Estimating Information Theoretic Measures via Multidimensional Gaussianization

计算机科学 人工智能 数据挖掘 模式识别(心理学)
作者
Valero Laparra,J. Emmanuel Johnson,Gustau Camps‐Valls,Raúl Santos‐Rodríguez,Jesús Malo
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [IEEE Computer Society]
卷期号:: 1-16
标识
DOI:10.1109/tpami.2024.3495827
摘要

Information theory is an outstanding framework for measuring uncertainty, dependence, and relevance in data and systems. It has several desirable properties for real-world applications: naturally deals with multivariate data, can handle heterogeneous data, and the measures can be interpreted. However, it has not been adopted by a wider audience because obtaining information from multidimensional data is a challenging problem due to the curse of dimensionality. We propose an indirect way of estimating information based on a multivariate iterative Gaussianization transform. The proposed method has a multivariate-to-univariate property: it reduces the challenging estimation of multivariate measures to a composition of marginal operations applied in each iteration of the Gaussianization. Therefore, the convergence of the resulting estimates depends on the convergence of well-understood univariate entropy estimates, and the global error linearly depends on the number of times the marginal estimator is invoked. We introduce Gaussianization-based estimates for Total Correlation, Entropy, Mutual Information, and Kullback-Leibler Divergence. Results on artificial data show that our approach is superior to previous estimators, particularly in high-dimensional scenarios. We also illustrate the method's performance in different fields to obtain interesting insights. We make the tools and datasets publicly available to provide a test bed for analyzing future methodologies.

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