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数学中的熵-相关问题

数学中的熵-相关问题

作者: wale06 | 来源:发表于2018-12-22 17:59 被阅读0次

    1. 猜数字游戏

    A 写下一个数 x,其取值范围为 x\in [1,n],B 来猜这个数字是多少,A 会告诉 B 猜的数字比 x 大了还是小了,问 B 最少猜多少次可以猜出这个数字?

    x 看作一个随机数,他的取值范围是[1,n],B 第一次任意猜一个数,猜中的概率是 P(x) = \frac{1}{n}。利用数学中的熵的定义,B 猜中的熵是
    S_{x\in[1,n]} = -\Sigma_{x\in[1,n]}{P(x)\log_2 P(x)} = \log_2 n

    假如 B 第一次猜的数是 y,则 P(x\in[1,y]) = \frac{y}{n}P(x\in(y,n]) = \frac{n-y}{n}, 则 条件熵(给定条件下的熵)为 S_1 = P(x\in[1,y])S_{x\in[1,y]} + P(x\in(y,n])S_{x\in[y,n]}\\ =\frac{y}{n} \log_2 y +\frac{n-y}{n}\log_2 (n-y)

    y 取何值时,熵最小?
    \frac{dS_1}{dy} = 0\rightarrow y = \frac{n}{2}

    所以每次都猜一个区间的中间值是最优的选择。由于 A 会告诉 B 两种状态,因此 B 只需要猜 \lceil\log_2 n \rceil 就可以猜出 A 给定的数。n 代表可取的状态数,2 代表给定信息的个数

    2. 排序问题

    n 个互不相等的数,需要通过多少次比较才可以将这些数从小到大排序?

    比较两个数 a,b 的大小有两种状态,所以对数的底应取为 2,n 个数排序的方式,即可取的状态数为 A_n^n = n!,所以需要比较 \lceil(\log_2 n!)\rceil 次。

    3. 猜球问题

    有 n 个球,其中有一个球与其他 n-1 个球的重量不一样,现在有一个天平,问需要称多少次可以找出这个球?

    天平有三种状态,故对数的底应为3,n 个球要么重了要么轻了,故有 2n 中状态数,所以需要称 (\lceil\log_3 2n\rceil) 次可以找出这个球。

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