights)
    // println(right)
    entropy(left) - right

}

jsDivergence(Array(0.5,0.5,0), Array(0,0.1,0.9))

res0: Double = 0.557978817900054

与问题编辑部分中的代码交叉检查该答案:

jsd([np.array([0.5,0.5,0]), np.array([0,0.1,0.9])])
0.55797881790005399

0

一个通用的版本,用于n个概率分布,基于Wikipedia公式在python中编写,并在本文中使用以权重向量(pi)为参数和自定义对数库的注释进行评论

import numpy as np
from scipy.stats import entropy as H


def JSD(prob_distributions, weights, logbase=2):
    # left term: entropy of mixture
    wprobs = weights * prob_distributions
    mixture = wprobs.sum(axis=0)
    entropy_of_mixture = H(mixture, base=logbase)

    # right term: sum of entropies
    entropies = np.array([H(P_i, base=logbase) for P_i in prob_distributions])
    wentropies = weights * entropies
    # wentropies = np.dot(weights, entropies)
    sum_of_entropies = wentropies.sum()

    divergence = entropy_of_mixture - sum_of_entropies
    return(divergence)

# From the original example with three distributions:
P_1 = np.array([1/2, 1/2, 0])
P_2 = np.array([0, 1/10, 9/10])
P_3 = np.array([1/3, 1/3, 1/3])

prob_distributions = np.array([P_1, P_2, P_3])
n = len(prob_distributions)
weights = np.empty(n)
weights.fill(1/n)

print(JSD(prob_distributions, weights))

0.546621319446

By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.