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title: 信息论角度推导高斯分布的概率密度函数
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date: 2025-07-02 09:20:07
tags:
- 高斯分布
- 信息论
categories:
- [数学, 概率论]
---
$\newcommand\diff{\mathop{}\!\mathrm{d}}$
# 背景与目标
在统计建模中,我们常常面临这样一个问题:**已知某个连续随机变量的期望和方差,如何合理地确定它的概率分布?** 最大熵原理(Maximum Entropy Principle)提供了一个具有信息论意义的答案:
> 在已知约束(如期望与方差)下,熵最大的概率密度函数是最“中立”或最“无偏”的选择。
熵在此表示不确定性或信息量。连续型随机变量的微分熵定义为:
$$
\begin{equation*}
H[p] = -\int_{-\infty}^{\infty} p(x) \ln p(x) \, \diff x
\end{equation*}
$$
我们的目标是:**在已知期望和方差的约束下,最大化熵 $H[p]$,求出最优概率密度函数 $p(x)$**。
<!-- more -->
# 约束条件
我们假设随机变量 $X$ 满足:
- 归一化约束:
$$
\begin{equation*}
\int_{-\infty}^{\infty} p(x) \, \diff x = 1
\end{equation*}
$$
- 期望约束:
$$
\begin{equation*}
\int_{-\infty}^{\infty} x \, p(x) \, \diff x = \mu
\end{equation*}
$$
- 方差约束:
$$
\begin{equation*}
\int_{-\infty}^{\infty} (x - \mu)^2 \, p(x) \, \diff x = \sigma^2
\end{equation*}
$$
# 构造拉格朗日泛函
引入拉格朗日乘子 $\lambda_0, \lambda_1, \lambda_2$,构造带约束的目标泛函:
$$
\begin{equation*}
\mathcal{L}[p] = -\int p(x) \ln p(x) \diff x
+ \lambda_0 \left( \int p(x) \diff x - 1 \right)
+ \lambda_1 \left( \int x p(x) \diff x - \mu \right)
+ \lambda_2 \left( \int (x - \mu)^2 p(x) \diff x - \sigma^2 \right)
\end{equation*}
$$
将所有积分项合并为:
$$
\begin{equation*}
\mathcal{L}[p] = \int \left[
- p(x) \ln p(x)
+ \lambda_0 p(x)
+ \lambda_1 x p(x)
+ \lambda_2 (x - \mu)^2 p(x)
\right] \diff x
\end{equation*}
$$
# 变分法求极值
我们考虑一个扰动:
$$
\begin{equation*}
p(x) \rightarrow p(x) + \epsilon \eta(x)
\end{equation*}
$$
其中 $\epsilon$ 是足够小的实数,$\eta(x)$ 是任意光滑、在积分区间内有界且满足边界条件的函数(可理解为“任意小的扰动”)。为了求出 $\dfrac{\delta \mathcal{L}}{\delta p(x)}$,我们代入扰动项进行展开:
$$
\begin{equation*}
\mathcal{L}[p + \epsilon \eta]
= -\int (p(x) + \epsilon \eta(x)) \ln (p(x) + \epsilon \eta(x)) \, \diff x + \text{其余约束项}
\end{equation*}
$$
> 注意:这里只展开了主熵项 $-\displaystyle\int p \ln p$,约束项形式类似,将在后面统一处理。
---
对主项使用泰勒展开(忽略高阶小量):
> **泰勒展开回顾:**
>
> 设 $f(p) = p \ln p$,我们对 $p(x) + \epsilon \eta(x)$ 展开,有:
> $$
> f(p + \epsilon \eta) = p \ln p + \epsilon \eta (1 + \ln p) + o(\epsilon)
> $$
> 其中:
> $$
> \frac{\diff }{\diff p}(p \ln p) = \ln p + 1
> $$
将其代入:
$$
\begin{align*}
\mathcal{L}[p + \epsilon \eta]
&= -\int \left[ p(x) \ln p(x) + \epsilon \eta(x)(1 + \ln p(x)) \right] \diff x + o(\epsilon) + \text{约束项} \\
&= \mathcal{L}[p] - \epsilon \int \eta(x) (1 + \ln p(x)) \diff x + o(\epsilon) + \text{约束项}
\end{align*}
$$
对约束项也类似展开:
- 对归一化项:
$$
\begin{equation*}
\lambda_0 \left( \int (p + \epsilon \eta) \diff x - 1 \right)
= \lambda_0 \left( \int p \, \diff x - 1 + \epsilon \int \eta \, \diff x \right)
\end{equation*}
