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该指标通过归一化,使得有效信息的比较不受输入维度大小的影响,更适合不同规模系统的对比分析。
 
该指标通过归一化,使得有效信息的比较不受输入维度大小的影响,更适合不同规模系统的对比分析。
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=互信息方法实验=
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==有效信息揭示神经网络中因果结构的变化==
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=基于互信息方法量化联合效应=
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为了了解DNN的因果结构在学习过程中是如何变化的,我们跟踪了用两个基准分类任务训练的EIin网络:Iris<ref>R. A. Fisher.  The Design of Experiments. The American Mathematical Monthly, 43(3):180, 1936.  ISSN 00029890. doi: 10.2307/2300364.</ref>和MNIST<ref>Yann  LeCun,  Corinna  Cortes,  and  CJ  Burges.  Mnist  handwritten  digit  database. ATT  Labs  [Online].  Available: <nowiki>http://yann.lecun.com/exdb/mnist</nowiki>, 2, 2010.</ref>。对于Iris,我们训练了具有三个密集连接层4→5→5→3的网络,对于MNIST,我们使用了具有四个紧密连接层25→6→6→5的网络,使用sigmoid激活函数,并且两个任务都没有偏差。对于MNIST,我们将输入从28x28整形为5x5,并从数据集中删除了数字5-9的示例,这样最后一层只有5个节点——这是为了降低准确计算EI的计算成本。这两个任务的网络都用MSE损失和香草梯度下降训练,学习率为0.01。我们训练了批量大小为10的Irisnetworks 4000个epoch和批量大小为50的MNIST网络500个epoch。我们通过从均匀分布<math>W_{ij} = \mathscr{U}\left([ -\frac{1}{\sqrt{\mathrm{fan}_{\mathrm{in}}}}, \frac{1}{\sqrt{\mathrm{fan}_{\mathrm{in}}}} ]\right)</math>中采样来初始化权重。对于每个任务和体系结构,我们执行三次具有不同初始化的运行。使用相同的网络架构,我们还训练了具有tanh和ReLU激活函数的网络——结果可以在SI第7.2节中找到。为了计算EI,我们使用107个样本的固定噪声注入长度。我们发现,在我们的网络中,注入这个长度就足以确保收敛(见SI第7.1节)。然而,请注意,更宽的网络层可能需要更多的样本。     
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从定性上讲,我们观察到,EI的最大变化与训练过程中损失曲线的最陡部分显著匹配,并且在最大学习期间,EI通常是动态的(如下图所示)。在训练性能与测试性能分离的过拟合期间,EI在所有层上通常都是平坦的,这表明在网络适当拟合后,因果结构中的信息在此期间没有变化。
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[[文件:图 2.png|替代=|无框|500x500像素]]
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==有效信息量化联合效应与独立效应==
      
[[综合信息理论]](Integrated Information Theory, IIT) 是一种用来评估系统中联合效应和独立效应的工具<ref>Giulio Tononi.  Consciousness as integrated information:  a provisional manifesto. The Biological Bulletin, 215(3): 216–242, 2008.</ref>。简单来说,联合效应指的是多个节点(或变量)共同作用产生的效果,而独立效应则是单个节点单独作用的效果。IIT帮助我们分析网络中这些效应是如何整合在一起的<ref>William Marshall, Hyunju Kim, Sara I Walker, Giulio Tononi, and Larissa Albantakis. How causal analysis can reveal autonomy  in  models  of  biological  systems. Philosophical  Transactions  of  the  Royal  Society  A:  Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 375(2109):20160358, 2017.</ref><ref name=":4">Larissa Albantakis, William Marshall, Erik Hoel, and Giulio Tononi.  What caused what?  a quantitative account of actual causation using dynamical causal networks. Entropy, , 21(5):459, 2019.</ref>。
 
