Informationstheorie. Was ist neu. Allgemeines. Modul 1: Einführung und Wahrscheinlichkeitsrechnung
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- Johann Adenauer
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1 Modul : Eführug ud Wahrschelchketsrechug Iformatostheore Dozet: Prof. Dr. M. Gross E-mal: grossm@f.ethz.ch Assstete: Dael Cottg, Rchard Keser, Mart Wcke, Cyrl Flag, Adrea Fracke, Joas Waefler Web Page: htt://grahcs.ethz.ch Allgemees Was st eu Zur Vorlesug Skrt ud Textbooks Elektrosches Materal Tafel Besele Übugsablauf - Grueetelug Testatbedguge: 8 aus 9 Übuge Klausur: 2 Stude Hlfsmttel: kee Ke Mdterm. Alle frühere Tafelbesele u auf Fole (cht mehr mtschrebe 2. Java-Alets zur Illustrato der wchtgste Algorthme Eführug Iformatostheore Eführug Iformatostheore 4
2 Vorlesugsla Thema Eführug ud Grudlage Stochastsche Prozesse Tag der Lehre Etroe Bedgte Etroe Iformatosquelle Coderug dskreter Quelle Otmalcoderug ud Huffma Codes Arthmetsche Coderug/Itervallläge/ LZ. Tel Arthmetsche Coderug/Itervallläge/ LZ 2. Tel Bäre Kaäle Coderugstheorem ud Fehlerkorrektur Sydromcoderug/ Hammg Codes Polyomevaluatoscodes Vorlesug Uebug Ty Theore Theore kee Praxs Theore Theore kee Theore kee Theore Theore Praxs* kee Ausgabe Abgabe Eführug Iformatostheore 5 Skrt ud Bücher H. Klmat, R. Potraschke, D. Schöfeld: Iformatos- ud Kommukatostheore, 2.Auflage, Teuber, 200. T. Cover, J. Thomas: Elemets of Iformato Theory, Joh Wley, 99. U. Maurer: Skrt zur Vorlesug Iformato ud Kommukato, WS 200/2004. F. Reza: A Itroducto to Iformato Theory, Dover Publcatos, 994. H.D. Lüke: Sgalübertragug, Srger, 6. Auflage, 995. T. Bell, J. Cleary, I. Wtte: Text Comresso, Pretce Hall, 990. A. Oehem, R. Schafer, J. Buck: Zetdskrete Sgalverarbetug, 2. Auflage Pearso, Eführug Iformatostheore 6 Zele der Vorlesug Hstore Eführug de Iformatos- ud Koderugstheore Quatfzerug vo Iformato Abschätzug mathematscher Greze für de Komresso vo Date Verlustfree Koderugsverfahre Redudate, fehlerkorrgerede Koderugsverfahre Praktsche Besele Iformatostheore wurde vo Claude Shao begrüdet ud 948 ublzert Mathematcal theory of commucato, ee der bedeutedste Theore der Iformatk Eführug Iformatostheore 7 Eführug Iformatostheore 8 2
3 Begrff der Iformato Kommukato Iformato bekomme wr, we wr etwas Neues erfahre Altbekates stellt kee Iformato dar Iformato msst also de Neuhetsgrad eer emfagee Meldug Seder Kaal Modell/Wsse Emfäger Der Emfäger erhält da u. U. verfälschte Iformato Fehler köe durch Efüge vo Redudaz gezelt korrgert werde Wess der Emfäger mehr, so muss der Seder weger Iformato übertrage Offebar st der Begrff der Iformato eg mt de Begrff der Kommukato verküft Kommukato st der Austausch vo Iformato zwsche zwe oder mehrere Parter Iformato st also vom Ketsstad des Emfägers abhägg. Eführug Iformatostheore 9 Eführug Iformatostheore 0 Übertragugsmodell Komresso Der Seder stellt ee Iformatosquelle dar Dese ka kotuerlch oder dskret se Der Kaal