Ülesanded tõenäosusest (täielik salastus, entroopia mõiste)

Seotud dokumendid
vv05lah.dvi

Matemaatiline analüüs IV 1 3. Mitme muutuja funktsioonide diferentseerimine 1. Mitme muutuja funktsiooni osatuletised Üleminekul ühe muutuja funktsioo

lvk04lah.dvi

raamat5_2013.pdf

IMO 2000 Eesti võistkonna valikvõistlus Tartus, aprillil a. Ülesannete lahendused Esimene päev 1. Olgu vaadeldavad arvud a 1, a 2, a 3,

Matemaatiline analüüs III 1 4. Diferentseeruvad funktsioonid 1. Diferentseeruvus antud punktis. Olgu funktsiooni f : D R määramispiirkond D R selles p

Polünoomi juured Juure definitsioon ja Bézout teoreem Vaadelgem polünoomi kus K on mingi korpus. f = a 0 x n + a 1 x n a n 1 x

Sügis 2018 Kõrgema matemaatika 2. kontrolltöö tagasiside Üle 20 punkti kogus tervelt viis üliõpilast: Robert Johannes Sarap, Enely Ernits, August Luur

Treeningvõistlus Balti tee 2014 võistkonnale Tartus, 4. novembril 2014 Vastused ja lahendused 1. Vastus: 15, 18, 45 ja kõik 0-ga lõppevad arvud. Olgu

ITI Loogika arvutiteaduses

prakt8.dvi

Relatsiooniline andmebaaside teooria II. 6. Loeng

7 KODEERIMISTEOORIA 7.1 Sissejuhatus Me vaatleme teadete edastamist läbi kanali, mis sisaldab müra ja võib seetõttu moonutada lähteteadet. Lähteteade

Matemaatilised meetodid loodusteadustes. I Kontrolltöö I järeltöö I variant 1. On antud neli vektorit: a = (2; 1; 0), b = ( 2; 1; 2), c = (1; 0; 2), d

Microsoft PowerPoint - IRZ0020_praktikum4.pptx

Infix Operaatorid I Infix operaatorid (näiteks +) ja tüübid (näiteks ->) kirjutatakse argumentide vahele, mitte argumentide ette. Näiteks: 5 + 2, 2*pi

Neurovõrgud. Praktikum aprill a. 1 Stohhastilised võrgud Selles praktikumis vaatleme põhilisi stohhastilisi võrke ning nende rakendust k

Saksa keele riigieksamit asendavate eksamite tulemuste lühianalüüs Ülevaade saksa keele riigieksamit asendavatest eksamitest Saksa keele riigi

Word Pro - diskmatTUND.lwp

Mining Meaningful Patterns

Microsoft Word - essee_CVE ___KASVANDIK_MARKKO.docx

EDL Liiga reeglid 1. ÜLDSÄTTED 1.1. EDL Liiga toimub individuaalse arvestuse alusel, kus mängijad on jagatud hooaja EDL Liiga tulemuste põhj

Andmed arvuti mälus Bitid ja baidid

III teema

Ruutvormid Denitsioon 1. P n Ütleme, et avaldis i;j=1 a ijx i x j ; kus a ij = a ji ; a ij 2 K ja K on korpus, on ruutvorm üle korpuse K muutujate x 1

Mida me teame? Margus Niitsoo

Antennide vastastikune takistus

Microsoft Word - 56ylesanded1415_lõppvoor

Word Pro - digiTUNDkaug.lwp

Eesti koolinoorte LIII matemaatikaolümpiaad 28. jaanuar 2006 Piirkonnavoor Hindamisjuhised Lp hindaja! 1. Juhime Teie tähelepanu sellele, et alljärgne

XV kursus

Pangalingi spetsifikatsioon Pocopay pangalingilt makse algatamiseks tuleb kasutada teenust Kaupmees teeb päringu Pocopayle aadressile

Matemaatika ainekava 8.klass 4 tundi nädalas, kokku 140 tundi Kuu Õpitulemus Õppesisu Algebra (65 t.) Geomeetria (60 t.) Ajavaru kordamiseks (15 õppet

loeng7.key

G aiasoft Programmi VERP ja Omniva Arvekeskuse liidese häälestamine ja arvete saatmine-lugemine VERP 6.3 ja VERP 6.3E Versioon ja hilisemad K

Sideteooria-loeng 01 - kanalimudelid, statistika

(10. kl. I kursus, Teisendamine, kiirusega, kesk.kiirusega \374lesanded)

Diskreetne matemaatika I Kevad 2019 Loengukonspekt Lektor: Valdis Laan 20. juuni a.

