Information Theory And The Central Limit Theorem

Information Theory And The Central Limit Theorem pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Imperial College Press
作者:Oliver Johnson
出品人:
页数:224
译者:
出版时间:2004-7-14
价格:GBP 100.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9781860944734
丛书系列:
图书标签:
  • InformationTheory
  • 信息论
  • 中心极限定理
  • 概率论
  • 统计学
  • 随机过程
  • 数学
  • 理论基础
  • 通信
  • 编码
  • 数据分析
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具体描述

信息理论与中心极限定理:理解数据世界的基石 在信息爆炸的时代,我们每天都在被海量的数据洪流所裹挟。从科学研究到金融市场,从人工智能到生物工程,数据无处不在,而如何有效地理解、处理和利用这些数据,成为了我们面临的重大挑战。本书《信息理论与中心极限定理》正是为了应对这一挑战而诞生的。它深入浅出地探讨了信息论和中心极限定理这两个在现代科学和工程领域扮演着核心角色的数学工具,旨在帮助读者建立起对数据世界运作机制的深刻洞察,从而在各自的领域内做出更明智的决策和更具创新性的研究。 本书并非枯燥的理论堆砌,而是将复杂的概念置于生动具体的应用场景之中,通过详实的例子和清晰的逻辑,引导读者一步步揭开信息世界和统计规律的神秘面纱。我们将首先从信息论的宏大视角出发,探索信息是如何被度量、编码和传输的。您将了解到,看似抽象的信息量,实际上蕴含着深刻的意义,它决定了我们能够从数据中提取多少有用的知识,以及在通信过程中需要付出多少代价。 第一部分:信息论——量化知识的度量衡 在信息论的世界里,信息不再是模糊的概念,而是可以被精确度量的量。我们将从香农的信息熵(Entropy)概念入手,理解熵是如何衡量一个随机变量的不确定性或信息的平均含量。我们会探讨熵的性质,例如非负性、可加性和链式法则,并学习如何计算离散随机变量的熵。通过对不同概率分布的熵值进行比较,读者将直观地感受到信息量与概率分布之间的紧密联系。例如,一个公平的硬币抛掷,其结果的不确定性就比一个偏向某一面的硬币要高,因此前者具有更大的信息熵。 随后,我们将深入到条件熵(Conditional Entropy)和联合熵(Joint Entropy)的概念。条件熵衡量的是在已知一个随机变量的情况下,另一个随机变量的不确定性。这对于理解变量之间的相互依赖关系至关重要。例如,在预测天气时,了解了当前温度的信息,会降低对未来是否下雨的不确定性,这就是条件熵的应用。联合熵则衡量了多个随机变量共同构成的不确定性。 互信息(Mutual Information)是信息论中的另一个核心概念,它量化了两个随机变量之间共享的信息量。简单来说,互信息告诉我们,知道一个变量的取值,能够减少多少关于另一个变量的不确定性。我们会详细讲解互信息的计算方法,并阐述其在特征选择、数据挖掘和机器学习中的重要作用。例如,在一个客户购买行为分析项目中,我们可能会计算“年龄”和“购买金额”之间的互信息,以判断年龄信息在预测购买金额方面有多大的价值。 此外,本书还将介绍相对熵(Relative Entropy),也称为KL散度(Kullback-Leibler Divergence)。相对熵衡量的是两个概率分布之间的差异程度,它不是一个对称的度量。在机器学习中,KL散度常被用于衡量模型预测分布与真实数据分布之间的差距,从而指导模型的优化。我们会通过生动的例子,例如比较两个不同来源的文本数据的词频分布,来阐释KL散度的直观意义。 编码是信息论的另一大支柱。我们将探讨信息编码的基本原理,包括无损编码和有损编码。