为什么KL分歧是非负的？

KL散度为何非负？

从信息论的角度，我有这样一个直观的理解：

假设有两个合奏和，它们由用标记的同一组元素组成。和分别是合奏和上不同的概率分布。 $A$ $B$ $x$ $p(x)$ $q(x)$ $A$ $B$

从信息论的角度来看， $\log_{2}(P(x))$ 是记录集合的元素所需的最少比特数。使得期望可以被解释为至少多少位，我们需要用于记录中的一个元素平均。 $x$ $A$

\sum_{x \in e n s e m b l e} - p (x) \ln (p (x))

$\sum_{x \in ensemble}-p(x)\ln(p(x))$

A

$A$

由于此公式对我们平均所需的位设置了下限，因此对于带来不同概率分布的不同集合，它为每个元素给出的界肯定不会是由，这意味着采用期望值，该平均长度肯定会大于前一个，这导致 $B$ $q(x)$ $x$ $p(x)$

\sum_{x \in e n s e m b l e} - p (x) \ln (q (x))

$\sum_{x\in ensemble}-p(x)\ln(q(x))$

因为

和

不同，所以我在这里不做

。

\sum_{x \in e n s e m b l e} p (x) \frac{\ln (p (x))}{\ln (q (x))} > 0

$\sum_{x\in ensemble }p(x)\frac{\ln(p(x))}{\ln(q(x))} > 0$

\geq

$\ge$

p (x)

$p(x)$

q (x)

$q(x)$

这是我的直觉理解，是否有一种纯粹的数学方法证明KL散度为非负数？该问题可以表述为：

给出和都为正实上线，和，。证明 $p(x)$ $q(x)$ $\int_{-\infty}^{+\infty}p(x)dx = 1$ $\int_{-\infty}^{+\infty}q(x)dx = 1$ 为非负数。

\int_{- \infty}^{+ \infty} p (x) \ln \frac{p (x)}{q (x)}

$\int_{-\infty}^{+\infty}p(x)\ln\frac{p(x)}{q(x)}$

如何证明呢？还是可以在没有额外条件的情况下证明这一点？

information-theory kullback-leibler

— 柴可夫斯基
source

如果您了解Fano不等式的证明，则很容易得出相对熵的非负性。

— Lerner Zhang

证明1：

首先要注意为所有。 $\ln a \leq a-1$ $a \gt 0$

现在，我们将证明，这意味着 $-D_{KL}(p||q) \leq 0$ $D_{KL}(p||q) \geq 0$

\begin{aligned} - D (p | | q) & = - \sum_{x} p (x) \ln \frac{p (x)}{q (x)} \\ = \sum_{x} p (x) \ln \frac{q (x)}{p (x)} \\ \overset{(a)}{\leq} \sum_{x} p (x) (\frac{q (x)}{p (x)} - 1) \\ = \sum_{x} q (x) - \sum_{x} p (x) \\ = 1 - 1 \\ = 0 \end{aligned}

$\begin{align} -D(p||q)&=-\sum_x p(x)\ln \frac{p(x)}{q(x)}\\ &= \sum_x p(x)\ln \frac{q(x)}{p(x)}\\ &\stackrel{\text{(a)}}{\leq} \sum_x p(x)\left(\frac{q(x)}{p(x)}-1\right)\\ &=\sum_x q(x) - \sum_x p(x)\\ &= 1 - 1\\ &= 0 \end{align}$

$\ln$

- \sum_{x} p (x) \log_{2} p (x) \leq - \sum_{x} p (x) \log_{2} q (x)

$-\sum_x p(x) \log_2 p(x) \leq -\sum_x p(x)\log_2 q(x)$

\sum_{x} p (x) \log_{2} p (x) - \sum_{x} p (x) \log_{2} q (x) \geq 0 \sum_{x} p (x) \log_{2} \frac{p (x)}{q (x)} \geq 0

$\sum_x p(x) \log_2 p(x) - \sum_x p(x)\log_2 q(x)\geq 0 \\ \sum_x p(x)\log_2 \frac{p(x)}{q(x)}\geq 0$

我之所以不将其作为单独的证明是因为，如果您要让我证明吉布斯不等式，我将不得不从KL散度的非负性开始，并从顶部进行同样的证明。

\sum_{i = 1}^{n} a_{i} \log_{2} \frac{a_{i}}{b_{i}} \geq (\sum_{i = 1}^{n} a_{i}) \log_{2} \frac{\sum_{i = 1}^{n} a_{i}}{\sum_{i = 1}^{n} b_{i}}

$\sum_{i=1}^{n} a_i \log_2 \frac{a_i}{b_i} \geq \left(\sum_{i=1}^{n} a_i\right)\log_2\frac{\sum_{i=1}^{n} a_i}{\sum_{i=1}^{n} b_i}$

Then we can show that $D_{KL}(p||q) \geq 0$ :

\begin{aligned} D (p | | q) & = \sum_{x} p (x) \log_{2} \frac{p (x)}{q (x)} \\ \overset{(b)}{\geq} (\sum_{x} p (x)) \log_{2} \frac{\sum_{x} p (x)}{\sum_{x} q (x)} \\ = 1 \cdot \log_{2} \frac{1}{1} \\ = 0 \end{aligned}

$\begin{align} D(p||q)&=\sum_x p(x)\log_2 \frac{p(x)}{q(x)}\\ &\stackrel{\text{(b)}}{\geq} \left(\sum_x p(x)\right)\log_2\frac{\sum_x p(x)}{\sum_x q(x)}\\ &=1 \cdot \log_2 \frac{1}{1}\\ &=0 \end{align}$

where we have used the Log sum inequality at (b).

Proof 3:

(Taken from the book "Elements of Information Theory" by Thomas M. Cover and Joy A. Thomas)

\begin{aligned} - D (p | | q) & = - \sum_{x} p (x) \log_{2} \frac{p (x)}{q (x)} \\ = \sum_{x} p (x) \log_{2} \frac{q (x)}{p (x)} \\ \overset{(c)}{\leq} \log_{2} \sum_{x} p (x) \frac{q (x)}{p (x)} \\ = \log_{2} 1 \\ = 0 \end{aligned}

$\begin{align} -D(p||q)&=-\sum_x p(x)\log_2 \frac{p(x)}{q(x)}\\ &= \sum_x p(x)\log_2 \frac{q(x)}{p(x)}\\ &\stackrel{\text{(c)}}{\leq} \log_2 \sum_x p(x)\frac{q(x)}{p(x)}\\ &=\log_2 1\\ &=0 \end{align}$

where at (c) we have used Jensen's inequality and the fact that $\log$ is a concave function.

— Andreas G.
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