信息论与编码习题与答案第二章

信息论与编码理论习题答案LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】第二章 信息量和熵八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步，每秒1000个码字，求它的信息速率。

解：同步信息均相同，不含信息，因此 每个码字的信息量为 2⨯8log =2⨯3=6 bit因此，信息速率为 6⨯1000=6000 bit/s掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为：(a) 7; (b) 12。

问各得到多少信息量。

解：(1) 可能的组合为 {1，6},{2，5},{3，4},{4，3},{5，2},{6，1})(a p =366=61得到的信息量 =)(1loga p =6log = bit (2) 可能的唯一，为 {6，6})(b p =361得到的信息量=)(1logb p =36log = bit 经过充分洗牌后的一副扑克（52张），问：(a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？(b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量？解：(a) )(a p =!521信息量=)(1loga p =!52log = bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C = bit 随机掷3颗骰子，X 表示第一颗骰子的结果，Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和，Z 表示3颗骰子的点数之和，试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。

解：令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ，1x ，2x ，3x 相互独立，则1x X =，21x x Y +=，321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6= bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H=2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6= bit )|(Y X H =)(X H -);(Y X I =)(X H -[)(Y H -)|(X Y H ]而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H = 2)(X H -)(Y H = bit或)|(Y X H =)(XY H -)(Y H =)(X H +)|(X Y H -)(Y H 而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H =2)(X H -)(Y H = bit),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H = bit )|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =+= bit设一个系统传送10个数字，0，1，…，9。

第二章习题解答2-1、试问四进制、八进制脉冲所含信息量是二进制脉冲的多少倍？ 解：四进制脉冲可以表示4个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3}八进制脉冲可以表示8个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 二进制脉冲可以表示2个不同的消息，例如：{0, 1} 假设每个消息的发出都是等概率的，则：四进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 24log log )(1=== 八进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 38log log )(2=== 二进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 12log log )(0===所以：四进制、八进制脉冲所含信息量分别是二进制脉冲信息量的2倍和3倍。

2、 设某班学生在一次考试中获优（A ）、良（B ）、中（C ）、及格（D ）和不及格（E ）的人数相等。

当教师通知某甲：“你没有不及格”，甲获得了多少比特信息？为确定自己的成绩，甲还需要多少信息？ 解：根据题意，“没有不及格”或“pass”的概率为54511pass =-=P 因此当教师通知某甲“没有不及格”后，甲获得信息在已知“pass”后，成绩为“优”（A ），“良”（B ），“中”（C ）和“及格”（D ） 的概率相同：41score )pass |()pass |()pass |()pass |(=====D P C P B P A P P 为确定自己的成绩，甲还需信息bits 241loglog score score =-=-=P I 3、中国国家标准局所规定的二级汉字共6763个。

设每字使用的频度相等，求一个汉字所含的信息量。

设每个汉字用一个1616⨯的二元点阵显示，试计算显示方阵所能表示的最大信息。

显示方阵的利用率是多少？解：由于每个汉字的使用频度相同，它们有相同的出现概率，即67631=P 因此每个汉字所含的信息量为bits 7.1267631loglog =-=-=P I 字每个显示方阵能显示256161622=⨯种不同的状态，等概分布时信息墒最大，所以一个显示方阵所能显示的最大信息量是bits322.054log log passpass =-=-=P Ibits 25621loglog =-=-=P I 阵显示方阵的利用率或显示效率为0497.02567.12===阵字I I η 4、两个信源1S 和2S 均有两种输出：1 ,0=X 和1 ,0=Y ，概率分别为2/110==X X P P ，4/10=Y P ，4/31=Y P 。

《信息论与编码》-曹雪虹-课后习题答案 第二章2.1一个马尔可夫信源有3个符号{}1,23,u u u ，转移概率为：()11|1/2p u u =，()21|1/2p uu =，()31|0p u u =，()12|1/3p u u =，()22|0p u u =，()32|2/3p u u =，()13|1/3p u u =，()23|2/3p u u =，()33|0p u u =，画出状态图并求出各符号稳态概率。

解：状态图如下状态转移矩阵为：1/21/201/302/31/32/30p ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭设状态u 1，u 2，u 3稳定后的概率分别为W 1，W 2、W 3由1231WP W W W W =⎧⎨++=⎩得1231132231231112331223231W W W W W W W W W W W W ⎧++=⎪⎪⎪+=⎪⎨⎪=⎪⎪⎪++=⎩计算可得1231025925625W W W ⎧=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩2.2 由符号集{0，1}组成的二阶马尔可夫链，其转移概率为：(0|00)p =0.8，(0|11)p =0.2，(1|00)p =0.2，(1|11)p =0.8，(0|01)p =0.5，(0|10)p =0.5，(1|01)p =0.5，(1|10)p =0.5。

画出状态图，并计算各状态的稳态概率。

解：(0|00)(00|00)0.8p p == (0|01)(10|01)0.5p p ==(0|11)(10|11)0.2p p == (0|10)(00|10)0.5p p == (1|00)(01|00)0.2p p == (1|01)(11|01)0.5p p == (1|11)(11|11)0.8p p == (1|10)(01|10)0.5p p ==于是可以列出转移概率矩阵：0.80.200000.50.50.50.500000.20.8p ⎛⎫ ⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭状态图为：设各状态00，01，10，11的稳态分布概率为W 1,W 2,W 3,W 4 有411i i WP W W ==⎧⎪⎨=⎪⎩∑ 得 13113224324412340.80.50.20.50.50.20.50.81W W W W W W W W W W W W W W W W +=⎧⎪+=⎪⎪+=⎨⎪+=⎪+++=⎪⎩ 计算得到12345141717514W W W W ⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪=⎪⎪⎪=⎩2.3 同时掷出两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都为1/6，求：(1) “3和5同时出现”这事件的自信息； (2) “两个1同时出现”这事件的自信息； (3) 两个点数的各种组合（无序）对的熵和平均信息量；(4) 两个点数之和（即2, 3, … , 12构成的子集）的熵；(5) 两个点数中至少有一个是1的自信息量。

