Zagadnienia

14. O entropii metrycznej

14.1. Entropia rozbicia

Niech X,F,μ będzie przestrzenią z miarą probabilistyczną.

Definicja 14.1

Rozbicie mierzalne ξ=A1,,Ak- wszystkie Ai są mierzalne, parami rozłączne i Ai=X.

Definicja 14.2

Niech ξ,η będą rozbiciami. Określamy rozbicie (drobniejsze od obu)

ξη

Jest to rozbicie składające się ze wszystkich zbiorów postaci:

AiBj,Aiξ,Bjη.
Definicja 14.3 (Entropia rozbicia)

Niech ξ będzie rozbiciem mierzalnym, skończonym lub przeliczalnym.

Hξ=aξ-μAlogμA
Ćwiczenie 14.1

Sprawdzić że, jeśli rozbicie ξ ma n elementów, to Hξlogn i równość zachodzi dla rozbicna na n zbiorów o mierze 1n każdy.

Definicja 14.4 (Entropia warunkowa)

Niech ξ,η będą rozbiciami mierzalnymi, co najwyzej przeliczalnymi. Entropia ξ pod warunkiem η to

H(ξ|η)=-jμ(Bj)(iμAiBjμBjlogμAiBjμBj)
Twierdzenie 14.1

Niech ξ,η,ζ będą rozbiciami Wówczas:

  1. H(ξη|ζ)=H(ξ|ζ)+H(η|ξζ)

  2. H(ξη=H(ξ)+H(η|ξ)

  3. ξηH(ξ|ζ)H(η|ζ)

  4. ηζH(ξ|η)H(ξ|ζ)

  5. H(ξη|ζ)H(ξ|ζ)+H(η|ζ)

  6. H(ξ|ζ)H(ξ|η)+H(η|ζ)

Dowód jest rachunkowy, zostawiony jako ćwiczenie

14.2. Entropia przekształcenia

Niech T:XX będzie przekształceniem zachowującym miarę μ.

Stwierdzenie 14.1 (Stwierdzenie i definicja entropii przekształcenia na rozbiciu)

Niech ξ będzie rozbiciem co najwyżej przeliczalnym. Oznaczamy

ξ0n=ξT-1ξT(n-1)ξ.

Wowczas istnieje granica

limn1nHξ0n

nazywamy ją entropią T względem rozbicia ξ i oznaczamy hT,ξ

Wystarczy zauważyć że ciąg Hξ0n jest podaddytywny. Mamy

H(ξ0n+m)+H(ξT-1ξT(n+m-1)ξ)=H((ξT-1ξT(n-1)ξ)(T-n(ξt-mξ))

Z włąsności 5 w poprzednim twierdzeniu i z niezmienniczości miary, możemy prawą stronę oszacować z góry przez

Hξ0n+Hξ0m
Definicja 14.5 (Entropia przekształcenia)

Niech T będzie przekształceniem zachowujacym miarę. Entropia hμT to

hμT=supξhT,ξ

gdzie supremum jest wziete po wszystkich skończonych mierzalnych rozbiciach X.

Następujące ważne twierdzenie podajemy bez dowodu:

Twierdzenie 14.2 (Twierdzenie Shannona- Breimana- Mcmillana)

X,F,μ- przestrzeń z miarą probabilistyczną, T- ergodyczne przekształcenie zachowujące miarę μ, ξ- mierzalne rozbicie (skończone, albo przeliczalne, o skończonej entropii). Oznaczmy

I(ξ0n-1)(x)=-logμ(An(x)

(gdzie Anx jest elementem rozbicia ξ0n-1 do którego należy punkt x). Wówczas:

1nIξ0n-1xHt,ξ

prawie wszedzie i w L1μ.