FIDE reitingumäärus 1. juuli 2014 Kuremaa, Marek Kolk

Taskuprinter KASUTUSJUHEND

Mida räägivad logid programmeerimisülesande lahendamise kohta? Heidi Meier

Funktsionaalne Programmeerimine

efo03v2pkl.dvi

Excel Valemite koostamine (HARJUTUS 3) Selles peatükis vaatame millistest osadest koosnevad valemid ning kuidas panna need Excelis kirja nii, et

Praks 1

Tartu Ülikool Matemaatika-informaatikateaduskond Puhta Matemaatika Instituut Algebra õppetool Riivo Must Mõned katsed üldistada inversseid poolrühmi M

lcs05-l3.dvi

Sularahateenuse hinnastamise põhimõtted SRK 3 12_

Microsoft PowerPoint - loeng2.pptx

10. peatükk Perevägivald See tund õpetab ära tundma perevägivalda, mille alla kuuluvad kõik füüsilise, seksuaalse, psühholoogilise või majandusliku vä

Ülesanne #5: Käik objektile Kooli ümberkujundamist vajava koha analüüs. Ülesanne #5 juhatab sisse teise poole ülesandeid, mille käigus loovad õpilased

Microsoft Word - Errata_Andmebaaside_projekteerimine_2013_06

(Microsoft Word - T\366\366leht m\365isaprogramm 4-6 kl tr\374kkimiseks.doc)

12. Marek Kolk, Kõrgem matemaatika, Tartu Ülikool, Algfunktsioon ja määramata integraal Sisukord 12 Algfunktsioon ja määramata integraal 1

(Microsoft Word - \334levaade erakondade finantsseisust docx)

ma1p1.dvi

NR-2.CDR

ArcGIS Online Konto loomine Veebikaardi loomine Rakenduste tegemine - esitlus

Kontrollijate kommentaarid a. piirkondliku matemaatikaolümpiaadi tööde kohta 7. klass (Elts Abel, Mart Abel) Test Ül. 6: Mitmes töös oli π aseme

IVXV võtmerakendus Spetsifikatsioon Versioon jaan lk Dok IVXV-SVR-1.4.0

Matemaatiline maailmapilt MTMM Terje Hõim Johann Langemets Kaido Lätt 2018/19 sügis

Suunised Euroopa turu infrastruktuuri määruse (EMIR) kohaste kesksetele vastaspooltele suunatud protsüklilisusvastaste tagatismeetmete kohta 15/04/201

Mare Kiisk Tartu Raatuse kool IGAPÄEVAELU TARKUSTE OTSIMISMÄNG 3. klassile Mängu koostas: Mare Kiisk, Tartu Raatuse kooli klassiõpetaja, 2018 VOSK Võt

Image segmentation

Eesti keele võõrkeelena olümpiaadi lõppvoor 2013 Kõik ülesanded on siin lühendatult. Valikus on küsimusi mõlema vanuserühma töödest. Ülesanne 1. Kirju

ELUPUU Eestikeelne nimi Harilik elupuu, levinud ka hiigelelupuu Ladinakeelne nimi Thuja occidentalis ja thuja plicata Rahvapärased nimed Ilmapuu, tule

Kaupmehed ja ehitusmeistrid Selle laiendusega mängimiseks on vajalik Carcassonne põhimäng. Laiendit võib mängus kasutada täielikult või osaliselt ning

1 / loeng Tekstitöötlus Sisend/väljund Teksti lugemine Sõnad

3D mänguarenduse kursus (MTAT ) Loeng 3 Jaanus Uri 2013

DIGITAALTEHNIKA DIGITAALTEHNIKA Arvusüsteemid Kümnendsüsteem Kahendsüsteem Kaheksandsüsteem Kuueteistkü

Väärtusta oma vabadust. Eesti Yale Seifide Kasutusjuhend Mudelid: YSB/200/EB1 YSB/250/EB1 YSB/400/EB1 YLB/200/EB1 YSM/250/EG1 YSM/400/EG1 YSM/520/EG1

KIIRJUHEND Lugege kiirjuhend enne seadme kasutamist hoolikalt läbi. Kõik tärniga (*) märgitud juhised kehtivad WLAN + 3G mudelitele (Lenovo B6000-H(V)

HWU_AccountingAdvanced_October2006_EST

PowerPoint Presentation

Microsoft Word - Vorm_TSD_Lisa_1_juhend_2015

Kontrollijate kommentaarid a. matemaatikaolümpiaadi piirkonnavooru tööde kohta Kokkuvõtteks Ka tänavu püüdsime klasside esimesed 2 ülesa

