Przejdź do treści
coden

Teoria informacji: entropia, entropia krzyżowa i dywergencja KL — skąd się biorą funkcje straty

Informacja jako zaskoczenie, entropia i kod Huffmana, entropia krzyżowa, dywergencja KL i zysk informacyjny — oraz dlaczego funkcją straty modeli językowych jest entropia krzyżowa.

13 minut Matěj Žalmánek 2026-10-15

Seria Podstawy AI Część 20 z 52
  1. Mapa sztucznej inteligencji: co jest czym i jak to do siebie pasuje
  2. Krótka historia sztucznej inteligencji: od Turinga do modeli językowych
  3. Dane, model, trening, inferencja: podstawowe pojęcia na jednym przykładzie
  4. Jak czytać zapis matematyczny: symbole, indeksy, sumy i kwantyfikatory
  5. Zbiory i relacje: klocki, z których składają się definicje w AI
  6. Funkcje i odwzorowania: dlaczego każdy model AI jest funkcją
  7. Logika i dowody: reguły, według których rozumuje AI
  8. Grafy i drzewa: struktura, na której opierają się przeszukiwanie i sieci neuronowe
  9. Algebra liniowa dla uczenia maszynowego: wektory, macierze i dlaczego AI głównie mnoży
  10. Pochodne, gradient i reguła łańcuchowa: jak model ustala, w którą stronę się uczyć
  11. Spadek gradientu: jak uczy się model
  12. Czym jest prawdopodobieństwo: od rzutu kostką do aksjomatów Kołmogorowa
  13. Prawdopodobieństwo warunkowe i twierdzenie Bayesa: jak zmienić ocenę, gdy dowiesz się czegoś nowego
  14. Zmienna losowa i dystrybuanta: jedna funkcja, która mówi o rozkładzie wszystko
  15. Funkcja gęstości i funkcja prawdopodobieństwa: dlaczego zmienna ciągła ma w punkcie prawdopodobieństwo zero
  16. Wartość oczekiwana, wariancja i kowariancja: gdzie leży rozkład, jak jest szeroki i co z czym się wiąże
  17. Przegląd rozkładów prawdopodobieństwa: Bernoulliego, dwumianowy, Poissona, jednostajny, normalny i wykładniczy
  18. Prawo wielkich liczb i centralne twierdzenie graniczne: dlaczego średnie zachowują się tak przewidywalnie
  19. Statystyka i estymacja parametrów: największa wiarygodność, MAP i przedziały ufności
  20. Teoria informacji: entropia, entropia krzyżowa i dywergencja KL — skąd się biorą funkcje straty
  21. Przeszukiwanie przestrzeni stanów: BFS, DFS, UCS i A* z animacjami
  22. Gry i przeciwnik: minimax, przycinanie alfa-beta i Monte Carlo tree search
  23. Spełnianie ograniczeń: backtracking, propagacja ograniczeń i AC-3 na sudoku i mapie czeskich krajów
  24. Logika i systemy z bazą wiedzy: wnioskowanie w przód i wstecz, rezolucja i systemy ekspertowe
  25. Planowanie: STRIPS, świat klocków, heurystyki z relaksacji i planowanie w agentach AI
  26. Przeszukiwanie lokalne i symulowane wyżarzanie: komiwojażer przez czeskie miasta wojewódzkie
  27. Algorytmy genetyczne: populacja, krzyżowanie, mutacja i selekcja na plecaku na wycieczkę
  28. Strategie ewolucyjne i programowanie genetyczne: od reguły jednej piątej do prawa Keplera
  29. Optymalizacja kolonią mrówek: jak ślad feromonowy znajduje krótką drogę
  30. Optymalizacja rojem cząstek: bezwładność, własne doświadczenie i doświadczenie roju
  31. Neuroewolucja: ewolucja wag i kształtu sieci neuronowych oraz algorytm NEAT
  32. Zbiory rozmyte i funkcje przynależności: jak zapisać „trochę ciepło”
  33. Logika rozmyta a prawdopodobieństwo: dlaczego „trochę ciepło” nie znaczy „prawdopodobnie ciepło”
  34. Logika rozmyta: t-normy, implikacje i reguły JEŻELI–TO
  35. Sterowanie rozmyte: Mamdani i Sugeno od wentylatora po wahadło na wózku
  36. Klasteryzacja rozmyta: algorytm fuzzy c-means i punkty między skupieniami
  37. Systemy neuro-rozmyte (ANFIS): reguły rozmyte, które uczą się z danych
  38. Łańcuchy Markowa: macierz przejścia, rozkład stacjonarny i PageRank
  39. Ukryte modele Markowa: algorytm Viterbiego i nieuczciwe kasyno
  40. Sieci bayesowskie: dlaczego trawa jest mokra i co z tego wynika dla zraszacza
  41. Filtr Kalmana: jak z niedokładnych pomiarów oszacować, gdzie jest samochód i jak szybko jedzie
  42. Rodzaje uczenia maszynowego: nadzorowane, nienadzorowane, półnadzorowane i inne
  43. Prompty, kontekst i RAG: jak dać modelowi właściwe informacje
  44. Wariacyjne autoenkodery (VAE): nowe obrazki z ciągłej przestrzeni latentnej
  45. Generatywne sieci przeciwstawne (GAN): fałszerz kontra detektyw
  46. Modele dyfuzyjne: jak z czystego szumu powstaje obraz
  47. Procesy decyzyjne Markowa: stany, akcje, nagrody i równania Bellmana
  48. Q-learning i DQN: uczenie się wartości akcji od tabeli po sieć neuronową
  49. Policy gradient i PPO: uczenie się bezpośrednio polityki
  50. Jak działa agent AI: model językowy w pętli z narzędziami
  51. Programowanie z agentami AI: zadanie, testy i kontrola
  52. Ocena i bezpieczeństwo systemów AI: jak mierzyć i jak pilnować