第二章习题解答2-1、试问四进制、八进制脉冲所含信息量是二进制脉冲的多少倍？ 解：四进制脉冲可以表示4个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3} 八进制脉冲可以表示8个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 二进制脉冲可以表示2个不同的消息，例如：{0, 1} 假设每个消息的发出都是等概率的，则：四进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 24log log )(1=== 八进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 38log log )(2=== 二进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 12log log )(0===所以：四进制、八进制脉冲所含信息量分别是二进制脉冲信息量的2倍和3倍。

2、 设某班学生在一次考试中获优（A ）、良（B ）、中（C ）、及格（D ）和不及格（E ）的人数相等。

当教师通知某甲：“你没有不及格”，甲获得了多少比特信息？为确定自己的成绩，甲还需要多少信息？ 解：根据题意，“没有不及格”或“pass”的概率为54511pass =-=P 因此当教师通知某甲“没有不及格”后，甲获得信息在已知“pass”后，成绩为“优”（A ），“良”（B ），“中”（C ）和“及格”（D ） 的概率相同：41score )pass |()pass |()pass |()pass |(=====D P C P B P A P P 为确定自己的成绩，甲还需信息bits 241loglog score score =-=-=P I 3、中国国家标准局所规定的二级汉字共6763个。

设每字使用的频度相等，求一个汉字所含的信息量。

设每个汉字用一个1616⨯的二元点阵显示，试计算显示方阵所能表示的最大信息。

显示方阵的利用率是多少？解：由于每个汉字的使用频度相同，它们有相同的出现概率，即67631=P 因此每个汉字所含的信息量为bits 7.1267631loglog =-=-=P I 字每个显示方阵能显示256161622=⨯种不同的状态，等概分布时信息墒最大，所以一个显示方阵所能显示的最大信息量是bits 322.054loglog passpass =-=-=P Ibits 25621loglog 256=-=-=P I 阵显示方阵的利用率或显示效率为0497.02567.12===阵字I I η 4、两个信源1S 和2S 均有两种输出：1 ,0=X 和1 ,0=Y ，概率分别为2/110==X X P P ，4/10=Y P ，4/31=Y P 。

第二章习题参考答案2-1解：同时掷两个正常的骰子，这两个事件是相互独立的，所以两骰子面朝上点数的状态共有6×6＝36种，其中任一状态的分布都是等概的，出现的概率为1/36。

(1)设“3和5同时出现”为事件A ，则A 的发生有两种情况：甲3乙5，甲5乙3。

因此事件A 发生的概率为p(A)=(1/36)*2=1/18 故事件A 的自信息量为I(A)=－log 2p(A)=log 218=4.17 bit(2)设“两个1同时出现”为事件B ，则B 的发生只有一种情况：甲1乙1。

因此事件B 发生的概率为p(B)=1/36 故事件B 的自信息量为I(B)=－log 2p(B)=log 236=5.17 bit (3) 两个点数的排列如下：因为各种组合无序，所以共有21种组合： 其中11，22，33，44，55，66的概率是3616161=⨯其他15个组合的概率是18161612=⨯⨯ symbol bit x p x p X H ii i / 337.4181log 18115361log 3616)(log )()(=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯-=-=∑(4) 参考上面的两个点数的排列，可以得出两个点数求和的概率分布：symbolbit x p x p X H X P X ii i / 274.3 61log 61365log 365291log 912121log 1212181log 1812361log 3612 )(log )()(36112181111211091936586173656915121418133612)(=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑(5)“两个点数中至少有一个是1”的组合数共有11种。

bit x p x I x p i i i 710.13611log)(log )(3611116161)(=-=-==⨯⨯=2-2解：(1)红色球x 1和白色球x 2的概率分布为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2121)(21x x x p X i 比特 12log *21*2)(log )()(2212==-=∑=i i i x p x p X H(2)红色球x 1和白色球x 2的概率分布为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡100110099)(21x x x p X i 比特 08.0100log *100199100log *10099)(log )()(22212=+=-=∑=i i i x p x p X H (3)四种球的概率分布为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡41414141)(4321x x x x x p X i ，42211()()log ()4**log 4 2 4i i i H X p x p x ==-==∑比特 2-5解：骰子一共有六面，某一骰子扔得某一点数面朝上的概率是相等的，均为1/6。

（有问题请更正并通知xiezg@ ）第二章 信息的度量1． 一珍珠养殖场收获240颗外观及重量完全相同的特大珍珠，但不幸被人用外观相同但重量仅有微小差异的假珠换掉1颗。

（1）一人随手取出3颗，经测量恰好找出了假珠，问这一事件大约给出了多少比特的信息量；（2）不巧假珠又滑落进去，那人找了许久却未找到，但另一人说他用天平最多6次能找出，结果确是如此，问后一事件给出多少信息量；（3）对上述结果作出解释。

