信息论与编码第三版一二章练习与答案
信息论与编码理论习题答案
信息论与编码理论习题答案LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】第二章 信息量和熵八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步，每秒1000个码字，求它的信息速率。
解：同步信息均相同，不含信息，因此 每个码字的信息量为 2⨯8log =2⨯3=6 bit因此，信息速率为 6⨯1000=6000 bit/s掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为：(a) 7; (b) 12。
问各得到多少信息量。
解：(1) 可能的组合为 {1，6},{2，5},{3，4},{4，3},{5，2},{6，1})(a p =366=61得到的信息量 =)(1loga p =6log = bit (2) 可能的唯一，为 {6，6})(b p =361得到的信息量=)(1logb p =36log = bit 经过充分洗牌后的一副扑克（52张），问：(a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？(b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量？解：(a) )(a p =!521信息量=)(1loga p =!52log = bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C = bit 随机掷3颗骰子，X 表示第一颗骰子的结果，Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和，Z 表示3颗骰子的点数之和，试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。
解：令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ，1x ，2x ，3x 相互独立，则1x X =，21x x Y +=，321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6= bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H=2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6= bit )|(Y X H =)(X H -);(Y X I =)(X H -[)(Y H -)|(X Y H ]而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H = 2)(X H -)(Y H = bit或)|(Y X H =)(XY H -)(Y H =)(X H +)|(X Y H -)(Y H 而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H =2)(X H -)(Y H = bit),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H = bit )|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =+= bit设一个系统传送10个数字，0，1，…，9。
信息论与编码第三版答案
信息论与编码第三版答案《信息论与编码》是一本非常经典的书籍，已经成为了信息科学领域中的经典教材。
本书的第三版已经出版，相比于前两版，第三版的变化不小，主要是增加了一些新内容，同时也对一些旧内容做了修改和完善。
作为一本教材，上面的题目和习题都是非常重要的，它们可以帮助读者更好地理解书中的相关概念和知识点，同时也可以帮助读者更好地掌握理论和技术。
因此，本文将介绍《信息论与编码》第三版中部分习题的答案，方便读者快速查阅和学习。
第一章：信息量和熵1.1 习题1.1Q：两个随机变量的独立性和无关性有什么区别？A：独立性和无关性是两个不同的概念。
两个随机变量是独立的，当且仅当它们的联合概率分布等于乘积形式的边缘概率分布。
两个随机变量是无关的，当且仅当它们的协方差等于0。
1.2 习题1.7Q：什么样的随机变量的熵等于0？A：当随机变量的概率分布是确定的（即只有一个概率为1，其余全为0），其熵等于0。
第二章：数据压缩2.5 习题2.9Q：为什么霍夫曼编码比熵编码更加高效？A：霍夫曼编码能够更好地利用信源的统计特征，将出现频率高的符号用较短的二进制编码表示，出现频率低的符号用较长的二进制编码表示。
这样一来，在编码过程中出现频率高的符号会占用较少的比特数，从而能够更加高效地表示信息。
而熵编码则是针对每个符号分别进行编码，没有考虑符号之间的相关性，因此相比于霍夫曼编码更加低效。
第四章：信道编码4.2 习题4.5Q：在线性块码中，什么是生成矩阵？A：在线性块码中，生成矩阵是一个包含所有二元线性组合系数的矩阵。