ka deal (verlustfre, oder chtdeal (verlustbehaftet se I cht-deale Kaäle etstehe durch Störuge Fehler Störug Kaal Zel st de Übertragug vo Iformato mt möglchst weg Iformatosehete Dese werde auch als bts (basc formato uts bezechet. Verhälts aus überschüssge bts zu otwedge bts st de Redudaz Komresso zelt auf de Etferug uötger, redudater bts Komresso ka verlustfre oder verlustbehaftet se Seder Emfäger bts werde grudsätzlch vo Bts (bary dgts uterschede. Be Bärcoderug glt: bts Bts Eführug Iformatostheore Eführug Iformatostheore 2
4 Besele Grudsätzlche Frage Verlustbehaftete Bldkomresso: JPEG: 40 KB Verlustlose Textkomresso: Des st e kleer Text 25 ASCII-Zeche200 Bts JPEG: 25 KB Gbt es ee utere Greze für de mmale Azahl vo bts zur Übertragug eer bestmmte Iformato? Köe wr de Iformatosgehalt eer Nachrcht quattatv erfasse? We ädert sch de Betrachtug, we wr de Verhältsse m statstsche Mttel über ee lage Zetraum betrachte? Gbt es Möglchkete, dese theoretsche utere Schrake zu erreche? Eführug Iformatostheore Eführug Iformatostheore 4 Besel: Würfel Iformatosgehalt Würfelexermet mt 6 glechwahrschelche Eregsse dskret, bärcodert Um e Eregs zu codere, brauche wr offebar log 2 6 Bts Für k Würfe beötge wr demach k log 2 6 Bts Das hesst, Würfe ( 6 26 köe wr mt 8 Bts codere Für k erhalte wr Bts ro Eregs Um ee Zufallsvarable mt N verschedee, glechwahrschelche Zustäde bär zu codere, beötge wr offebar log 2 N Bts Se N /N de Wahrschelchket ees Zustades, so beötge wr also log 2 N Bts De Zustadswahrschelchket selt also be der Coderug ee bedeutede Rolle Eführug Iformatostheore 5 Eführug Iformatostheore 6 4
5 Grezbetrachtug Besel: Textcoderug Wr verallgemeer deses Kozet Se Z ee Zufallsvarable mt N möglche Zustäde {z,...,z N } Se de Wahrschelchket, dass Zz, so köte ma mt folgeder Verallgemeerug de Azahl der beötgte Bts bereche: De folgede Tabelle zegt de Wahrschelchkete ezeler Textzeche Deutscher Srache ( Prozet a 6.44 b.9 c 2.68 d 4.8 e 7.5 f.65 g.06 h k.46 l.49 m 2.58 N log o q 0.02 r 7.54 s 6.8 t 6. u 4.7 v 0.94 w.48 x 0.04 y 0.08 z.4 Erklärug folgt säter Ma deke über de Imlkatoe deser Formel gut ach. Eführug Iformatostheore 7 Eführug Iformatostheore 8 Besel: Textcoderug De Wahrschelchket Mt Hlfe der vorherge Formel bereche wr de Azahl vo Bts zu Coderug ees ezele Zeches: N log Dese Grösse wrd auch Etroe geat. Se stellt ee statstsche Mttelwert dar, d.h. m Mttel braucht ma mdestes 4.07 Bts zur Coderug ees Zeches Deutscher Srache. E Wahrschelchketsmass auf eer Mege Ω st ee Fukto P vo Utermege vo Ω auf R, welche de folgede Axome erfüllt: P(Ω We A Ω, da P(A 0 We A ud A 2 dsukt, da P( A A2 P( A + P( A2 Allgeme (Summeformel: P( U A P( A Eführug Iformatostheore 9 Eführug Iformatostheore 20 5