解：（1）从240颗珠子中取3颗，含1颗假珠的概率为（2）240颗中含1颗假珠，用天平等分法最多6次即可找到假珠，是必然事件，因此信息量为0。

（3）按照shannon 对信息量的定义，只有事件含有不确知成分，才有信息量，且不确知成分越大，信息量越大，必然事件则没有信息量。

但从广义信息论来说，如果那人不知用天平二分法找假珠，另一人告之此事，使他由不知到知，也应该含有一定的信息量。

2．每帧电视图像可以认为是由3⨯105个象素组成，所有象素均独立变化，且每一象素又取128个不同的亮度电平，并设亮度电平等概率出现。

问每帧图像含有多少信息量？如果一个广播员在约10000个汉字的字汇中选取1000个字来口述此电视图像，试问广播员描述此图像所广播的信息量是多少（假设汉字字汇是等概率分布，且彼此独立）？若要恰当地描述此图像，广播员在口述中至少需用多少汉字？解：设电视图像每个像素取128个不同的亮度电平，并设电平等概率出现，则每个像素亮度含有的信息量为7128)(H ==lb X 比特/像素一帧中像素均是独立变化的，则每帧图像信源就是离散亮度信源的无记忆N 次扩展信源。

得每帧会图像含有的信息量为6101.2)()(⨯==X NH X H N比特/每帧广播口述时，广播员是从10000个汉字字汇中选取的，假设汉字字汇是等概率分布的，则汉字字汇中每个汉字含有的信息量29.131000)(==lb Y H 比特/字广播员口述电视图像是从此汉字字汇信源中独立地选取1000个字来描述的。

第二章 信息的度量习题参考答案不确定性与信息（2.3）一副充分洗乱的牌（含52张），试问： （1）任一特定排列所给出的不确定性是多少？（2）随机抽取13张牌，13张牌的点数互不相同时的不确定性是多少？ 解：（1）一副充分洗乱的扑克牌，共有52张，这52张牌可以按不同的一定顺序排列，可能有的不同排列状态数就是全排列种数，为6752528.06610P =≈⨯!因为扑克牌充分洗乱，所以任一特定排列出现的概率是相等的。

设事件A 为任一特定排列，则其发生概率为 ()6811.241052P A -=≈⨯!可得，任一特定排列的不确定性为()()22log log 52225.58I A P A =-=≈!比特 （2）设事件B 为从中抽取13张牌，所给出的点数都不同。

扑克牌52张中抽取13张，不考虑其排列顺序，共有1352C 种可能的组合，各种组合都是等概率发生的。

13张牌中所有的点数都不相同（不考虑其顺序）就是13张牌中每张牌有4种花色，所以可能出现的状态数为413。

所以()131341352441339 1.05681052P B C -⨯!!==≈⨯!则事件B 发生所得到的信息量为()()13213524log log 13.208I B P B C =-=-≈ 比特2.4同时扔出两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都是1/6，求： （1）“2和6 同时出现”这事件的自信息量。

（2）“两个3同时出现”这事件的自信息量。

（3）两个点数的各种组合（无序对）的熵。

（4）两个点数之和（即2，3，…，12构成的子集）的熵。

（5）两个点数中至少有一个是1的自信息。

解：同时扔两个正常的骰子，可能呈现的状态数有36种，因为两骰子是独立的，又各面呈现的概率为61，所以36种中任一状态出现的概率相等，为361。

（1） 设“2和6同时出现”这事件为A 。

在这36种状态中，2和6同时出现有两种情况，即2，6和2，6。

信息论与编码第2章习题解答2.1设有12枚同值硬币，其中⼀枚为假币。

只知道假币的重量与真币的重量不同，但不知究竟是重还是轻。

现⽤⽐较天平左右两边轻重的⽅法来测量（因⽆砝码）。

为了在天平上称出哪⼀枚是假币，试问⾄少必须称多少次？解：分三组，每组4个，任意取两组称。

会有两种情况，平衡，或不平衡。

(1) 平衡：明确假币在其余的4个⾥⾯。

从这4个⾥⾯任意取3个，并从其余8个好的⾥⾯也取3个称。

⼜有两种情况：平衡或不平衡。

a ）平衡：称⼀下那个剩下的就⾏了。

b ）不平衡：我们⾄少知道那组假币是轻还是重。

从这三个有假币的组⾥任意选两个称⼀下，⼜有两种情况：平衡与不平衡，不过我们已经知道假币的轻重情况了，⾃然的，不平衡直接就知道谁是假币；平衡的话，剩下的呢个⾃然是假币，并且我们也知道他是轻还是重。

(2) 不平衡：假定已经确定该组⾥有假币时候：推论1：在知道该组是轻还是重的时候，只称⼀次，能找出假币的话，那么这组的个数不超过3。

我们知道，只要我们知道了该组（3个）有假币，并且知道轻重，只要称⼀次就可以找出来假币了。

从不平衡的两组中，⽐如轻的⼀组⾥分为3和1表⽰为“轻（3）”和“轻（1）”，同样重的⼀组也是分成3和1标⽰为“重（3）”和“重（1）”。

在从另外4个剩下的，也就是好的⼀组⾥取3个表⽰为“准（3）”。

交叉组合为：轻（3） + 重（1）？=======？轻（1） + 准（3）来称⼀下。

⼜会有3种情况：(1)左⾯轻：这说明假币⼀定在第⼀次称的时候的轻的⼀组，因为“重（1）”也出现在现在轻的⼀边，我们已经知道，假币是轻的。

那么假币在轻（3）⾥⾯，根据推论1，再称⼀次就可以了。

(2)右⾯轻：这⾥有两种可能：“重（1）”是假币，它是重的，或者“轻（1）”是假币，它是轻的。

这两种情况，任意取这两个中的⼀个和⼀个真币称⼀下即可。

(3)平衡：假币在“重（3）”⾥⾯，⽽且是重的。

根据推论也只要称⼀次即可。

2.2 同时扔⼀对骰⼦，当得知“两骰⼦⾯朝上点数之和为2”或“⾯朝上点数之和为8”或“骰⼦⾯朝上之和是3和4”时，试问这三种情况分别获得多少信息量？解：设“两骰⼦⾯朝上点数之和为2”为事件A ，则在可能出现的36种可能中，只能个骰⼦都为1，这⼀种结果。