它可以用来生成码字，即任意输入信息序列可以通过生成矩阵与编码器进行矩阵乘法得到相应的编码输出序列。
4.3 习题4.12Q：简述CRC校验的原理。
A：CRC校验是一种基于循环冗余校验的方法，用于检测在数字通信中的数据传输错误。
其基本思想是将发送数据看作多项式系数，通过对这个多项式进行除法运算，得到余数，将余数添加到数据尾部，发送给接收方。
信息论与编码习题参考答案
信息论与编码习题参考答案 第一章 单符号离散信源同时掷一对均匀的子，试求：(1)“2和6同时出现”这一事件的自信息量； (2)“两个5同时出现”这一事件的自信息量； (3)两个点数的各种组合的熵； (4)两个点数之和的熵；(5)“两个点数中至少有一个是1”的自信息量。
解：bitP a I N n P bit P a I N n P c c N 17.536log log )(361)2(17.418log log )(362)1(36662221111616==-=∴====-=∴===⨯==样本空间：(3)信源空间：bit x H 32.436log 3662log 3615)(=⨯⨯+⨯⨯=∴ (4)信源空间： bitx H 71.3636log 366536log 3610 436log 368336log 366236log 36436log 362)(=⨯⨯+⨯+⨯+⨯⨯=∴＋＋ (5) bit P a I N n P 17.11136log log )(3611333==-=∴==如有6行、8列的棋型方格，若有两个质点A 和B ，分别以等概落入任一方格内，且它们的坐标分别为（Xa ，Ya ）, （Xb ，Yb ）,但A ，B 不能同时落入同一方格内。
（1） 若仅有质点A ，求A 落入任一方格的平均信息量； （2） 若已知A 已落入，求B 落入的平均信息量； （3） 若A ，B 是可辨认的，求A ，B 落入的平均信息量。
解：bita P a P a a P a I a P A i 58.548log )(log )()(H 48log )(log )(481)(:)1(481i i i i i ==-=∴=-=∴=∑=落入任一格的概率Θbitb P b P b b P b I b P A i 55.547log )(log )()(H 47log )(log )(471)(:B ,)2(481i i i i i ==-=∴=-=∴=∑=落入任一格的概率是落入任一格的情况下在已知ΘbitAB P AB P AB H AB P AB I AB P AB i i i i i i i 14.11)4748log()(log )()()(log )(471481)()3(47481=⨯=-=-=∴⨯=∑⨯=是同时落入某两格的概率从大量统计资料知道,男性中红绿色盲的发病率为7%,女性发病率为%.如果你问一位男士：“你是否是红绿色盲”他的回答可能是：“是”，也可能“不是”。
第三版信息论答案
【】设有 12 枚同值硬币，其中有一枚为假币。
只知道假币的重量与真币的重量不同，但不知究竟是重还是轻。
现用比较天平左右两边轻重的方法来测量。
为了在天平上称出哪一枚是假币，试问至少必须称多少次？解：从信息论的角度看，“12 枚硬币中，某一枚为假币”该事件发生的概率为P 1；12“假币的重量比真的轻，或重”该事件发生的概率为P 1；2为确定哪一枚是假币，即要消除上述两事件的联合不确定性，由于二者是独立的，因此有I log12log2log 24 比特而用天平称时，有三种可能性：重、轻、相等，三者是等概率的，均为P 1 ，因此天3平每一次消除的不确定性为Ilog 3 比特因此，必须称的次数为I1log24I2log3次因此，至少需称 3 次。
【延伸】如何测量？分 3 堆，每堆 4 枚，经过 3 次测量能否测出哪一枚为假币。
【】同时扔一对均匀的骰子，当得知“两骰子面朝上点数之和为 2”或“面朝上点数之和为 8”或“两骰子面朝上点数是 3 和 4”时，试问这三种情况分别获得多少信息量？解：“两骰子总点数之和为 2”有一种可能，即两骰子的点数各为 1，由于二者是独立的，因此该种情况发生的概率为P1 16 61，该事件的信息量为：36I log 36比特“两骰子总点数之和为 8”共有如下可能：2 和 6、3 和 5、4 和 4、5 和 3、6 和2，概率为P 1 1 56 65，因此该事件的信息量为：36I log365比特“两骰子面朝上点数是 3 和 4”的可能性有两种：3 和 4、4 和 3，概率为P因此该事件的信息量为：1 121，6 6 18I log18比特【】如果你在不知道今天是星期几的情况下问你的朋友“明天星期几？”则答案中含有多少信息量？如果你在已知今天是星期四的情况下提出同样的问题，则答案中你能获得多少信息量（假设已知星期一至星期日的顺序）？解：如果不知今天星期几时问的话，答案可能有七种可能性，每一种都是等概率的，均为P 1，因此此时从答案中获得的信息量为7I log 7比特而当已知今天星期几时问同样的问题，其可能性只有一种，即发生的概率为1，此时获得的信息量为0 比特。
第三版信息论答案
【2.1】设有12 枚同值硬币，其中有一枚为假币。
只知道假币的重量与真币的重量不同，但不知究竟是重还是轻。
现用比较天平左右两边轻重的方法来测量。