PowerPoint Presentation

Aili_A-mf-4_adiab.doc

Microsoft PowerPoint - Loeng2www.ppt [Compatibility Mode]

Digiallkirjastamine. Nõudmised digiallkirjale, standardid

Microsoft Word - requirements.doc

VKE definitsioon

Microsoft PowerPoint - K ja Kr L 16a.pptx

Microsoft PowerPoint - FCF tootekataloog sygis

I Generaatori mõiste (Java) 1. Variantide läbivaatamine Generaator (ehk generaator-klass) on klass, milles leidub (vähemalt) isendimeetod next(). Kons

(Microsoft Word - T\366\366leht m\365isaprogramm algklassilastele tr\374kk 2.doc)

TARTU ÜLIKOOL Arvutiteaduse instituut Informaatika õppekava Karl Riis Bayesi isotoonilise kalibreerimise algoritm ja selle optimeerimine Bakalaureuset

Diskreetne matemaatika I praktikumiülesannete kogu a. kevadsemester

Tehniline andmeleht Sadulventiilid (PN 16) VRG 2 2-tee ventiil, väliskeermega VRG 3 3-tee ventiil, väliskeermega Kirjeldus Ventiilid on kasutatavad ko

EUROOPA KOMISJON Brüssel, COM(2018) 284 final ANNEXES 1 to 2 LISAD järgmise dokumendi juurde: Ettepanek: Euroopa Parlamendi ja nõukogu määru

QUANTUM SPIN-OFF - Experiment UNIVERSITEIT ANTWERPEN

KASUTUSJUHEND

6. KLASSI MATEMAATIKA E-TASEMETÖÖ ERISTUSKIRI Alus: haridus- ja teadusministri määrus nr 54, vastu võetud 15. detsembril E-TASEMETÖÖ EESMÄRK Tas

ITI Loogika arvutiteaduses

Anneli Areng Kaja Pastarus Matemaatika tööraamat 5. klassile II osa

PowerPoint Presentation

Microsoft Word - MKM74_lisa2.doc

KM 1 Ülesannete kogu, 2018, s

Vana talumaja väärtustest taastaja pilgu läbi

Väljavõte:

Ülesanded tõenäosusest (täielik salastus, entroopia mõiste) 9.märts, 2006 Ülesanded Ülesanne. Kujutlege järgmist telemängu, milles on võimalik võita auhind, juhul kui osaleja õigesti ära arvab, millises kolmest (esialgu suletud) kastist auhind asub. Auhind on igas kastis tõenäosusega. Mängu käik on järgmine: Mängija valib ühe kolmest suletud kastist, mis jääb suletuks. Mängujuht avab ühe mittevalitud kastidest, kus auhinda ei ole (vähemalt üks mittevalitud kastidest peab olema tühi, sest auhind on vaid ühes kolmest kastist). Mängujuht annab mängijale võimaluse oma valikut muuta, st otsustada teise suletud kasti kasuks. Koduseid ettevalmistusi tehes vaatlete kolme strateegiat antud mängu mängimiseks: a) alati jääda esialgse valiku juurde, b) alati muuta oma valikut, c) visata münti. Arvutage auhinna saamise tõenäosus kõigi kolme strateegia (a,b,c) korral. Ülesanne 2. Olgu meil järgmine krüptosüsteem, milles avatekst X omandab väärtusi hulgast {x, x 2, x }, võti K väärtusi hulgast {k, k 2, k } ja krüptogramm Y väärtusi hulgast {y, y 2, y, y 4 }. Krüpteerimisreeglid on esitatud järgmise tabelina:

E k k 2 k x y y 2 y x 2 y 2 y 4 y x y y y 4. Eeldame, et võti K ja avatekst X on sõltumatud, kusjuures tõenäosused on järgmised: p(x ) = 0.4, p(x 2 ) = p(x ) = 0., p(k ) = p(k 2 ) = 0. ja p(k ) = 0.4. Leia p(x y 4 ) iga x {x, x 2, x 4 } korral. Üleasnne 2A. Tõesta, et kui võti k on ühtlase jaotusega juhuslik suurus, siis nihkešiffer valemiga y = E k (x) = x + k mod 26 on täielikult salastav, st iga x, y {0,..., 25} korral p(x y) = p(x). Ülesanne. Leia eelmises ülesandes toodud suuruste kontekstis entroopia H[X] ja tingimuslik entroopia H[X Y ]. Ülesanne 4. Leia Huffmani puu ja vastavad koodid järgmisele juhuslikule suurusele X väärtuste hulgaga {x,...,x 7 } ja tõenäosustega p = 0.2, p 2 = 0.08, p = 0., p 4 = 0.7, p 5 = 0.22, p 6 = 0., p 7 = 0.2. Leia keskmine koodi pikkus l ja Shannoni entroopia H[X]. Ülesanne 5. Juhuslik suurus X valitakse ühtlase jaotusega hulgast {, 2,..., 6}. Juhuslik suurus Y arvutatakse juhuslikust suurusest X valemi Y = X 2 mod 7 järgi. Leia juhusliku suuruse Y Shannoni entroopia H[Y ]. Ülesanne 6 (iseseisvaks uurimiseks). Millistel tingimustel langeb Huffmani koodi keskmine pikkus täpselt kokku Shannoni entroopiaga? 2