第二章 信息量和熵2.2八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步,每秒1000个码字,求它的信息速率.解:同步信息均相同，不含信息，因此 每个码字的信息量为 2⨯8log =2⨯3=6 bit因此，信息速率为 6⨯1000=6000 bit/s2。

3 掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为:(a ） 7； （b) 12。

问各得到多少信息量.解:(1) 可能的组合为 {1，6｝，｛2，5}，｛3，4},{4，3｝,{5，2｝,｛6,1｝)(a p =366=61得到的信息量 =)(1loga p =6log =2。

585 bit (2） 可能的唯一，为 {6,6｝)(b p =361得到的信息量=)(1logb p =36log =5。

17 bit2.4 经过充分洗牌后的一副扑克(52张）,问：（a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？(b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量?解:（a ） )(a p =!521信息量=)(1loga p =!52log =225.58 bit （b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C =13。

208 bit2.9随机掷3颗骰子，X 表示第一颗骰子的结果，Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和，Z 表示3颗骰子的点数之和，试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。

解:令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ，1x ，2x ，3x 相互独立,则1x X =，21x x Y +=，321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6=2.585 bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H=2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6 =3。

2.1 同时掷两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都是1/6，求： （1）“3和5同时出现”事件的自信息量； （2）“两个1同时出现”事件的自信息量；（3）两个点数的各种组合（无序对）的熵或平均信息量； （4）两个点数之和（即2，3，…，12构成的子集）的熵；（5）两个点数中至少有一个是1的自信息。

解：（1）一个骰子点数记为X ，另一个骰子的点数记做Y ，X 、Y 之间相互独立，且都服从等概率分布，即同理一个骰子点数为3，另一个骰子点数为5属于组合问题，对应的概率为181616161613Y Py 5X Px 5Y Py 3X Px P 1=⨯+⨯===+===）（）（）（）（对应的信息量为比特）（）（17.4181-lb P -I 11===lb（2）两个骰子点数同时为1的概率为）（）（3611Y Py 1X Px P 2==== 对应的信息量为比特）（）（17.5361-lb P -I 22===lb（3）各种组合及其对应的概率如下,6,5,4,3,2,1Y X 3616161Y X P ===⨯==）（共6种可能18161612Y X P =⨯⨯=≠）（ 共有15种可能因此对应的熵或者平均自信息量为34.418118115-3613616-H 1=⨯⨯⨯⨯=）（）（lb lb 比特/符号 （4）令Z=X+Y ，可以计算出Z 对应的概率分布如下对应的熵为符号比特）（）（）（）（）（）（）（/1.914366366-3653652-3643642-3633632-3633632-3623622-361361-2H 1=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=lb lb lb lb lb lb lb （5）X 、Y 相互独立，所以联合熵为比特）（）（597.06162Y X,I =⨯=lb2.2 设在一只布袋中装有100个大小、手感完全相同的球，每个球上涂有一种颜色。

100个球的颜色有下列3种情况：（1）红色球和白色球各50个； （2）红色球99个，白色球1个； （3）红、黄、蓝、白色球各25个。

第二章信息的度量2.1信源在何种分布时，熵值最大？又在何种分布时，熵值最小？答：信源在等概率分布时熵值最大；信源有一个为1，其余为0时熵值最小。

2.2平均互信息量I(X;Y)与信源概率分布q(x)有何关系？与p(y|x)又是什么关系？答：若信道给定，I(X;Y)是q(x)的上凸形函数；若信源给定，I(X;Y)是q(y|x)的下凸形函数。

2.3熵是对信源什么物理量的度量？答：平均信息量2.4设信道输入符号集为{x1,x2,……xk}，则平均每个信道输入符号所能携带的最大信息量是多少？答：kk k xi q xi q X H i log 1log 1)(log )()(2.5根据平均互信息量的链规则，写出I(X;YZ)的表达式。

答：)|;();();(Y Z X I Y X I YZ X I 2.6互信息量I(x;y)有时候取负值，是由于信道存在干扰或噪声的原因，这种说法对吗？答：互信息量)()|(log );(xi q yj xi Q y x I ，若互信息量取负值，即Q(xi|yj)<q(xi)，说明事件yi 的出现告知的是xi 出现的可能性更小了。

从通信角度看，视xi 为发送符号，yi 为接收符号，Q(xi|yj)<q(xi)，说明收到yi 后使发送是否为xi 的不确定性更大，这是由于信道干扰所引起的。

2.7一个马尔可夫信源如图所示，求稳态下各状态的概率分布和信源熵。

答：由图示可知：43)|(41)|(32)|(31)|(41)|(43)|(222111110201s x p s x p s x p s x p s x p s x p 即：43)|(0)|(41)|(31)|(32)|(0)|(0)|(41)|(43)|(222120121110020100s s p s s p s s p s s p s s p s s p s s p s s p s s p 可得：1)()()()(43)(31)()(31)(41)()(41)(43)(210212101200s p s p s p s p s p s p s p s p s p s p s p s p得：114)(113)(114)(210s p s p s p )]|(log )|()|(log )|()[()]|(log )|()|(log )|()[()]|(log )|()|(log )|()[(222220202121211111010100000s s p s s p s s p s s p s p s s p s s p s s p s s p s p s s p s s p s s p s s p s p H 0.25（bit/符号）2.8一个马尔可夫信源，已知：0)2|2(,1)2|1(,31)1|2(,32)1|1(x x p x x p x x p x x p 试画出它的香农线图，并求出信源熵。