Pełny program serii Gotowe: 52 z 83 tematów

Czego się dowiesz
  • Czym są informacja i entropia, dlaczego mierzy się je w bitach i dlaczego entropia to granica kompresji.
  • Co mierzą entropia krzyżowa i dywergencja KL i dlaczego ich minimum jest tam, gdzie model mówi prawdę.
  • Dlaczego entropia krzyżowa jest funkcją straty klasyfikatorów i modeli językowych i czym jest perpleksja.

Warto wiedzieć wcześniej: Statystyka i estymacja parametrów: największa wiarygodność, MAP i przedziały ufności

Kiedy trenujesz klasyfikator albo model językowy, niemal na pewno minimalizujesz „entropię krzyżową”. Skąd wzięło się to słowo? Z teorii informacji, którą w 1948 roku zapoczątkował Claude Shannon, kiedy zastanawiał się, jak najoszczędniej przesyłać wiadomości linią telefoniczną. Okazało się, że pytanie „ile bitów potrzebuję” i pytanie „jak dobrze model przewiduje” to jedno i to samo. Tą częścią kończy się moduł o prawdopodobieństwie i statystyce.

Nawiązuje do części Przegląd rozkładów i Statystyka i estymacja parametrów.

1. Informacja jako zaskoczenie

Definicja — informacja zdarzenia

Informacja (informacja własna) zdarzenia o prawdopodobieństwie p > 0 to

I(p) = −log2 p   bitów.

Mówiąc prościej

Informacja mierzy zaskoczenie. To, że rano wzeszło słońce, cię nie zaskoczy — zero bitów. Rzut monetą niesie 1 bit, rzut kostką log2 6 ≈ 2,585 bita, a zdarzenie o szansie 1 : 1024 aż 10 bitów. Logarytm sprawia, że informacje niezależnych zdarzeń się sumują: dwie monety to 2 bity.

Bit to informacja zawarta w jednym pytaniu tak/nie z uczciwą odpowiedzią. Liczbę od 1 do 1024 zgadniesz w 10 pytaniach („czy jest większa niż 512?”…) — właśnie dlatego, że każda odpowiedź niesie 1 bit, a log2 1024 = 10.