Lahendused Ülesanne. Olgu E sündmus, et esimesena valitud kastis on auhind ja W olgu sündmus, et mängija võidab auhinna. Selge, et sündmuse E tõenäosus on P[E] =. Strateegia a) korral valikut ei muudeta, mistõttu P[W] = P[E] =. Strateegia b) korral muudetakse valikut alati. Seega, kui esimesena valitud kastis oli auhind, otsustatakse lõpuks tühja kasti kasuks. Kui aga esimesena valitud kastis auhinda ei olnud, on lõpuks valitud kast alati auhinnaga. Seega, P[W] = P[E] = 2. Strateegia c) korral lisandub arutlustesse teine (sõltumatu) juhuslik sündmus mündivise. Tähistame M sündmust, et mündivise soovitab valikut muuta. Eeldatavasti P[M] =. Võita saab kahel (teineteist välistaval) juhul: 2 Esimesel korral valiti auhinnaga kast ja mündivise soovitas valikut mitte muuta. Esimesel korral valiti tühi kast ja mündivise soovitas valikut muuta. Seega, P[W] = P[E] ( P[M]) + ( P[E]) P[M] = 2 + 2 2 = 2. Ülesanne 2. Kasutame valemit p(x y 4 ) = = p(x) p(y 4 ) p(y 4 x) p(x) k {k,k 2,k } p(k) P[E k(x) = y 4 ] k {k,k 2,k } p(x) p(k) P[E k(x) = y 4 ]. x {x,x 2,x } Arvutades saame, et p(y 4 ) = p(x 2 ) p(k 2 )+p(x ) p(k ) = 0. 2 +0. 0.4 = 0.2 ja seega p(x y 4 ) = 0, p(x 2 y 4 ) = 0.2 0.2 0.4286, p(x y 4 ) = 0. 0.4 0.2 0.574. Ülesanne 2A. Kasutades seost p(y) p(x y) = p(y x) p(x) ja valemeid p(y) = x p(x) p(y x) ja p(y x) = k p(k) [E k(x) = y] saame esmalt, et p(y x) =, sest iga paari (x, y) korral leidub parajasti üks võti k nii 26 Siin tähistab [] nn. Iversoni sümbolit, st [E k (x) = y] = {, kui Ek (x) = y; 0, kui E k (x) y.

et E k (x) = y, sest sobivat (ja unikaalset) võtit saab alati arvutada valemi k = y x mod 26 põhjal. Seega ka p(y) = x p(x) p(y x) = 26 x p(x) =, sest 26 x p(x) =. Nüüd saamegi esimesena toodud võrrandist seose p(x y) = p(x). Ülesanne. Kõigepealt arvutame entroopia H[X] = p(x) log 2 p(x) = 0.4 log 2 0.4 0. log 2 0. 0. log 2 0..57 x Tingimusliku entroopia arvutamiseks kasutame definitsiooni: H[X Y ] = p(y) H[X y] = p(y) p(x y) log 2 p(x y). y y Selleks tuleb arvutada tõenäosused p(y) ja p(x y). Saame, p(y ) = p(x, k) [E k (x) = y ] = p(x) p(k) [E k (x) = y ] x,k x,k = p(x ) p(k ) + p(x 2 ) p(k ) + p(x ) p(k 2 ) = 0. 0.4 + 0. 0.4 + 0. 0. = 0. p(y 2 ) = 0.4 0. + 0. 0. = 0.2 p(y ) = 0.4 0.4 + 0. 0. = 0.25 p(y 4 ) = 0.2. Tingimuslike tõenäosuste arvutamisel saame: p(x y) y y 2 y y 4 0. 0.4 0. 0.4 0.4 0.4 x 0.66 0.574 = 0.64 0 0. 0.2 0.25 0. 0.4 0. 0. 0. 0. x 2 0.66 0.4286 0 0.4286 0. 0.2 0.2 0. 0. 0. 0. 0. 0.4 x 0.2727 0 0.6 0.574 0. 0.25 0.2 Arvutame tingimuslikud entroopiad: H[X y ] 2 0.66 log 2 0.66 0.2727 log 2 0.2727 H[X y 2 ] 0.57 H[X y ] 0.9427 H[X y 4 ] 0.57..064 + 0.52.57 Lõpuks arvutame tingimusliku entroopia kui keskväärtuse: H[X Y ] 0..57 + 0.2 0.57 + 0.25 0.9427 + 0.2 0.57 0.97. 4 x