第一章信息、消息、信号的定义？三者的关系？ 通信系统的模型？各个主要功能模块及作用？ 第二章信源的分类？自信息量、条件自信息量、平均自信息量、信源熵、不确定度、条件熵、疑义度、噪声熵、联合熵、互信息量、条件互信息量、平均互信息量以及相对熵的概念？计算方法? 冗余度?具有概率为)(x i p 的符号x i 自信息量：)(log )(x x i i p I -= 条件自信息量：)(log )(y x y x iiiip I -=平均自信息量、平均不确定度、信源熵：∑-=ii i x x p p X H )(log )()(条件熵：)(log ),()(),()(y x y x y x y x jijijijijiji p p I p Y X H ∑∑-==联合熵：),(log ),(),(),()(y x y x y x y x ji jiji ji jiji p p I p Y X H ∑∑-==互信息：)()(log)()()()(log),();(y x yx yx y x yy x jiji jiji jijjiji p p p p p p p Y X I ∑∑==熵的基本性质：非负性、对称性、确定性2.3 同时掷出两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都为1/6，求： (1) “3和5同时出现”这事件的自信息； (2) “两个1同时出现”这事件的自信息；(3) 两个点数的各种组合（无序）对的熵和平均信息量； (4) 两个点数之和（即2, 3, … , 12构成的子集）的熵； (5) 两个点数中至少有一个是1的自信息量。

解：(1)bitx p x I x p i i i 170.4181log )(log )(18161616161)(=-=-==⨯+⨯=(2)bit x p x I x p i i i 170.5361log)(log )(3616161)(=-=-==⨯=(3)两个点数的排列如下：11 12 13 14 15 16 21 22 23 24 25 26 31 32 33 34 35 36 41 42 43 44 45 46 51 52 53 54 55 56 6162 63 64 65 66共有21种组合：其中11，22，33，44，55，66的概率是3616161=⨯ 其他15个组合的概率是18161612=⨯⨯symbol bit x p x p X H ii i / 337.4181log 18115361log 3616)(log )()(=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯-=-=∑(4)两个点数求和的概率分布如下：sym bolbit x p x p X H X P X ii i / 274.3 61log 61365log 365291log 912121log 1212181log 1812361log 3612 )(log )()(36112181111211091936586173656915121418133612)(=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑(5){(1,2),(1,3),(1,4),(1,5),(1,6),(2,1),(3,1),(4,1),(5,1),(6,1),(1,1)}bit x p x I x p i i i 710.13611log)(log )(3611116161)(=-=-==⨯⨯=2.7 设有一离散无记忆信源，其概率空间为123401233/81/41/41/8X x x x x P ====⎛⎫⎛⎫=⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（1）求每个符号的自信息量（2）信源发出一消息符号序列为{202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210}，求该序列的自信息量和平均每个符号携带的信息量 解：122118()log log 1.415()3I x bit p x === 同理可以求得bit x I bit x I bit x I 3)4(,2)3(,2)2(===因为信源无记忆，所以此消息序列的信息量就等于该序列中各个符号的信息量之和 就有：123414()13()12()6()87.81I I x I x I x I x bit =+++=平均每个符号携带的信息量为87.811.9545=bit/符号 2.8 试问四进制、八进制脉冲所含信息量是二进制脉冲的多少倍？解：四进制脉冲可以表示4个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3}八进制脉冲可以表示8个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 二进制脉冲可以表示2个不同的消息，例如：{0, 1} 假设每个消息的发出都是等概率的，则：四进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 24log log )(1=== 八进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 38log log )(2=== 二进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 12log log )(0===所以：四进制、八进制脉冲所含信息量分别是二进制脉冲信息量的2倍和3倍。

信息论与编码课后习题答案第二章2.3 同时掷出两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都为1/6，求：(1) “3和5同时出现”这事件的自信息； (2) “两个1同时出现”这事件的自信息；(3) 两个点数的各种组合（无序）对的熵和平均信息量； (4) 两个点数之和（即2, 3, … , 12构成的子集）的熵； (5) 两个点数中至少有一个是1的自信息量。