2. Entropia

Definicja — entropia

Entropia dyskretnej zmiennej losowej X o funkcji prawdopodobieństwa p to wartość oczekiwana jej informacji:

H(X) = −∑x p(x) log2 p(x),

gdzie składnik z p(x) = 0 przyjmujemy jako 0.

Mówiąc prościej

Średnie zaskoczenie — jak bardzo niepewny jest wynik. Uczciwa moneta ma entropię 1 bit, a moneta, która w 90 % przypadków wypada orłem, tylko 0,469 bita: prawie zawsze wiesz, co wypadnie. Kostka ma 2,585 bita.

00,51 0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0 1 0,469 prawdopodobieństwo orła p (0–1) entropia H (bity)
Entropia monety w zależności od prawdopodobieństwa orła p
Twierdzenie — granice entropii

Dla zmiennej o n możliwych wartościach zachodzi 0 ≤ H(X) ≤ log2 n. Zero występuje dokładnie dla pewnego wyniku, maksimum dokładnie dla rozkładu jednostajnego.

Mówiąc prościej

Najmniej niepewności jest wtedy, gdy wynik jest pewny; najwięcej, gdy wszystkie możliwości są jednakowo prawdopodobne. Dlatego szczyt krzywej leży dokładnie w p = 0,5.

3. Entropia jako długość kodu

Twierdzenie — twierdzenie Shannona o kodowaniu źródła

Każdy jednoznacznie dekodowalny kod binarny dla symboli o rozkładzie p ma średnią długość słowa kodowego co najmniej H(p) bitów i istnieje kod o średniej długości mniejszej niż H(p) + 1.

Mówiąc prościej

Entropia to granica kompresji: wiadomości nie da się zakodować w mniejszej liczbie bitów, niż wynosi jej entropia. Częstym symbolom dajesz krótkie kody, rzadkim długie — jak w alfabecie Morse'a, gdzie najczęstsza litera E to pojedyncza kropka.

Cztery litery A, B, C, D z prawdopodobieństwami 1/2, 1/4, 1/8, 1/8 mają entropię 1,75 bita. Kod o stałej długości potrzebuje 2 bitów na literę. Kod Huffmana (0, 10, 110, 111) ma średnią długość 1/2 · 1 + 1/4 · 2 + 2 · 1/8 · 3 = 1,75 bita — dokładnie tyle, ile wynosi entropia. Wiadomość ABACABAD mieści się więc w 14 bitach zamiast 16:

0 1 0 1 0 1 A0 · 1/2 B10 · 1/4 C110 · 1/8 D111 · 1/8 A 0 B 10 A 0 C 110 A 0 B 10 A 0 D 111
Kod Huffmana: w lewo 0, w prawo 1 Kod Huffmana: 14 bitów kod o stałej długości: 16 bitów

4. Entropia krzyżowa

Definicja — entropia krzyżowa

Dla prawdziwego rozkładu p i modelu q na tych samych wartościach entropia krzyżowa to

H(p, q) = −∑x p(x) log2 q(x).

Mówiąc prościej

Średnia liczba bitów, gdy dane przychodzą zgodnie z p, ale kod zaprojektowałeś według modelu q. Innymi słowy: jak bardzo model średnio cię zaskakuje. Deszcz pada w 70 % dni; model, który twierdzi „50 : 50”, płaci 1 bit dziennie, a poprawny model tylko 0,881 bita.

Twierdzenie — nierówność Gibbsa

H(p, q) ≥ H(p), przy czym równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy q = p.

Mówiąc prościej

Zły model zawsze kosztuje cię dodatkowe bity. Najmniej zaskoczenia osiągniesz tylko z prawdziwym rozkładem — i dlatego minimalizowanie entropii krzyżowej ma sens: minimum jest tam, gdzie model mówi prawdę.

