間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

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χ^n上の確率質量凾数P(x^n)から求める符号長(符号長の期待値, 平均符号長)

\(\chi^n\)上の確率質量凾数\(P(x^n)\)から求める符号長

$$\begin{array}{rl} I(x^n)=\lceil -\log_2{P(x^n)} \rceil &\quad\dotso \chi^n上の確率質量凾数P(x^n)から求める符号長(I:\chi^n \rightarrow \mathbb{R}^{+})\\ \end{array}$$

符号長の期待値

$$\begin{array}{rl} E\left[\mathcal{l}(x^n)\right]=\displaystyle \sum_{x^n\in \chi^n} \mathcal{l}(x^n)P(x^n)&\quad\dotso符号長の期待値, 平均符号長(average\;codeword\;length)\\ \end{array}$$

例:\(\chi=\{0,1\},\;n=2\)

\(y_1\) \(y_2\) \(x^2\)
\(=y_1y_2\)
\(P(x^2)\) \(-\log_2{P(x^2)}\)
Shannon情報量
\(I(x^2)=\lceil -\log_2{P(x^2)}\rceil\)
\(\chi^2\)上の確率質量凾数\(P(x^2)\)から求める符号長
\(\pi(x^2)\) \(\mathcal{l}(x^2)\)
\(=|\pi(x^2)|\)
\(\pi'(x^2)\) \(\mathcal{l}'(x^2)\)
\(=|\pi'(x^2)|\)
\(\pi''(x^2)\) \(\mathcal{l}''(x^2)\)
\(=|\pi''(x^2)|\)
0 0 00 \(\frac{1}{8}\) \(-\log_2{\frac{1}{8}}=3\) \(\lceil -\log_2{\frac{1}{8}}\rceil=3\) 000 3 1 1 00 2
0 1 01 \(\frac{1}{8}\) \(-\log_2{\frac{1}{8}}=3\) \(\lceil -\log_2{\frac{1}{8}}\rceil=3\) 001 3 01 2 01 2
1 0 10 \(\frac{1}{4}\) \(-\log_2{\frac{1}{4}}=2\) \(\lceil -\log_2{\frac{1}{4}}\rceil=2\) 01 2 001 3 10 2
1 1 11 \(\frac{1}{2}\) \(-\log_2{\frac{1}{2}}=1\) \(\lceil -\log_2{\frac{1}{2}}\rceil=1\) 1 1 000 3 11 2

上記例で\(\mathcal{l}(x^2)\)が\(I\)と等しい符号化(\(\pi\))の平均符号長

$$\begin{array}{rcl} \displaystyle E\left[\mathcal{l}(x^2)\right] &=&\displaystyle \sum_{x^2\in \chi^2} \mathcal{l}(x^2)P(x^2)\\ &=&\displaystyle 3\times\frac{1}{8}+3\times\frac{1}{8}+2\times\frac{1}{4}+1\times\frac{1}{2}\\ &=&\displaystyle \frac{3+3+4+4}{8} = \frac{14}{8}\\ &=&\displaystyle 1+\frac{3}{4}=1.75\\ \end{array}$$

上記例で\(\mathcal{l}'(x^2)\)が\(I\)と等しくない符号化(\(\pi'\))の平均符号長

$$\begin{array}{rcl} \displaystyle E\left[\mathcal{l}'(x^2)\right] &=&\displaystyle \sum_{x^2\in \chi^2} \mathcal{l}'(x^2)P(x^2)\\ &=&\displaystyle 1\times\frac{1}{8}+2\times\frac{1}{8}+3\times\frac{1}{4}+3\times\frac{1}{2}\\ &=&\displaystyle \frac{1+2+6+12}{8} = \frac{21}{8}\\ &=&\displaystyle 2+\frac{5}{8}=2.625\\ \end{array}$$

上記例で\(\mathcal{l}(x^n)=2\)と常に一定となる符号化(\(\pi''\))の平均符号長

$$\begin{array}{rcl} \displaystyle E\left[\mathcal{l}''(x^2)\right] &=&\displaystyle \sum_{x^2\in \chi^2} \mathcal{l}''(x^2)P(x^2)\\ &=&\displaystyle 2\times\frac{1}{8}+2\times\frac{1}{8}+2\times\frac{1}{4}+2\times\frac{1}{2}\\ &=&\displaystyle 2\times\left(\frac{1}{8}+\frac{1}{8}+\frac{1}{4}+\frac{1}{2}\right)\\ &=&\displaystyle 2\times 1 \\ &=&\displaystyle 2\\ \end{array}$$

データ系列・符号化・符号長(語頭属性, 語頭符号, 語頭符号化)

データ系列

$$\begin{array}{rl} y \in \chi &\quad\dotso yは集合\chiの要素\\ x^n(=y_1y_2 \dotso y_n) \in \chi^n &\quad\dotso 集合\chiの要素を並べた長さnのデータ系列x^n\\ P(x^n)&\quad\dotso\chi^n上の確率質量凾数(probability\;mass\;function)\\ -\log_2{P(x^n)} &\quad\dotso Shannon情報量(Shannon\;information)\\ \end{array}$$

符号化・符号長

$$\begin{array}{rl} \{0,1\}* &\quad\dotso 0と1の任意長さの系列集合\\ \pi:\chi^n \rightarrow \{0,1\}* &\quad\dotso 符号化(coding)\\ \pi(x^n) &\quad\dotso 符号・符号語(codeword)\\ |\pi(x^n)| &\quad\dotso 符号・符号語(\pi(x^n))の長さ,\,符号長(codeword\;length)\\ \mathcal{l}(x^n)=|\pi(x^n)| &\quad\dotso \mathcal{l}:\chi^n \rightarrow \mathbb{R}^{+}(\mathbb{R}^{+}は正の実数)\\ \end{array}$$ 任意の\(x_1,x_2\in\chi^n\)に対して\(\pi(x_1),\pi(x_2)\)の一方が他方の先頭部分に一致しない性質(語頭属性(prefix property))を持つ符号を語頭符号(prefix code),語頭符号へ変換する\(\pi\)を語頭符号化(prefix coding)と呼ぶ.