解：(1)bitx p x I x p i i i 170.4181log )(log )(18161616161)(=-=-==⨯+⨯=(2)bitx p x I x p i i i 170.5361log )(log )(3616161)(=-=-==⨯=(3)两个点数的排列如下： 11 12 13 14 15 16 21 22 23 24 25 26 31 32 33 34 35 36 41 42 43 44 45 46 51 52 53 54 55 56 61 62 63 64 65 66共有21种组合：其中11，22，33，44，55，66的概率是3616161=⨯ 其他15个组合的概率是18161612=⨯⨯ symbol bit x p x p X H ii i / 337.4181log 18115361log 3616)(log )()(=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯-=-=∑参考上面的两个点数的排列，可以得出两个点数求和的概率分布如下：symbolbit x p x p X H X P X ii i / 274.3 61log 61365log 365291log 912121log 1212181log 1812361log 3612 )(log )()(36112181111211091936586173656915121418133612)(=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑(5)bit x p x I x p i i i 710.13611log)(log )(3611116161)(=-=-==⨯⨯=2.42.12 两个实验X 和Y ，X={x 1 x 2 x 3},Y={y 1 y 2 y 3},l 联合概率(),i j ij r x y r =为1112132122233132337/241/2401/241/41/2401/247/24r r r r r r rr r ⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（1） 如果有人告诉你X 和Y 的实验结果，你得到的平均信息量是多少？（2） 如果有人告诉你Y 的实验结果，你得到的平均信息量是多少？（3） 在已知Y 实验结果的情况下，告诉你X 的实验结果，你得到的平均信息量是多少？解：联合概率(,)i j p x y 为 22221(,)(,)log (,)724112log 4log 24log 4247244i j i j ijH X Y p x y p x y ==⨯+⨯+∑=2.3bit/符号X 概率分布 21()3log 3 1.583H Y =⨯=bit/符号(|)(,)() 2.3 1.58H X Y H X Y H Y =-=- Y 概率分布是 =0.72bit/符号 Y y1 y2 y3 P8/248/248/242.15P(j/i)=2.16 黑白传真机的消息元只有黑色和白色两种，即X={黑，白}，一般气象图上，黑色的Y X y1y 2 y 3 x 1 7/24 1/24 0 x 2 1/24 1/4 1/24 x 31/247/24X x 1 x 2 x 3 P8/248/248/24出现概率p(黑)＝0.3，白色出现的概率p(白)＝0.7。

部分答案，仅供参考。

2.1信息速率是指平均每秒传输的信息量点和划出现的信息量分别为3log ,23log ，一秒钟点和划出现的次数平均为415314.0322.01=⨯+⨯一秒钟点和划分别出现的次数平均为45.410那么根据两者出现的次数，可以计算一秒钟其信息量平均为253log 4153log 4523log 410-=+2.3 解：(a)骰子A 和B ，掷出7点有以下6种可能：A=1,B=6; A=2,B=5; A=3,B=4; A=4,B=3; A=5,B=2; A=6,B=1 概率为6/36=1/6，所以信息量-log(1/6)=1+log3≈2.58 bit(b) 骰子A 和B ，掷出12点只有1种可能： A=6,B=6概率为1/36，所以信息量-log(1/36)=2+log9≈5.17 bit2.5解：出现各点数的概率和信息量：1点：1/21，log21≈4.39 bit ； 2点：2/21，log21-1≈3.39 bit ； 3点：1/7，log7≈2.81bit ； 4点：4/21，log21-2≈2.39bit ； 5点：5/21，log （21/5）≈2.07bit ； 6点：2/7，log(7/2)≈1.81bit 平均信息量：(1/21)×4.39+(2/21)×3.39+(1/7)×2.81+(4/21)×2.39+(5/21)×2.07+(2/7)×1.81≈2.4bit2.7解：X=1:考生被录取； X=0:考生未被录取； Y=1:考生来自本市；Y=0:考生来自外地； Z=1: 考生学过英语；Z=0：考生未学过英语P(X=1)=1/4, P(X=0)=3/4; P(Y=1/ X=1)=1/2； P(Y=1/ X=0)=1/10；P(Z=1/ Y=1)=1, P(Z=1 / X=0, Y=0)=0.4, P(Z=1/ X=1, Y=0)=0.4, P(Z=1/Y=0)=0.4 (a) P(X=0,Y=1)=P(Y=1/X=0)P(X=0)=0.075, P(X=1,Y=1)= P(Y=1/X=1)P(X=1)=0.125P(Y=1)= P(X=0,Y=1)+ P(X=1,Y=1)=0.2P(X=0/Y=1)=P(X=0,Y=1)/P(Y=1)=0.375, P(X=1/Y=1)=P(X=1,Y=1)/P(Y=1)=0.625 I (X ;Y=1)=∑∑=====xx)P()1Y /(P log)1Y /(P )1Y (I )1Y /(P x x x x;x=1)P(X )1Y /1X (P log)1Y /1X (P 0)P(X )1Y /0X (P log)1Y /0X (P =====+======0.375log(0.375/0.75)+0.625log(0.625/0.25)=(5/8)log5-1≈0.45bit(b) 由于P(Z=1/ Y=1)=1, 所以 P （Y=1，Z=1/X=1）= P （Y=1/X=1）=0.5 P （Y=1，Z=1/X=0）= P （Y=1/X=0）=0.1那么P （Z=1/X=1）= P （Z=1,Y=1/X=1）+ P （Z=1,Y=0/X=1）=0.5+ P （Z=1/Y=0，X=1）P （Y=0/X=1）=0.5+0.5*0.4=0.7P(Z=1/X=0)= P （Z=1,Y=1/X=0）+ P （Z=1,Y=0/X=0）=0.1+P(Z=1/Y=0，X=0)P(Y=0/X=0)=0.1+0.9*0.4=0.46P （Z=1,X=1）= P （Z=1/X=1）*P(X=1)=0.7*0.25=0.175 P （Z=1,X=0）= P （Z=1/X=0）*P(X=0)= 0.46*0.75=0.345 P(Z=1) = P(Z=1,X=1)+ P(Z=1,X=0) = 0.52 P(X=0/Z=1)=0.345/0.52=69/104 P(X=1/Z=1)=35/104I (X ;Z=1)=∑∑=====xx )P()1Z /(P log )1Z /(P )1Z (I )1Z /(P x x x x;x=1)P(X )1Z /1X (P log )1Z /1X (P 0)P(X )1Z /0X (P log )1Z /0X (P =====+======(69/104)log(23/26)+( 35/104)log(35/26) ≈0.027bit(c)H （X ）=0.25*log(1/0.25)+0.75*log(1/0.75)=2-(3/4)log3=0.811bit H(Y/X)=-P(X=1,Y=1)logP(Y=1/X=1) -P(X=1,Y=0)logP(Y=0/X=1)-P(X=0,Y=1)logP(Y=1/X=0) -P(X=0,Y=0)logP(Y=0/X=0)=-0.125*log0.5-0.125*log0.5-0.075*log0.1-0.675*log0.9=1/4+(3/40)log10-(27/40)log(9/10)≈0.603bitH(XY)=H(X)+H(Y/X)=9/4+(3/4)log10-(21/10)log3=1.414bitP(X=0,Y=0,Z=0)= P(Z=0 / X=0, Y=0)* P( X=0, Y=0)=(1-0.4)*(0.75-0.075)=0.405 P(X=0,Y=0,Z=1)= P(Z=1 / X=0, Y=0)* P( X=0, Y=0)=0.4*0.675=0.27P(X=1,Y=0,Z=1)= P(Z=1/ X=1,Y=0)* P(X=1,Y=0)=0.4*(0.25-0.125)=0.05 P(X=1,Y=0,Z=0)= P(Z=0/ X=1,Y=0)* P(X=1,Y=0)=0.6*0.125=0.075 P(X=1,Y=1,Z=1)=P(X=1,Z=1)- P(X=1,Y=0,Z=1)=0.175-0.05=0.125 P(X=1,Y=1,Z=0)=0 P(X=0,Y=1,Z=0)=0P(X=0,Y=1,Z=1)= P(X=0,Z=1)- P(X=0,Y=0,Z=1)= 0.345-0.27=0.075H(XYZ)=-0.405*log0.405-0.27*log0.27-0.05*log0.05-0.075*log0.075-0.125*log0.125-0.075*log 0.075=(113/100)+(31/20)log10-(129/50)log3 =0.528+0.51+0.216+0.28+0.375+0.28=2.189 bitH(Z/XY)=H(XYZ)-H(XY)= -28/25+(4/5)log10-12/25log3 =0.775bit2.9 解：A ，B ，C 分别表示三个筛子掷的点数。