012 0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0 H(p) = 0,881 przewidywanie modelu q (0–1) entropia krzyżowa H(p, q) (bity)
Entropia krzyżowa modelu q, gdy w rzeczywistości p = 0,7 na pomarańczowo dywergencja KL

5. Dywergencja KL

Definicja — dywergencja Kullbacka–Leiblera

DKL(p ‖ q) = ∑x p(x) log2 (p(x) / q(x)) = H(p, q) − H(p).

Mówiąc prościej

Ile dodatkowych bitów płacisz za to, że używasz modelu q zamiast rzeczywistości p — to ten pomarańczowy odcinek na wykresie. Model „50 : 50” dla deszczu w 70 % dni kosztuje 1 − 0,881 = 0,119 bita więcej, model „90 % deszczu” aż 0,222 bita. Z nierówności Gibbsa wynika, że dywergencja KL jest zawsze nieujemna i równa zeru tylko dla q = p.

Uwaga, dywergencja KL nie jest odległością: nie jest symetryczna. DKL(0,7 ‖ 0,5) = 0,119, ale DKL(0,5 ‖ 0,7) = 0,126. Ma znaczenie, co jest rzeczywistością, a co modelem.

6. Zysk informacyjny

Definicja — entropia warunkowa

H(Y | X) = ∑x P(X = x) · H(Y | X = x), gdzie H(Y | X = x) to entropia rozkładu warunkowego Y.

Mówiąc prościej

Ile niepewności co do Y pozostaje średnio po tym, jak poznasz X.

Definicja — zysk informacyjny (informacja wzajemna)

I(X; Y) = H(Y) − H(Y | X).

Mówiąc prościej

O ile bitów zmniejsza się niepewność, gdy poznasz X. W przykładzie ze spamem z części o twierdzeniu Bayesa spam stanowi 40 % poczty: niepewność wynosi 0,971 bita. Gdy wiesz, czy e-mail zawiera słowo „wygrana”, spada ona średnio do 0,826 bita — zysk to 0,145 bita. Dokładnie tak drzewa decyzyjne wybierają, o co zapytać najpierw: o cechę o największym zysku informacyjnym.

7. Teoria informacji w sztucznej inteligencji

  • Entropia krzyżowa jako funkcja straty. Dla jednego przykładu z poprawną klasą y to −log q(y) — jak bardzo poprawna odpowiedź zaskoczyła model. Średnia po danych to ujemny logarytm wiarygodności, więc minimalizacja entropii krzyżowej to metoda największej wiarygodności z poprzedniej części. Biblioteki używają logarytmu naturalnego (jednostką jest nat): 1 bit = ln 2 ≈ 0,693 nata.
  • Perpleksja modelu językowego to 2H, gdzie H to entropia krzyżowa na słowo w bitach. Perpleksja 8 oznacza, że model jest średnio tak samo niepewny, jakby wybierał spośród ośmiu jednakowo prawdopodobnych słów.
  • Dywergencja KL spina wariacyjne autoenkodery (VAE), destylację modeli (mały model naśladuje rozkład dużego) i dostrajanie modeli językowych na podstawie informacji zwrotnej od ludzi (RLHF), gdzie kara za dywergencję KL nie pozwala modelowi oddalić się zbytnio od pierwotnego.
  • Kompresja i predykcja to jedno. Model, który dobrze przewiduje następny symbol, potrafi dobrze skompresować dane — i odwrotnie. Dlatego modele językowe porównuje się liczbą bitów na znak.

8. Podsumowanie

  • Informacja zdarzenia −log2 p mierzy zaskoczenie w bitach; informacje niezależnych zdarzeń się sumują.
  • Entropia to średnie zaskoczenie, co najwyżej log2 n, i zarazem dolna granica średniej długości kodu.
  • Entropia krzyżowa mierzy, ile bitów kosztuje model q na danych z p; jest najmniejsza dla q = p.
  • Dywergencja KL to cena za zły model: H(p, q) − H(p) ≥ 0, i nie jest symetryczna.
  • Funkcją straty klasyfikatorów i modeli językowych jest entropia krzyżowa — czyli metoda największej wiarygodności.

Masz inne zdanie? Napisz na support@coden-app.com.

Agent na twoim komputerze, sterowany z telefonu