Bezpośrednio z definicji entropii wynika:

Twierdzenie 14.3

Entropia metryczna jest niezmiennikiem izomorfizmu miarowego przekształceń: jeśli T zachowuje miarę μ na przestrzeni X, zaś S zachowuje miarę ν na przestrzeni Y,i istnieje mierzalna bijekcja h:XY przekształcająca miarę μ na miarę ν taka że Sh=hT, to hμT=hνS.

14.3. Jak liczyć entropię metryczna

Widać że wyznaczenie entropii wymaga - według definicji- policzenia supremum po wszystkich skończonych rozbiciach. W wielu przypadkach można jednak wyliczyć entropię powołując się na twierdzenie poniżej:

Definicja 14.6

Niech T będzie automorfizmem przestrzeni z miarą X,F,μ. Rozbicie ξ nazywamy dwustronnym generatorem, jeśli najmniejsze σ-ciało zawierajace wszystkie zbiory należące do rozbić -NNTnξ jest równe F.

Twierdzenie 14.4

Niech T będzie automorfizmem przestrzeni z miarą X,F,μ. Założmy że ξ jest dwustronnym generatorem. Wówczas

hμT=hμT,ξ.
Przykład 14.1

Niech T będzie obrotem na okręgu. Policzmymy entropię względem miary Lebesgue'a.  

Jeśli kąt obrotu jest współmierny z π, to Tk=Id dla pewnego k, a to oznacza że dla każdego skończonego rozbicia ξ liczebność rozbicia ξT-1ξT-nξ jest ograniczona przez stała niezależna od n. Zatem Hi=1nT-iξ jest ograniczone, a stąd ht=0.

Jeśli kąt obrotu nie jest współmierny z π to rozbicie ξ na dwa półokręgi jest dwustronnym generatorem (dlaczego); zatem- entropię można policzyć na tym rozbiciu.

Rozbicie 0n-1T-iξ ma co najwyżej 2n elementów (dlaczego?) Stąd wynika że 1nH0n-1T-iξ0.

Wykazaliśmy więc że entropia obrotu na okręgu, względem mairy Lebesgue'a, jest równa zero.

Przykład 14.2 (Przesunięcie Bernoulliego)

Niech Y-0,2,,k-1. Niech X=-Y. Elementami X są więc nieskończone ciągi dwustronne, o wyrazach należących do zbioru Y. W Y wprowadzamy miarę, która każdemu elementowi i przyporządkowyje wagę pi; w X wprowadzamy miarę produktową, an σ-ciele generowanym przez wszystkie zbiory cylindryczne, postaci x-n=a-n,,x0=a0,xn=an. Przekształceniem T jest przesunięcie ciągu w lewo o jedno miejsce. Oczywiście rozbicie ξ na cylindry pierwszej generacji:

x0=a0

jest dwustronnym generatorem i można policzyć entropię na tym rozbiciu:

hμT=lim1nHξT-1ξT-n-1ξ=-lim1ni0,i1,in-1pi0pi1pin-1logpi0pi1pin-1=-lim1ni0,in-1=0k-1pi0pi1pin-1logpi0+logpi1++logpin-1=-lim1nnp0logp0i1,in-1pi1pin-1+p1logp1i0,i2in-1pi0pi2pin-1+ (14.1)

POnieważ każda z sum w nawiasach jest równa 1 (dlaczego?), otrzymujemy

hμT=-pilogpi.

Zatem- na przykład: przesunięcie Bernoulliego z wagami 12,12 i z wagami 131313 nie są izomorficzne, bo mają różne entropie.

Przesunięcia z wagami 14,14,14,14 i 12,18,18,18,18 mają tę samą entropię, równą 2log2. W latach sześćdziesiątych Mieszałkin wykazał ze te dwa ostatnie układy są izomorficze (chociaż mają rózne liczby stanów). Późniejsze, słynne twierdzenie Ornsteina mówi, że dwa przesunięcia Bernoulliego są izomorficzne wtedy i tylko wtedy gdy mają równe entropie metryczne.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.