（有问题请更正并通知xiezg@ ）第二章 信息的度量1． 一珍珠养殖场收获240颗外观及重量完全相同的特大珍珠，但不幸被人用外观相同但重量仅有微小差异的假珠换掉1颗。

（1）一人随手取出3颗，经测量恰好找出了假珠，问这一事件大约给出了多少比特的信息量；（2）不巧假珠又滑落进去，那人找了许久却未找到，但另一人说他用天平最多6次能找出，结果确是如此，问后一事件给出多少信息量；（3）对上述结果作出解释。

解：（1）从240颗珠子中取3颗，含1颗假珠的概率为（2）240颗中含1颗假珠，用天平等分法最多6次即可找到假珠，是必然事件，因此信息量为0。

（3）按照shannon 对信息量的定义，只有事件含有不确知成分，才有信息量，且不确知成分越大，信息量越大，必然事件则没有信息量。

但从广义信息论来说，如果那人不知用天平二分法找假珠，另一人告之此事，使他由不知到知，也应该含有一定的信息量。

2．每帧电视图像可以认为是由3⨯105个象素组成，所有象素均独立变化，且每一象素又取128个不同的亮度电平，并设亮度电平等概率出现。

问每帧图像含有多少信息量？如果一个广播员在约10000个汉字的字汇中选取1000个字来口述此电视图像，试问广播员描述此图像所广播的信息量是多少（假设汉字字汇是等概率分布，且彼此独立）？若要恰当地描述此图像，广播员在口述中至少需用多少汉字？解：设电视图像每个像素取128个不同的亮度电平，并设电平等概率出现，则每个像素亮度含有的信息量为7128)(H ==lb X 比特/像素一帧中像素均是独立变化的，则每帧图像信源就是离散亮度信源的无记忆N 次扩展信源。

得每帧会图像含有的信息量为6101.2)()(⨯==X NH X H N比特/每帧广播口述时，广播员是从10000个汉字字汇中选取的，假设汉字字汇是等概率分布的，则汉字字汇中每个汉字含有的信息量29.131000)(==lb Y H 比特/字广播员口述电视图像是从此汉字字汇信源中独立地选取1000个字来描述的。

信息论编码与基础课后题(第二章)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第二章习题解答2-1、试问四进制、八进制脉冲所含信息量是二进制脉冲的多少倍？ 解：四进制脉冲可以表示4个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3} 八进制脉冲可以表示8个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 二进制脉冲可以表示2个不同的消息，例如：{0, 1} 假设每个消息的发出都是等概率的，则：四进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 24log log )(1=== 八进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 38log log )(2=== 二进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 12log log )(0===所以：四进制、八进制脉冲所含信息量分别是二进制脉冲信息量的2倍和3倍。

2、 设某班学生在一次考试中获优（A ）、良（B ）、中（C ）、及格（D ）和不及格（E ）的人数相等。

当教师通知某甲：“你没有不及格”，甲获得了多少比特信息？为确定自己的成绩，甲还需要多少信息？ 解：根据题意，“没有不及格”或“pass”的概率为54511pass =-=P 因此当教师通知某甲“没有不及格”后，甲获得信息在已知“pass”后，成绩为“优”（A ），“良”（B ），“中”（C ）和“及格”（D ）的概率相同：41score )pass |()pass |()pass |()pass |(=====D P C P B P A P P 为确定自己的成绩，甲还需信息bits 241loglog score score =-=-=P I 3、中国国家标准局所规定的二级汉字共6763个。

