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157 / CODING LAB
먼저 알아두면 좋아요 · 조건부확률·이진 엔트로피·상호정보량
단원 목록 (600) · 이진 채널과 Shannon 용량
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먼저 그림으로 이해하기

한 번에 한 단계씩 살펴보세요.

뒤집힘과 소거를 구분하고, 입력 분포의 정보량과 채널의 최적 용량을 비교합니다.

BSC; independent stationary channel uses; P(X=1)=0.5; noise=0.1. Capacity is asymptotic bits per channel use.

011.050
가로: 입력 P(X=1) · 세로: bits/use · 파랑: I(X;Y) · 주황 점선: 용량 · 주황 점: 현재 입력
XYP(X,Y)P(Y)
000.450.5
010.050.5
100.050.5
110.450.5

I(X;Y) (bits/use) = 0.531

고정 기준 예제의 그림과 수치입니다. 각 단계에서 같은 그림의 의미를 차례로 살펴보세요. 고정된 기준 예제이며 아래 실험의 설정과 독립적입니다.
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채널은 조건부 법칙

입력 0과 1 각각의 전이확률을 고정합니다. 입력 분포 p는 별도로 선택합니다.

P(x,y)=P(x)W(y|x)

실험에서 확인하기 →
이 단원 목차

채널은 입력과 출력 사이의 조건부 법칙

저장 장치의 비트가 손상되거나 여러 GPU 사이에 표현을 전송하는 상황을 생각해 봅시다. 입력 X를 보내도 출력 Y를 정확히 받는다는 보장은 없습니다. 채널 W(y|x)는 입력 하나를 고정했을 때 출력이 나올 확률입니다. 입력을 얼마나 자주 보내는지 나타내는 P(X)와는 다른 대상입니다.

이 단원은 알려진 정상 무기억 채널을 사용합니다. 각 사용의 잡음은 독립이고 입력 비용 제약은 없습니다. 수신자는 채널 법칙을 압니다. 시간에 따른 변화·연속 값·상관 잡음·유한 정밀도 신경망 표현은 추가 모델링이 필요합니다.

P(X=x,Y=y)=P(X=x)W(y∣x).P(X=x,Y=y)=P(X=x)W(y\mid x).

뒤집힘과 소거의 직관

Binary symmetric channel(BSC)은 확률 ε로 0과 1을 바꿉니다. 출력 1을 보고 실제 1인지, 0이 뒤집혔는지 바로 알 수 없습니다. Binary erasure channel(BEC)은 확률 ε로 출력에 물음표를 남깁니다. 값은 모르지만 잃어버린 위치는 압니다. 같은 ε여도 수신자가 가진 정보가 다릅니다.

채널 입력 0의 출력 입력 1의 출력
BSC 0: 1−ε, 1: ε 0: ε, 1: 1−ε
BEC 0: 1−ε, ?: ε 1: 1−ε, ?: ε

입력의 정보량과 채널의 용량

p=P(X=1)라고 합시다. 이진 엔트로피 h₂는 밑 2를 사용하며 0 log₂0=0으로 정의합니다. BSC의 출력 1 확률은 q=ε+(1−2ε)p입니다. 입력을 알 때 남은 출력 불확실성은 h₂(ε)이므로 다음을 얻습니다.

IBSC(p)=h2(q)−h2(ε),IBEC(p)=(1−ε)h2(p).\begin{aligned} I_{\mathrm{BSC}}(p)&=h_2(q)-h_2(\varepsilon),\\ I_{\mathrm{BEC}}(p)&=(1-\varepsilon)h_2(p). \end{aligned}

입력이 항상 0이면 수신자가 알아낼 새 메시지가 없어서 I=0입니다. 채널이 나쁘다는 뜻은 아닙니다. 용량은 입력 분포도 최적화한 값입니다. 두 대칭 채널은 p=.5에서 최대가 됩니다.

C=max⁡PXI(X;Y),CBSC=1−h2(ε),CBEC=1−ε.\begin{aligned} C&=\max_{P_X}I(X;Y),\\ C_{\mathrm{BSC}}&=1-h_2(\varepsilon),\\ C_{\mathrm{BEC}}&=1-\varepsilon. \end{aligned}

수치 예제와 곡선 읽기

p=.5, ε=.1의 BSC 결합 표는 P(0,0)=.45, P(0,1)=.05, P(1,0)=.05, P(1,1)=.45입니다. 출력은 균등하고 h₂(.1)≈.469이므로 I=C≈.531 bits/use입니다. 같은 ε의 BEC에서는 소거된 10%를 제외하면 값을 정확히 알아서 C=.9입니다.

입력 p를 .2로 바꾸면 BSC의 q=.26, I≈.358이지만 C≈.531은 그대로입니다. 파란 곡선은 p별 I, 주황 점선은 최댓값 C, 주황 점은 현재 설정입니다. 잡음이 고정되어도 입력 선택에 따라 이용한 정보량은 달라집니다.

긴 블록의 정리와 짧은 실험의 차이

무기억 채널 부호화 정리는 R<C에서 블록 길이를 늘리면 평균 오류 확률을 0으로 보내는 부호열이 존재한다는 뜻입니다. 아무 부호나 성공한다거나 짧은 블록의 오류가 0이라는 뜻은 아닙니다. 정보 bits/use와 실제 전송 bits/second도 다릅니다. 초당 채널 사용 수가 주어져야 환산할 수 있습니다.

AI 표현의 전송에서는 압축률·복원 손실·전송 잡음·지연을 구분해야 합니다. 연속 임베딩의 실수 차원 수를 이 이진 채널의 용량과 곧바로 같다고 할 수 없습니다. 다음 오류정정부호 단원에서 실제 부호의 길이와 오류율을 연결합니다.

확인 문제와 해설

  1. ε=1인 BSC의 용량은? 1입니다. 출력이 항상 반전되므로 다시 뒤집으면 정확히 복원됩니다. ε=.5일 때 입력과 출력이 독립이어서 용량이 0입니다.
  2. ε=1인 BEC도 같은가요? 아니요. 항상 물음표를 받으므로 입력에 관한 정보가 전혀 없어 용량은 0입니다.
  3. p=0에서 I=0이면 C도 0인가요? 아니요. 현재 입력 법칙이 상수일 뿐입니다. 용량은 가능한 모든 입력 분포를 비교합니다.

추가 읽기: MIT 6.441, Lecture 8: Channel Capacity.

CHECK YOUR UNDERSTANDING

설명할 수 있나요?

실험 설정과 무관한 기준 예제를 묻습니다. 답을 고르고 설명을 확인해보세요.

1. BSC의 뒤집힘 확률이 1이면 용량은?
2. 용량보다 낮은 속도라면 짧은 부호도 오류가 0인가요?

선택한 답과 학습 표시는 이 브라우저에 저장됩니다. 다시 풀거나 표시를 해제할 수 있습니다.