信息熵 条件熵 信息增益 信息增益比 GINI系数

在信息论与概率统计学中，熵（entropy）是一个很重要的概念。在机器学习与特征工程中，熵的概念也用得灰常多。今天就把跟熵有关的东东稍微整理一下，权当笔记。

1.信息熵

熵是神马东东？信息论的开山祖师爷Shannon（中文翻译过来一般叫香农，总觉得很多文字经过翻译就不对劲，就跟人家老外翻译贱人就是矫情一样，感觉怪怪的。所以咱们还是用英文了，偷偷装个小逼）明确告诉我们，信息的不确定性可以用熵来表示：
对于一个取有限个值的随机变量X，如果其概率分布为：

P(X=xi)=pi,i=1,2,⋯,n

那么随机变量X的熵可以用以下公式描述：

H(X)=−∑i=1npilogpi

每次看到这个式子，都会从心底里感叹数学的伟大与奇妙。在这之前，信息这东东对于人们来说，是个看着好像挺清晰实际还是很模糊的概念。Shannon用最简洁美妙的方式，告诉了整个世界信息到底应该怎么去衡量去计算。今天每个互联网人都知道，这个衡量的标准就是bit。正是由于bit的出现，才引领了我们今天信息时代的到来。所以即使把Shannon跟世界上最伟大的那些科学家相提并论，我觉得也丝毫不为过。

举个例子，如果一个分类系统中，类别的标识是 c ，取值情况是 c1,c2,⋯,cn ，n为类别的总数。那么此分类系统的熵为：

H(c)=−∑i=1np(ci)⋅log2p(ci)

更特别一点，如果是个二分类系统，那么此系统的熵为：

H(c)=p(c0)log2p(c0)+p(c1)log2p(c1)

其中 p(c0) 、 p(c1) 分别为正负样本出现的概率。

2.条件熵(Conditional Entropy)与信息增益（Information Gain）

第一节我们谈到，信息的不确定性我们用熵来进行描述。很多时候，我们渴望不确定性，渴望明天又是新的一天，希望寻找新的刺激与冒险，所谓的七年之庠就是最好的例子。但是又有很多时候，我们也讨厌不确定性，比如现在的RTB广告，很多时候广告主其实希望不管什么情况下，这个广告位都是归我所有来投广告，别人都别跟我来抢，我把广告素材准备好以后，媒体按排期给我播就行了。所以在这种情况下，我们又要竭力去消除系统的不确定性。

那怎么样去消除系统的不确定性呢？当我们知道的信息越多的时候，自然随机事件的不确定性就越小。举个简单的例子：
如果投掷一枚均匀的筛子，那么筛子出现1-6的概率是相等的，此时，整个系统的熵可以表述为：

H(c)=−16log216×6=log26

如果我们加一个特征，告诉你掷筛子的结果出来是偶数，因为掷筛子出来为偶数的结果只可能为2,4,6，那么此时系统的熵为:

H(c)=−13log213×3=log23

因为我们加了一个特征x：结果为偶数，所以整个系统的熵减小，不确定性降低。

来看下条件熵的表达式：
1.当特征 x 被固定为值 xi 时，条件熵为: H(c|x=xi)
2.当特征 X 的整体分布情况被固定时，条件熵为: H(c|X)
应该不难看出：

H(c|X)=−p(x=x1)H(c|x=x1)−p(x=x2)H(c|x=x2)−⋯−p(x=xn)H(c|x=xn)=−∑i=1np(x=xi)H(c|x=xi)=−∑i=1np(x=xi)p(c|x=xi)log2p(c|x=xi)=−∑i=1np(c,xi)log2p(c|x=xi)

其中，n为特征 X 所出现所有种类的数量。

那么因为特征X被固定以后，给系统带来的增益(或者说为系统减小的不确定度)为：

IG(X)=H(c)−H(c|X)=−∑i=1np(ci)log2p(ci)+∑i=1np(x=xi)H(c|x=xi)

举个别人文章中例子：文本分类系统中的特征X,那么X有几个可能的值呢？注意X是一个固定的特征，比如关键词”经济”，当我们说特征”经济”可能的取值时，实际上只有两个，要么出现，要么不出现。假设 x 代表 x 出现，而 x¯ 表示 x 不出现。注意系统包含 x 但 x 不出现与系统根本不包含 x 可是两回事。
因此固定 X 时系统的条件熵为：

H(C|X)=−p(x)H(c|x)−p(x¯)H(C|x¯)

特征 X 给系统带来的信息增益(IG)为：

IG(X)=H(c)−H(c|X)=−∑i=1np(ci)log2p(ci)+p(x)∑i=1np(ci|x)log2p(ci|x)+p(x¯)∑i=1np(ci|x¯)log2p(ci|x¯)

式子看上去很长，其实计算起来很简单，都是一些count的操作。 −∑ni=1p(ci)log2p(ci) 这一项不用多说，就是统计各个类别的概率，将每个类别的样本数量除以总样本量即可。 p(x)∑ni=1p(ci|x)log2p(ci|x) 这一项， p(x) 表示特征在样本中出现的概率，将特征出现的次数除以样本总量即可。 p(ci|x) 表示特征出现的情况下，每个类别的概率分别为多少，也全是count操作。 p(ci|x¯) 操作以此类推。

3.信息增益做特征选择的优缺点

先来说说优点：
1.信息增益考虑了特征出现与不出现的两种情况，比较全面，一般而言效果不错。
2.使用了所有样例的统计属性，减小了对噪声的敏感度。
3.容易理解，计算简单。

主要的缺陷：
1.信息增益考察的是特征对整个系统的贡献，没有到具体的类别上，所以一般只能用来做全局的特征选择，而没法针对单个类别做特征选择。
2.只能处理连续型的属性值，没法处理连续值的特征。
3.算法天生偏向选择分支多的属性，容易导致overfitting。

4.信息增益比(Infomation Gain Ratio)

前面提到，信息增益的一个大问题就是偏向选择分支多的属性导致overfitting，那么我们能想到的解决办法自然就是对分支过多的情况进行惩罚(penalty)了。于是我们有了信息增益比，或者说信息增益率：
特征 X 的熵：

H(X)=−∑i=1npilogpi

特征 X 的信息增益 ：

IG(X)=H(c)−H(c|X)

那么信息增益比为：

gr=H(c)−H(c|X)H(X)

在决策树算法中，ID3使用信息增益，c4.5使用信息增益比。

5.Gini系数

Gini系数是一种与信息熵类似的做特征选择的方式，可以用来数据的不纯度。在CART(Classification and Regression Tree)算法中利用基尼指数构造二叉决策树。
Gini系数的计算方式如下：

Gini(D)=1−∑i=1np2i

其中，D表示数据集全体样本， pi 表示每种类别出现的概率。取个极端情况，如果数据集中所有的样本都为同一类，那么有 p0=1 ， Gini(D)=0 ，显然此时数据的不纯度最低。
与信息增益类似，我们可以计算如下表达式：

ΔGini(X)=Gini(D)−GiniX(D)

上面式子表述的意思就是，加入特征 X 以后，数据不纯度减小的程度。很明显，在做特征选择的时候，我们可以取 ΔGini(X) 最大的那个