设每字使用的频度相等，求一个汉字所含的信息量。

设每个汉字用一个1616⨯的二元点阵显示，试计算显示方阵所能表示的最大信息。

2.1一个马尔可夫信源有3个符号{}1,23,u u u ，转移概率为：()11|1/2p u u =，()21|1/2p u u =，()31|0p u u =，()12|1/3p u u =，()22|0p u u =，()32|2/3p u u =，()13|1/3p u u =，()23|2/3p u u =，()33|0p u u =，画出状态图并求出各符号稳态概率。

解：状态图如下状态转移矩阵为：1/21/201/302/31/32/30p ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭设状态u 1，u 2，u 3稳定后的概率分别为W 1，W 2、W 3由1231WP W W W W =⎧⎨++=⎩得1231132231231112331223231W W W W W W W W W W W W ⎧++=⎪⎪⎪+=⎪⎨⎪=⎪⎪⎪++=⎩计算可得1231025925625W W W ⎧=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩2.2 由符号集{0，1}组成的二阶马尔可夫链，其转移概率为：(0|00)p =0.8，(0|11)p =0.2，(1|00)p =0.2，(1|11)p =0.8，(0|01)p =0.5，(0|10)p =0.5，(1|01)p =0.5，(1|10)p =0.5。

画出状态图，并计算各状态的稳态概率。

解：(0|00)(00|00)0.8p p == (0|01)(10|01)0.5p p == (0|11)(10|11)0.2p p == (0|10)(00|10)0.5p p == (1|00)(01|00)0.2p p == (1|01)(11|01)0.p p ==(1|11)(11|11)0.8p p == (1|10)(01|10)0.5p p ==于是可以列出转移概率矩阵：0.80.200000.50.50.50.500000.20.8p ⎛⎫ ⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭状态图为：设各状态00，01，10，11的稳态分布概率为W 1,W 2,W 3,W 4 有411i i WP W W ==⎧⎪⎨=⎪⎩∑ 得 13113224324412340.80.50.20.50.50.20.50.81W W W W W W W W W W W W W W W W +=⎧⎪+=⎪⎪+=⎨⎪+=⎪+++=⎪⎩ 计算得到12345141717514W W W W ⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪=⎪⎪⎪=⎩2.7 设有一离散无记忆信源，其概率空间为123401233/81/41/41/8X x x x x P ====⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（1）求每个符号的自信息量（2）信源发出一消息符号序列为{202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210}，求该序列的自信息量和平均每个符号携带的信息量解：122118()log log 1.415()3I x bit p x ===同理可以求得233()2,()2,()3I x bit I x bit I x bit ===因为信源无记忆，所以此消息序列的信息量就等于该序列中各个符号的信息量之和就有：123414()13()12()6()87.81I I x I x I x I x bit =+++=平均每个符号携带的信息量为87.811.9545=bit/符号2.11 有一个可以旋转的圆盘，盘面上被均匀的分成38份，用1，…，38的数字标示，其中有两份涂绿色，18份涂红色，18份涂黑色，圆盘停转后，盘面上的指针指向某一数字和颜色。

第二章课后习题【2.1】设有12 枚同值硬币，其中有一枚为假币。

只知道假币的重量与真币的重量不同，但不知究竟是重还是轻。

现用比较天平左右两边轻重的方法来测量。

为了在天平上称出哪一枚是假币，试问至少必须称多少次？解：从信息论的角度看，“12 枚硬币中，某一枚为假币”该事件发生的概率为P =112；“假币的重量比真的轻，或重”该事件发生的概率为P = 12；为确定哪一枚是假币，即要消除上述两事件的联合不确定性，由于二者是独立的，因此有I = log12 + log 2 = log 24 比特而用天平称时，有三种可能性：重、轻、相等，三者是等概率的，均为P = 平每一次消除的不确定性为I = log 3 比特因此，必须称的次数为13，因此天I 1 I 2 log 24log 3H 2.9 次因此，至少需称3 次。

【延伸】如何测量？分 3 堆，每堆4 枚，经过 3 次测量能否测出哪一枚为假币。

【2.2】同时扔一对均匀的骰子，当得知“两骰子面朝上点数之和为2”或“面朝上点数之和为8”或“两骰子面朝上点数是3 和4”时，试问这三种情况分别获得多少信息量？解：“两骰子总点数之和为2”有一种可能，即两骰子的点数各为1，由于二者是独立的，..⋅因此该种情况发生的概率为 P =1 1 6 6 136，该事件的信息量为：I = log 36 H 5.17 比特“两骰子总点数之和为8”共有如下可能：2 和6、3 和5、4 和4、5 和3、6 和2，概率为P = 1 16 6536，因此该事件的信息量为：36I = logH 2.85 比特5“两骰子面朝上点数是3 和4”的可能性有两种：3 和4、4 和3，概率为P = 1 16 6118，因此该事件的信息量为：I = log18 H 4.17 比特【2.3】如果你在不知道今天是星期几的情况下问你的朋友“明天星期几？”则答案中含有多少信息量？如果你在已知今天是星期四的情况下提出同样的问题，则答案中你能获得多少信息量（假设已知星期一至星期日的顺序）？解：如果不知今天星期几时问的话，答案可能有七种可能性，每一种都是等概率的，均为P = 17，因此此时从答案中获得的信息量为I = log 7 = 2.807 比特而当已知今天星期几时问同样的问题，其可能性只有一种，即发生的概率为1，此时获得的信息量为0 比特。