为了在天平上称出哪一枚是假币，试问至少必须称多少次？解：从信息论的角度看，“12 枚硬币中，某一枚为假币”该事件发生的概率为P 1 ；12“假币的重量比真的轻，或重”该事件发生的概率为P 1 ；2为确定哪一枚是假币，即要消除上述两事件的联合不确定性，由于二者是独立的，因此有I log12 log 2 log 24 比特而用天平称时，有三种可能性：重、轻、相等，三者是等概率的，均为P 1 ，因此天3平每一次消除的不确定性为I log 3 比特因此，必须称的次数为I1log 24I 2 log 32.9 次因此，至少需称3 次。
【延伸】如何测量？分3 堆，每堆4 枚，经过3 次测量能否测出哪一枚为假币。
【2.2】同时扔一对均匀的骰子，当得知“两骰子面朝上点数之和为2”或“面朝上点数之和为8”或“两骰子面朝上点数是3 和4”时，试问这三种情况分别获得多少信息量？解：“两骰子总点数之和为2”有一种可能，即两骰子的点数各为1，由于二者是独立的，因此该种情况发生的概率为P 1 16 61 ，该事件的信息量为：36I log 36 5.17 比特“两骰子总点数之和为8”共有如下可能：2 和6、3 和5、4 和4、5 和3、6 和2，概率为P 1 1 56 6 5 ，因此该事件的信息量为：36I log3652.85 比特“两骰子面朝上点数是3 和4”的可能性有两种：3 和4、4 和3，概率为P 因此该事件的信息量为：1 121 ，6 6 18I log18 4.17 比特【2.3】如果你在不知道今天是星期几的情况下问你的朋友“明天星期几？”则答案中含有多少信息量？如果你在已知今天是星期四的情况下提出同样的问题，则答案中你能获得多少信息量（假设已知星期一至星期日的顺序）？解：如果不知今天星期几时问的话，答案可能有七种可能性，每一种都是等概率的，均为P 1 ，因此此时从答案中获得的信息量为7I log 7 2.807 比特而当已知今天星期几时问同样的问题，其可能性只有一种，即发生的概率为1，此时获得的信息量为0 比特。
信息论与编码(曹雪虹第三版)第一、二章
根据传输介质的不同，信道可分为有线信道和无线信道两大类。有线信道包括 双绞线、同轴电缆、光纤等；无线信道包括微波、卫星、移动通信等。
信道容量的定义与计算
信道容量的定义
信道容量是指在给定条件下，信道能 够传输的最大信息量，通常用比特率 (bit rate)来衡量。
信道容量的计算
信道容量的计算涉及到信道的带宽、 信噪比、调制方式等多个因素。在加 性高斯白噪声(AWGN)信道下，香农 公式给出了信道容量的理论上限。
信道编码分类
根据编码方式的不同，信道编码可分为线性分组码和卷积码 两大类。
线性分组码
线性分组码定义
线性分组码是一种将信息 序列划分为等长的组，然 后对每个组独立进行编码 的信道编码方式。
线性分组码特点
编码和解码过程相对简单 ，适用于各种信道条件， 且易于实现硬件化。
常见的线性分组码
汉明码、BCH码、RS码等 。
将信源消息通过某种数学变换转换到另一个域中，然后对变换 系数进行编码。
将连续的信源消息映射为离散的数字值，然后对数字值进行编 码。这种方法会导致量化噪声，是一种有损的编码方式。
信道编码的定义与分类
信道编码定义
信道编码是为了提高信息传输的可靠性、增加通信系统的抗 干扰能力而在发送端对原始信息进行的一种变换。
信息熵总是非负的，因 为自信息量总是非负的 。
当随机变量为确定值时 ，其信息熵为0。
对于独立随机变量，其 联合信息熵等于各自信 息熵之和。
当随机变量服从均匀分 布时，其信息熵达到最 大值。
03
信道与信道容量
信道的定义与分类
信道的定义
信道是信息传输的媒介，它提供了信号传输的通路，是通信系统中的重要组成 部分。
信息论与编码第2章习题解答
信息论与编码第2章习题解答2.1设有12枚同值硬币，其中⼀枚为假币。
只知道假币的重量与真币的重量不同，但不知究竟是重还是轻。
现⽤⽐较天平左右两边轻重的⽅法来测量（因⽆砝码）。
为了在天平上称出哪⼀枚是假币，试问⾄少必须称多少次？解：分三组，每组4个，任意取两组称。
会有两种情况，平衡，或不平衡。
(1) 平衡：明确假币在其余的4个⾥⾯。
从这4个⾥⾯任意取3个，并从其余8个好的⾥⾯也取3个称。
⼜有两种情况：平衡或不平衡。
a ）平衡：称⼀下那个剩下的就⾏了。
b ）不平衡：我们⾄少知道那组假币是轻还是重。
从这三个有假币的组⾥任意选两个称⼀下，⼜有两种情况：平衡与不平衡，不过我们已经知道假币的轻重情况了，⾃然的，不平衡直接就知道谁是假币；平衡的话，剩下的呢个⾃然是假币，并且我们也知道他是轻还是重。
(2) 不平衡：假定已经确定该组⾥有假币时候：推论1：在知道该组是轻还是重的时候，只称⼀次，能找出假币的话，那么这组的个数不超过3。
我们知道，只要我们知道了该组（3个）有假币，并且知道轻重，只要称⼀次就可以找出来假币了。
从不平衡的两组中，⽐如轻的⼀组⾥分为3和1表⽰为“轻（3）”和“轻（1）”，同样重的⼀组也是分成3和1标⽰为“重（3）”和“重（1）”。
在从另外4个剩下的，也就是好的⼀组⾥取3个表⽰为“准（3）”。
交叉组合为：轻（3） + 重（1）？=======？轻（1） + 准（3）来称⼀下。