$$
- 对期望项:
$$
\begin{equation*}
\lambda_1 \left( \int x (p + \epsilon \eta) \diff x - \mu \right)
= \lambda_1 \left( \int x p \, \diff x - \mu + \epsilon \int x \eta \, \diff x \right)
\end{equation*}
$$
- 对方差项:
$$
\begin{equation*}
\lambda_2 \left( \int (x - \mu)^2 (p + \epsilon \eta) \diff x - \sigma^2 \right)
= \lambda_2 \left( \int (x - \mu)^2 p \, \diff x - \sigma^2 + \epsilon \int (x - \mu)^2 \eta(x) \diff x \right)
\end{equation*}
$$
---
将所有一阶 $\epsilon$ 项收集起来:
$$
\begin{equation*}
\mathcal{L}[p + \epsilon \eta] = \mathcal{L}[p]
+ \epsilon \int \eta(x) \left[ - (1 + \ln p(x)) + \lambda_0 + \lambda_1 x + \lambda_2 (x - \mu)^2 \right] \diff x + o(\epsilon)
\end{equation*}
$$
对 $\epsilon$ 求导并令其在 $\epsilon = 0$ 处为零:
$$
\begin{equation*}
\left. \frac{\diff}{\diff \epsilon} \mathcal{L}[p + \epsilon \eta] \right|_{\epsilon=0}
= \int \eta(x) \left[ -\ln p(x) - 1 + \lambda_0 + \lambda_1 x + \lambda_2 (x - \mu)^2 \right] \diff x = 0
\end{equation*}
$$
根据变分法基本引理,这个积分当且仅当括号内为 $0$ 时对所有扰动函数 $\eta(x)$ 为零:
> 变分法基本引理:
>
> 若函数 $F(x)$ 满足
> $$
> \int_{a}^{b} F(x) \cdot \eta(x) dx = 0
> $$
> 对所有合适扰动 $\eta(x)$ 成立,则必有
> $$
> F(x) = 0 \quad \forall x \in (a, b)
> $$
>
> 这是因为若 $F(x_0) \ne 0$,则可构造在 $x_0$ 附近支持的 $\eta(x)$ 使得积分不为零,导致矛盾。
$$
\begin{equation*}
\frac{\delta \mathcal{L}}{\delta p(x)} = -\ln p(x) - 1 + \lambda_0 + \lambda_1 x + \lambda_2 (x - \mu)^2 = 0
\end{equation*}
$$
也即求得了变分导数。移项得:
$$
\begin{equation*}
\ln p(x) = \lambda_0' + \lambda_1 x + \lambda_2 (x - \mu)^2
\end{equation*}
$$
两边取指数:
$$
\begin{equation*}
p(x) = \exp\left( \lambda_0' + \lambda_1 x + \lambda_2 (x - \mu)^2 \right)
\end{equation*}
$$
要满足可积性,需 $\lambda_2 < 0$。设
$$
\begin{equation*}
p(x) = A \cdot \exp\left( -\alpha (x - \mu)^2 \right)
\end{equation*}
$$
# 归一化与确定参数
根据归一化条件:
$$
\begin{equation*}
A \cdot \int_{-\infty}^{\infty} \exp\left( -\alpha (x - \mu)^2 \right) \diff x = 1
\end{equation*}
$$
已知高斯积分结果:
$$
\begin{equation*}
\int_{-\infty}^{\infty} \exp\left( -\alpha (x - \mu)^2 \right) \diff x = \sqrt{\frac{\pi}{\alpha}}
\end{equation*}
$$
得到:
$$
\begin{equation*}
A = \sqrt{\frac{\alpha}{\pi}}
\end{equation*}
$$
若令 $\alpha = \dfrac{1}{2\sigma^2}$,则最终得:
$$
\begin{equation*}
p(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} \exp\left( -\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2} \right)
\end{equation*}
$$
# 总结
从最大熵原理出发,在已知均值与方差的约束下,最“无偏”或熵最大的概率密度函数是:
$$
\begin{equation*}
p(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} \exp\left( -\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2} \right)
\end{equation*}
$$
这正是**高斯分布**的标准形式,说明它不仅数学上方便,**信息论上也是最合理的选择**。