Ülesanne 4. Huffmani puu tuleb järgmine:.0 0.58 0 x..7 x 264 0 0.5 x 264 0 0.2 0.8 0.42 x x 26 x4 x 57 0 0 0.7 0 x 0.2 x x 2 x 6 x 5 x 7 0. 0.08 0. 0.22 0.2 Elementide x,...,x 7 koodid on seega (vastavalt) 000, 000, 00, 0,0, 00, ja. Koodi keskmine pikkus tuleb l = 0.2 + 0.08 4 + 0. + 0.7 + 0.22 2 + 0. 4 + 0.2 2 = 2.76 ja Shannoni entroopia: H[X] = 0.2 log 2 0.2 0.08 log 2 0.08 0. log 2 0. 0.7 log 2 0.7 0.22 log 2 0.22 0. log 2 0. 0.2 log 2 0.2 0.67 + 0.295 + 0.50 + 0.446 + 0.4806 + 0.22 + 0.4644 2.72. Ülesanne 5. Et funktsiooni f(x) = x 2 mod 7 määramispiirkond {,..., 6} on suhteliselt väike, siis arvutame funktsiooni f(x) tabeli: 5

x f(x) 2 4 9 4 6 5 8 6 2 7 5 8 9 0 5 2 2 8 6 4 9 5 4 6. Tabelist on näha, et suurusel Y on kaheksa erinevat võimalikku väärtust: Y = {, 2, 4, 8, 9,, 5, 6}, kusjuures igal väärtusel on täpselt kaks originaali hulgas X = {,..., 6}. Et X on ühtlase jaotusega (s.t. kõik tõenäosused võrdsed 2 ), siis iga y Y tõenäosus on =. Seega, entroopia tuleb: 6 6 8 H[Y ] = 8 8 log 2 8 = log 2 8 =. Ülesanne 6. Olgu X juhuslik suurus tõenäosusjaotusega (p,...,p n ). Olgu (w,...,w n ) mingi prefiksivaba kood, kusjuures i p i log 2 p i = H[X] = l = i p i w i, kus w i tähistab koodsõna w i {0, } pikkust (bittide arvu). Teisendades keskmise koodi pikkuse avaldist järgmisel viisil l = i p i log 2 2 w i = i p i log 2 2 w i, 6

saame järgmise võrduse (mis on ekvivalentne väitega, et koodi keskmine pikkus langeb kokku Shannoni entroopiaga): 0 = l H[X] = i [log 2 p i + log 2 2 w i ] = i p i log 2 p i 2 w i. Et Krafti võrratuse tõttu i 2 w i, siis Kullback-Liebleri võrratusest tulenevalt kehtib viimane võrdus parajasti siis, kui p i = 2 w i () iga i {,..., n} korral. Siit tuleneb, et tõenäosusjaotuse (p,...,p n ) mingi prefiksivaba koodi (w,...,w n ) keskmine pikkus saavutab teoreetilise miinimumi (Shannoni entroopia) parajasti siis, kui p i = 2 w i. Lõpuks jääb üle näidata, et kui tõenäosusjaotuse (p,...,p n ) kõik tõenäosused p i on kahe negatiivsed astmed (st p i = 2 k i ), siis Huffmani algoritm konstrueerib tingimusi () rahuldava prefiksivaba koodi. Olgu p i = 2 k i, kus k... k n. Väite tõestuseks kasutame induktsiooni n järgi. Väide ilmselt kehtib n = korral, sest siis on tõenäosusjaotus triviaalne (p = ). Oletame, et väide kehtib n korral ja vaatleme tõenäosusruumi (p,...,p n ), kus p i = 2 k i. On selge, et k n = k n = max{k,...,k n }, sest vastasel korral ei saa olla i p i =. Seega on ka p n + p n = 2 kn+ kahe negatiivne aste, mistõttu rakendub induktsiooni eeldus. 7