⼜会有3种情况：(1)左⾯轻：这说明假币⼀定在第⼀次称的时候的轻的⼀组，因为“重（1）”也出现在现在轻的⼀边，我们已经知道，假币是轻的。
那么假币在轻（3）⾥⾯，根据推论1，再称⼀次就可以了。
(2)右⾯轻：这⾥有两种可能：“重（1）”是假币，它是重的，或者“轻（1）”是假币，它是轻的。
这两种情况，任意取这两个中的⼀个和⼀个真币称⼀下即可。
(3)平衡：假币在“重（3）”⾥⾯，⽽且是重的。
根据推论也只要称⼀次即可。
2.2 同时扔⼀对骰⼦，当得知“两骰⼦⾯朝上点数之和为2”或“⾯朝上点数之和为8”或“骰⼦⾯朝上之和是3和4”时，试问这三种情况分别获得多少信息量？解：设“两骰⼦⾯朝上点数之和为2”为事件A ，则在可能出现的36种可能中，只能个骰⼦都为1，这⼀种结果。
信息论与编码理论习题答案
第二章 信息量和熵2.2八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步,每秒1000个码字,求它的信息速率.解:同步信息均相同，不含信息，因此 每个码字的信息量为 2⨯8log =2⨯3=6 bit因此，信息速率为 6⨯1000=6000 bit/s2。
3 掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为:(a ） 7； （b) 12。
问各得到多少信息量.解:(1) 可能的组合为 {1，6｝，｛2，5}，｛3，4},{4，3｝,{5，2｝,｛6,1｝)(a p =366=61得到的信息量 =)(1loga p =6log =2。
585 bit (2） 可能的唯一，为 {6,6｝)(b p =361得到的信息量=)(1logb p =36log =5。
17 bit2.4 经过充分洗牌后的一副扑克(52张）,问：（a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？(b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量?解:（a ） )(a p =!521信息量=)(1loga p =!52log =225.58 bit （b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C =13。
208 bit2.9随机掷3颗骰子，X 表示第一颗骰子的结果，Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和，Z 表示3颗骰子的点数之和，试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。
解:令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ，1x ，2x ，3x 相互独立,则1x X =，21x x Y +=，321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6=2.585 bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H=2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6 =3。
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1-3 （5分）请简述一个通信系统中包括的各主要功能模块及其作用。
一般的通信系统模型如上图所示。
一个通信系统的主要功能模块包括信源、信道、信宿、信源编码、信道编码等。
各功能模块的作用分别为：
1)信源：信源是产生消息的源，消息是信息的载体。
2)信宿：信宿是消息传送的对象。
3)信道：信道是信号从信源传送到信宿的通路。
4)干扰源：整个通信系统中各种干扰的集中反映。
5)信源编码：压缩冗余度，提高通信系统传输消息的效率。
6)信道编码：提高信息传输的可靠性。
7)加密编码：提高通信的安全性。
8)解码（译码）：是编码的逆过程，译码有信源译码、信道译码、解密译码。
2-2（10分）由符号集{0，1}组成的二阶马尔可夫链，其转移概率为：(0|00)p =0.8，(0|11)p =0.2，(1|00)p =0.2，(1|11)p =0.8，(0|01)p =0.5，(0|10)p =0.5，(1|01)p =0.5，(1|10)p =0.5。
画出状态图，并计算各状态的稳态概率。
解：(0|00)(00|00)0.8p p == (0|01)(10|01)0.5p p ==
(0|11)(10|11)0.2p p == (0|10)(00|10)0.5p p == (1|00)(01|00)0.2p p == (1|01)(11|01)0.5p p == (1|11)(11|11)0.8p p == (1|10)(01|10)0.5p p ==
于是可以列出转移概率矩阵：0.80.20
0000.50.50.50.500000.20.8p ⎛⎫ ⎪
⎪= ⎪ ⎪⎝⎭
状态图为：
设各状态00，01，10，11的稳态分布概率为W 1,W 2,W 3,W 4 有
41
1i i WP W W ==⎧⎪⎨=⎪⎩∑ 得 131