对于无损编码,我们会重点介绍霍夫曼编码(Huffman Coding)和算术编码(Arithmetic Coding)这两种经典的压缩算法。通过分析它们是如何根据符号出现的频率来分配变长编码,读者将理解为何能够实现数据压缩。例如,在文本文件中,字母“e”出现的频率远高于字母“z”,霍夫曼编码就会给“e”分配一个更短的编码,从而实现整体文件大小的减小。 对于有损编码,我们会讨论其基本思想,即在允许一定信息损失的前提下,实现更高的压缩比。这在图像、音频和视频等多媒体信息的处理中至关重要。我们将简要介绍一些有损编码的例子,并强调在实际应用中,如何在压缩效率和信息保真度之间做出权衡。 第二部分:中心极限定理——理解随机性的规律 在信息论为我们提供了度量和理解信息的工具后,本书的第二部分将聚焦于中心极限定理(Central Limit Theorem, CLT)。中心极限定理是统计学中最重要、最普适的定理之一。它揭示了在特定条件下,大量独立随机变量的均值(或和)的分布会趋近于正态分布(Normal Distribution),无论原始随机变量的分布是什么。 我们将从独立同分布(Independent and Identically Distributed, IID)随机变量的概念出发,逐步引入中心极限定理。首先,我们会回顾一些基本的概率分布,例如二项分布(Binomial Distribution)、泊松分布(Poisson Distribution)和指数分布(Exponential Distribution)。然后,通过模拟和图示,我们将直观地展示,当从这些不同分布中抽取大量样本并计算其均值时,这些均值的分布是如何逐渐变得像一个钟形曲线——正态分布。 本书将详细阐述中心极限定理的数学表述,并解释其关键的条件:样本量足够大。我们会讨论“足够大”在实践中的含义,并介绍一些判断样本量是否充足的方法。理解中心极限定理的应用,意味着我们可以利用正态分布的强大理论基础来分析和推断大量独立随机变量的集合行为,即使我们对每个单独变量的分布知之甚少。 中心极限定理的应用极其广泛。在统计推断中,它是构建置信区间(Confidence Intervals)和进行假设检验(Hypothesis Testing)的理论基石。例如,当我们想要估计一个总体的平均身高时,我们通常只能测量一个样本。中心极限定理告诉我们,即使我们不知道总体的身高分布,样本均值的分布也会趋近于正态分布,从而我们可以基于此计算出总体的平均身高的置信区间。 本书还将探讨中心极限定理在质量控制、金融建模、信号处理和生物统计学等领域的实际应用。例如,在生产线上,每个产品的微小偏差累加起来,其总偏差的分布可能就遵循中心极限定理。在金融市场,许多股票价格的变动可以被看作是大量独立因素影响的结果,其累积效应也可能受到中心极限定理的解释。 融会贯通:信息论与中心极限定理的协同力量 本书的独特之处在于,它不仅仅是分别介绍信息论和中心极限定理,更致力于展现这两个理论之间的深刻联系和协同作用。信息论提供了理解和量化信息传输和存储的框架,而中心极限定理则为我们分析大量随机现象提供了强大的统计工具。 我们会探讨信息论中的某些概念,例如信道容量(Channel Capacity),其计算和理解过程中就常常会涉及到概率分布的性质以及可能存在的近似。同样,在应用中心极限定理进行统计推断时,我们往往需要对数据中的信息进行提取和利用,而信息论的原理恰好可以指导我们如何更有效地进行这种信息挖掘。 本书的写作风格力求严谨而不失趣味,我们避免使用过于晦涩的数学符号,而是通过直观的解释、形象的比喻和大量的实际案例,让读者能够真正理解这些抽象的数学概念。无论您是计算机科学、工程学、统计学、物理学、经济学,还是其他任何需要与数据打交道的领域的研究者、学生或从业者,本书都将为您提供一套强大的思维工具,帮助您在数据驱动的现代世界中游刃有余。 通过阅读《信息理论与中心极限定理》,您将不仅仅是学习了两个数学概念,更重要的是,您将获得一种看待和理解世界的新视角——一种能够洞察数据背后规律、量化信息价值、并对随机性充满信心的视角。这套理论框架将成为您解决复杂问题、进行创新研究和把握未来机遇的宝贵财富。