6 Egeschafte Besel: 2 Müzwürfe Addtosgesetz P( A B P( A + P( B P( A B Praktsche Berechug vo Wahrschelchkete durch Zähle: Azahl Eregsse mt A P( A Gesamtzahl Eregsse P(A: Kof m erste Wurf P(B: Kof m zwete Wurf Ω { kk, kz, zk, zz} P(C: Kof m erste oder zwete Wurf P( C P( A + P( B, P( C P( A + P( B P( A B Eführug Iformatostheore 2 Eführug Iformatostheore 22 Bedgte Wahrschelchket Besel: Ure ( De bedgte Wahrschelchket st de Wahrschelchket vo A gegebe B: P( A B P( A B P( B Daraus folgt das Multlkatosgesetz P( A B P( A B P( B Ure mt rote ud eem blaue Ball. Zwe mal zehe ohe zurücklege. R : rot m erste Zug : rot m zwete Zug R 2 P( R R2 P( R P( R2 R Eführug Iformatostheore 2 Eführug Iformatostheore 24 6
7 Totale Wahrschelchket Besel: Ure (2 See B,,B so, dass U B Ω, ud B B Ø, Sowe P(B > 0 für alle. Da glt für e belebges Eregs A P( A P( A B P( B Wahrschelchket, rot m zwete Zug zu zehe. P( R2 P( R2 R P( R + P( R2 R P( R Eführug Iformatostheore 25 Eführug Iformatostheore 26 Bayessche Regel Besel: Bayes ( De Bayessche Regel st vo fudametaler Bedeutug der Wahrschelchketstheore See B,,B Eregsse so, dass U B Ω, ud B B Ø, Sowe P(B > 0 für alle. Da glt: P( B A P( A B P( B P( A B P( B P( A B P( B P( B A P( A Sam-Flter + : Keyword Mal : Keyword Mal S : Mal st Sam N : Mal st ke Sam Statstsche Auswertuge ergebe: P( + S 0.88 P( S 0.2 P( + N 0.4 P( N 0.86 Eführug Iformatostheore 27 Eführug Iformatostheore 28 7
8 Besel: Bayes (2 Zufallsvarable Formel vo Bayes agewadt: P( + N P( N P( N + P( + N P( N + P( + S P( S P(N 0.5 ud P(S P( N Ee Zufallsvarable st m Wesetlche ee Zufallszahl Se ka etweder kotuerlch oder dskret se Dskrete Zufallsvarable ehme ur edlch vele, oder uedlch vele, aber abzählbare Zustäde a! Besel: Der Würfelwurf als Zufallsvarable mt Werte,2,,4,5,6 Eführug Iformatostheore 29 Eführug Iformatostheore 0 Zufallsvarable Verteluge De Wahrschelchket auf eer (dskrete Zufallsvarable wrd we folgt defert: Zufallsvarable sd oft charakterstsch vertelt Ee bekate Fukto st de Bomalvertelug See x, x 2 de möglche Werte vo, da st de Fukto (x P(x de Häufgketsfukto (frequecy fucto k ( k k Es glt: ( x Zwe Zufallsvarable ud Y sd uabhägg, we P( x, Y y P( x P( Y y Eführug Iformatostheore Eführug Iformatostheore 2 8
9 Verbudverteluge Margalserug Ebeso ka ma de gemesame Wahrschelchketsvertelug mehrerer Zufallsvarable utersuche De Verbudwahrschelchket vo ud Y ( x, y P( x, Y y oder x P( x ( x L De Wahrschelchket ees Zustades x vo ka durch Margalserug (Summato aus Verbudwahrschelchket berechet werde ( x ( x, y Für m Zufallsvarable glt etsreched ( x ( x L x m x2... x m Notato: ( x P( x ( x, x2 ( x Lx 2 m x... x m Eführug Iformatostheore Eführug Iformatostheore 4 Bedgte Verteluge Besel: Bed. Verteluge De bedgte Vertelug vo ud Y De Verbudwahrschelchket vo ud Y st P( x, Y y Y ( x, y P( x Y y P( Y y ( y Vergleche mt Bayesschem Gesetz! Y Gegebe ud Y mt Verteluge: Margalserug: \ y x 0 0 /8 0 2/8 /8 PY ( PY (0, + P Y 2 /8 2/8 (, 0 /8 Oder auch Y ( x, y Y ( x y ( y Y P (0, P ( Y P Y (0 Y 2 Margalserug ( x ( x y Y Y ( y y P (, P ( 8 8 Y P Y ( Y Eführug Iformatostheore 5 Eführug Iformatostheore 6 9
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