132
24324412340.80.50.20.50.50.20.50.81W W W W W W W W W W W W W W W W +=⎧⎪+=⎪⎪+=⎨⎪+=⎪+++=⎪⎩ 计算得到123451417175
14W W W W ⎧=⎪⎪
⎪=⎪⎨
⎪=⎪⎪⎪=
⎩
2-6 （5分）掷两颗骰子，当其向上的面的小圆点之和是3时，该消息包含的信息量是多少？
当小圆点之和是7时，该消息所包含的信息量又是多少？
解：1）因圆点之和为3的概率1
()(1,2)(2,1)18
p x p p =+=
该消息自信息量()log ()log18 4.170I x p x bit =-==
2）因圆点之和为7的概率
1()(1,6)(6,1)(2,5)(5,2)(3,4)(4,3)6
p x p p p p p p =+++++=
该消息自信息量()log ()log6 2.585I x p x bit =-==
2-7（5分） 设有一离散无记忆信源，其概率空间为123401233/81/41/41/8X x x x x P ====⎛⎫⎛⎫
= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
（1）求每个符号的自信息量
（2）信源发出一消息符号序列为{202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021
032 011 223 210}，求该序列的自信息量和平均每个符号携带的信息量
解：12
2118
()log log 1.415()3
I x bit p x === 同理可以求得233()2,()2,()3I x bit I x bit I x bit ===
因为信源无记忆，所以此消息序列的信息量就等于该序列中各个符号的信息量之和 就有：123414()13()12()6()87.81I I x I x I x I x bit =+++= 平均每个符号携带的信息量为
87.81
1.9545
=bit/符号 2-12 （10分）两个实验X 和Y ，X={x 1 x 2 x 3},Y={y 1 y 2 y 3},l 联合概率(),i j ij r x y r =为
1112132122233132337/241/2401/241/41/2401/247/24r r r r r r r
r r ⎛⎫⎛⎫
⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
（1） 如果有人告诉你X 和Y 的实验结果，你得到的平均信息量是多少？
（2） 如果有人告诉你Y 的实验结果，你得到的平均信息量是多少？
（3） 在已知Y 实验结果的情况下，告诉你X 的实验结果，你得到的平均信息量是多少？ 解：联合概率(,)i j p x y 及X 、Y 的边缘分布为
2
2221
(,)(,)log (,)72411
2log 4log 24log 4247244
i j i j ij H X Y p x y p x y ==⨯
+⨯+∑
22272411
2log 4log 24log 4247244
=⨯
+⨯+
=2.3bit/符号
21
()3log 3 1.583
H Y =⨯=bit/符号
(|)(,)() 2.3 1.58H X Y H X Y H Y =-=- =0.72bit/符号
2-14（15分）在一个二进制信道中，信源消息X ∈{0,1}，且p(1)=p(0)，信宿的消息Y ∈{0,1}， 信道传输概率p(y=1|x=0)=1/4，p(y=0|x=1)=1/8。
求：
(1)在接收端收到y=0后，所提供的关于传输消息x 的平均条件互信息量I(X ；y=0)。
(2)该情况所能提供的平均互信息量I(X ；Y)。
解：
已知X 的先验概率分布为p(x=1)=p(x=0)=1/2, 及条件概率p(y=1|x=0)=1/4，p(y=0|x=1)=1/8。
根据联合概率公式p(x,y)=p(x) p(y|x)及全概率公式 p(y)=∑p(x i ) p(y|x i )i 。
可得联合概率p(x i ,y j )及X 、Y 的边缘分布为
由条件概率公式可得
p(x=0|y=0)= p(x=0,y=0)p(y=0)=6
7 , p(x=1|y=0)= p(x=1,y=0)p(y=0)=1
7 p(x=0|y=1)=
p(x=0,y=1)p(y=1)=29
, p(x=1|y=1)=
p(x=1,y=1)p(y=1)=79
平均条件互信息I(X;y=0)=p(x 0| y 0)I(x 0; y 0)+ p(x 1| y 0)I(x 1; y 0)
= p(x 0| y 0)log
p(x0| y0)p(x0)+ p(x 1| y 0)log
p(x1| y0)p(x1)
=67
log 6/7
1/2+1
7log 1/7
1/2=0.408 bit/符号
(2) 平均互信息)
()|(log
)();(i j i i
j
j i x p y x p y x p Y X I ∑∑=
=38
log 6/71/2+116log 1/71/2+18
log 2/9
1/2+7
16log 7/9
1/2
=0.311 bit/符号。