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这本书的封面设计相当引人注目,那种深邃的蓝色调配上简约的几何图案,让人一眼就能感受到它在探讨的并非泛泛而谈的科普知识,而是某种严谨而深刻的理论体系。我尤其欣赏作者在排版上下的功夫,字体选择既有学术的庄重感,又不失阅读的流畅性,这在动辄枯燥的专业书籍中实属难得。初读序言时,就能体会到作者对于知识体系构建的独特见解,他似乎试图搭建一座连接看似遥远领域的桥梁,用一种全新的视角来审视我们习以为常的现象。虽然我尚未深入到核心的数学推导部分,但仅凭前几章对基本概念的阐述,就能感受到作者力求清晰、不含糊的写作态度。他没有急于抛出复杂的公式,而是通过精心设计的思想实验和历史背景回顾,为读者打下坚实的直觉基础。特别是关于信息度量的引入部分,作者的叙述方式非常巧妙,仿佛在引导我们进行一次思维探险,而不是简单地灌输知识点。

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这本书的数学严谨性毋庸置疑,但最让我感到惊喜的是,它如何巧妙地在理论推导的间隙穿插了一些极具启发性的实际案例。这些案例并非简单的“套用公式”展示,而是深入剖析了现象背后的概率机制,展示了理论工具的强大威力。例如,在讨论到大数定律和中心极限定理的推广形式时,作者没有止步于教科书上的标准表述,而是引入了在非独立同分布情境下,信息约束如何影响极限分布形态的讨论,这一点对于理解实际工程中的非理想系统至关重要。这使得这本书不仅适合纯粹的数学或理论物理背景的读者,对于应用层面的工程师和数据科学家而言,也具有极高的指导价值。它教导的不仅是如何计算,更是如何“思考”不确定性,如何识别信息流中的关键瓶颈。

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这本书的行文风格,给我的感觉就像是跟随一位经验极其丰富的导游深入一片充满未知但又逻辑严密的丛林。他不是那种只会照本宣科的教科书式讲解者,而是更像一个充满激情的探索家,时不时会停下来,指着某个看似不起眼的角落,解释它如何与整个宏伟的理论结构相呼应。我花了大半个下午的时间,沉浸在其中一章关于随机过程收敛性的讨论中,作者处理该部分的手法堪称教科书级别——先抛出问题,展示传统方法的局限性,然后层层递进,引入一种更具洞察力的分析工具。这种叙述层次感极强,确保了即便是初次接触这些前沿概念的读者,也能跟上节奏,不至于在复杂的数学符号海洋中迷失方向。更值得称赞的是,作者在论证的严谨性和阅读的愉悦性之间找到了一个近乎完美的平衡点,这使得长时间的阅读也不会产生强烈的疲劳感,反而会随着理解的深入而产生一种智力上的满足感。

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作为一名长期关注统计物理和复杂系统建模的爱好者,我一直在寻找能将不同学科的底层逻辑统一起来的框架性著作,而这本书的章节布局和论证逻辑,正是我所期待的。它没有局限于某一特定领域的应用,而是从更基础的、关于“不确定性”和“规律性”的本质出发,构建了一个宏大的理论体系。书中对某些经典定理的重新诠释,尤其令人耳目一新,它不再是将定理视为既定的公理,而是将其置于一个更广阔的概率论发展史和社会科学需求的背景下进行考察。这种历史的纵深感和理论的跨学科视野,极大地提升了这本书的价值。我注意到作者在脚注部分也加入了大量的延伸思考和参考文献,这表明其背后是扎实的研究积累,而非浅尝辄止的表面功夫。对于希望从根本上理解现代数据科学和复杂系统底层逻辑的人来说,这本书无疑提供了绝佳的理论基石。

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深入阅读后我发现,本书的作者具有一种罕见的叙事能力,他能将那些原本需要耗费大量时间才能建立起来的数学直觉,通过极富画面感的语言在读者脑海中迅速构建起来。比如在阐述熵的边界条件时,他使用了一个类比,将信息视为一种“可被度量的资源稀缺性”,这个比喻精准且直观,瞬间打通了我之前对某些抽象概念理解上的壁垒。整本书的阅读体验是渐进式的、充满发现的。它仿佛是一部精心编排的交响乐,开篇定调,中段层层递进,将各种复杂的乐章巧妙地融合在一起,最终汇聚成一个宏大而和谐的终章。这种对知识结构的精妙把握和对读者心智模型的深刻理解,使得这本书超越了一般的专业教材,成为了一部富有思想深度的学术作品。我强烈推荐给那些不满足于仅仅停留在应用层面,而渴望触及理论内核的严肃学习者。

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