生成对抗网络（GANs）系列：KL散度和JS散度

1.香农信息量、信息熵和交叉熵

只考虑连续型随机变量的情况。设p为随机变量X的概率分布，即p(x)为随机变量X在X=x处的概率密度函数值，随机变量X在x处的香农信息量定义为：

其中对数以2为底，这时香农信息量的单位为比特。香农信息量用于刻画消除随机变量X在x处的不确定性所需的信息量的大小。如随机事件“中国足球进不了世界杯”不需要多少信息量（比如要不要多观察几场球赛的表现）就可以消除不确定性，因此该随机事件的香农信息量就少。再比如“抛一个硬币出现正面”，要消除它的不确定性，通过简单计算，需要1比特信息量，这意味着随机试验完成后才能消除不确定性。

刚才定义了随机变量在一个点处的香农信息量，那么如何衡量随机变量X（或整个样本空间）的总体香农信息量呢？下面就要引出随机变量X的信息熵的概念，或概率分布p的信息熵。信息熵H(p)是香农信息量-logp(x)的数学期望，即所有X=x处的香农信息量的和，由于每一个x的出现概率不一样（用概率密度函数值p(x)衡量），需要用p(x)加权求和。因此信息熵是用于刻画消除随机变量X的不确定性所需要的总体信息量的大小。其数学定义如下：

交叉熵是什么呢？

假设q(x)是用来拟合p(x)的概率分布，x属于p的样本空间，交叉熵用于衡量q在拟合p的过程中，用于消除不确定性而充分使用的信息量大小（理解为衡量q为了拟合p所付出的努力，另外注意交叉熵定义里的“充分使用”和信息熵定义里的“所需”的区别，“充分使用”不一定能达到全部，“所需”是指全部）。由于在每一个点X=x处q的香农信息量为-logq(x)，也就是在点X=x处，q消除不确定性而充分使用的信息量为-logq(x)（理解为衡量q在X=x处为了拟合p所作的努力），那么就可以计算出在整个样本空间上q消除不确定性而充分使用的总体信息量，即-logq(x)的数学期望，由于每个x的权重为p(x)，因此交叉熵H(p,q）为：

2.KL散度

两个概率分布p和q的KL散度（Kullback–Leibler divergence）也称为相对熵，用于刻画概率分布q拟合概率分布p的程度。在生成对抗网络里，p为真实数据的概率分布，q为随机噪声生成数据的概率分布，对抗的目的是让q充分拟合p。在q拟合概率分布p的过程中，如果q完全拟合p，自然有H(p)=H(p,q)，如果q拟合p不充分，自然产生信息损耗H(p)-H(p,q)，整个信息损耗就是p和q的KL散度。因此p和q的KL散度的定义如下：

因此散度D(p||q)为信息熵H(p)与交叉熵H(p,q)的差，衡量q拟合p的过程中产生的信息损耗，损耗越少，q拟合p也就越好。很明显散度是不对称的，并不是p和q的距离。散度一些基础性质在这里不再详细罗列。

3.JS散度

KL散度的缺点是它不是距离、不对称。因此引进JS散度的概念。JS散度的定义如下：

由定义可以看出，JS散度是对称的，可以用于衡量两种不同分布之间的差异。JS散度用于生成对抗网络的数学推导上。