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128 / INFORMATION LAB
먼저 알아두면 좋아요 · 연결된 선수 절의 확률·조건부 분포·로그·볼록성과 적분
단원 목록 (600) · 교차 엔트로피와 KL 발산
이해하는 속도로 읽으세요.개념도이론실험확인 문제
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먼저 그림으로 이해하기

한 번에 한 단계씩 살펴보세요.

목표 분포와 예측 분포가 다를 때 추가되는 평균 로그 손실을 계산합니다.

P=Bernoulli(0.8), Q=Bernoulli(0.5); zero P terms contribute zero, positive P over zero Q gives mathematical infinity. Plot window q∈[.005,.995]; readout is not clipped.

016.4220
가로: 예측 q, 곡선 범위 .005~.995 · 파랑: H(P) · 주황: H(P,Q) · 범위 밖 수치는 별도 표시
outcomeP massQ masscross-entropy contribution
00.20.50.2
10.80.50.8

entropy H(P) (bits) = 0.722

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

목표 분포의 엔트로피입니다.

H(P)=−ΣP log₂P

실험에서 확인하기 →
이 단원 목차

실제 분포와 점수를 매기는 분포

실제 결과는 P에서 나오지만 예측자는 Q로 확률을 제시한다고 합시다. 관측 x에 −log₂ Q(x)의 비용을 주면 그 평균이 교차 엔트로피입니다. P 자체의 엔트로피와 달리 Q에도 의존합니다. 분류 학습에서는 정답의 로그 확률을 높이는 목적과 연결됩니다.

H(P,Q)=−∑xP(x)log⁡2Q(x),DKL(P∥Q)=∑xP(x)log⁡2P(x)Q(x).H(P,Q)=-\sum_xP(x)\log_2Q(x),\qquad D_{\rm KL}(P\Vert Q)=\sum_xP(x)\log_2\frac{P(x)}{Q(x)}.

교차 엔트로피를 두 항으로 나누기

로그 비율을 두 로그의 차이로 전개하면 H(P,Q)=H(P)+KL(P||Q)입니다. 목표 P가 고정되어 있으면 Q를 바꾸는 동안 H(P)는 상수이므로 교차 엔트로피 최소화와 KL 최소화가 같습니다.

P=Bernoulli(.8), Q=Bernoulli(.5)이면 모든 관측의 비용이 1 bit라서 교차 엔트로피도 1입니다. H(P)≈0.72193이므로 추가 비용은 약 0.27807 bits입니다. Q=P로 맞추면 추가 비용은 0이지만 H(P) 자체는 남습니다.

0 확률을 다루는 두 규칙

P(x)=0인 항은 평균에 기여하지 않아 0으로 정의합니다. P(x)>0인데 Q(x)=0이면 교차 엔트로피와 KL은 수학적으로 ∞입니다. 작은 유한 수를 대신 넣은 clipping은 다른 점수와 목적함수를 계산하는 것이므로 여기서는 적용하지 않습니다.

예를 들어 p=.8,q=0은 양의 확률로 일어나는 성공을 예측자가 배제한 경우입니다. 반면 p=q=0이면 성공은 P에서도 불가능하여 KL은 0입니다. 같은 Q의 영 질량이어도 목표 지지를 함께 봐야 합니다.

그림과 전체 수치의 범위

파랑은 고정된 H(P), 주황은 q에 따른 교차 엔트로피입니다. 그림은 q=.005부터 .995까지만 그려 발산 끝점을 유한한 높이로 위장하지 않습니다. 입력 q가 그 범위 밖이면 선택 점을 그리지 않지만 전체 수치에서는 실제 입력의 값이나 ∞를 유지합니다. 분모를 임의의 작은 양수로 바꾸지 않습니다.

방향과 모형 가정

KL(P||Q)는 P로 평균하며, KL(Q||P)와 일반적으로 다릅니다. 대칭 거리나 삼각부등식을 만족하는 일반적인 metric으로 취급하지 마세요. 경험 데이터에서 계산한 로그 손실과 모집단 기대 교차 엔트로피도 구분해야 합니다. 일반화와 보정은 별도의 평가가 필요합니다.

확인 문제와 해설

  1. P가 고정이면 H(P)는 학습 중 변하나요? Q만 학습하면 변하지 않습니다.
  2. P=Q이면 교차 엔트로피도 0인가요? 아니요. H(P)가 남을 수 있습니다.
  3. KL의 ∞는 수치 오버플로인가요? 지지 조건 실패의 수학적 무한값일 수 있습니다.

추가 읽기: MIT 6.441, Information Theory — lecture notes by Polyanskiy and Wu.

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설명할 수 있나요?

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

1. KL의 평균을 내는 분포는?
2. KL은 일반적인 대칭 거리인가요?

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