[[综合信息理论]](Integrated Information Theory, IIT) 是一种用来评估系统中联合效应和独立效应的工具<ref>Giulio Tononi.  Consciousness as integrated information:  a provisional manifesto. The Biological Bulletin, 215(3): 216–242, 2008.</ref>。简单来说,联合效应指的是多个节点(或变量)共同作用产生的效果,而独立效应则是单个节点单独作用的效果。IIT帮助我们分析网络中这些效应是如何整合在一起的<ref>William Marshall, Hyunju Kim, Sara I Walker, Giulio Tononi, and Larissa Albantakis. How causal analysis can reveal autonomy  in  models  of  biological  systems. Philosophical  Transactions  of  the  Royal  Society  A:  Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 375(2109):20160358, 2017.</ref><ref name=":4">Larissa Albantakis, William Marshall, Erik Hoel, and Giulio Tononi.  What caused what?  a quantitative account of actual causation using dynamical causal networks. Entropy, , 21(5):459, 2019.</ref>。
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在传统的[[前馈神经网络]]中,综合信息通常被认为是零,因为[[前馈神经网络]]没有反馈连接(即信息只能从输入层流向输出层)。然而,即使在前馈网络中,一层的节点仍然可能对另一层产生联合效应,即多个节点共同作用的效果。为了衡量这种联合效应,我们引入了一种新的度量方法,称为前馈集成信息(Feedforward Integrated Information, <math>\Phi_{feedforward}</math>)。
 
在传统的[[前馈神经网络]]中,综合信息通常被认为是零,因为[[前馈神经网络]]没有反馈连接(即信息只能从输入层流向输出层)。然而,即使在前馈网络中,一层的节点仍然可能对另一层产生联合效应,即多个节点共同作用的效果。为了衡量这种联合效应,我们引入了一种新的度量方法,称为前馈集成信息(Feedforward Integrated Information, <math>\Phi_{feedforward}</math>)。
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===量化联合效应===
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==量化联合效应==
    
为了量化联合效应,我们首先需要计算每条边的独立贡献。我们引入了一个叫做<math>EI_{parts}</math>的度量方法。具体来说,对于每一层的每个节点,我们记录它在随机扰动下的激活值,然后计算这些激活值与下一层节点之间的互信息。最后,我们将所有这些互信息值相加,得到<math>EI_{parts}</math>:
 
为了量化联合效应,我们首先需要计算每条边的独立贡献。我们引入了一个叫做<math>EI_{parts}</math>的度量方法。具体来说,对于每一层的每个节点,我们记录它在随机扰动下的激活值,然后计算这些激活值与下一层节点之间的互信息。最后,我们将所有这些互信息值相加,得到<math>EI_{parts}</math>:
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这里的<math>I(t_i, t_j)</math>表示节点<math>i</math>和节点<math>j</math>之间的互信息,<math>\text{do}(L_1 = H^{\max})</math>表示对输入层<math>L_1</math>进行最大熵扰动。
 
这里的<math>I(t_i, t_j)</math>表示节点<math>i</math>和节点<math>j</math>之间的互信息,<math>\text{do}(L_1 = H^{\max})</math>表示对输入层<math>L_1</math>进行最大熵扰动。
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===联合效应与独立效应的差异===
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==联合效应与独立效应的差异==
    
<math>EI_{parts}</math>衡量的是网络中每条边的独立贡献,但它可能会忽略一些联合效应。为了捕捉这些联合效应,我们计算<math>EI</math>和<math>EI_{parts}</math>之间的差异,即:
 
<math>EI_{parts}</math>衡量的是网络中每条边的独立贡献,但它可能会忽略一些联合效应。为了捕捉这些联合效应,我们计算<math>EI</math>和<math>EI_{parts}</math>之间的差异,即:
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这个差值<math>\Phi_{feedforward}</math>表示网络中联合效应的总量。如果<math>\Phi_{feedforward}</math>是正的,说明网络中的联合效应是有益的;如果是负的,说明这些联合效应可能是噪声。
 
这个差值<math>\Phi_{feedforward}</math>表示网络中联合效应的总量。如果<math>\Phi_{feedforward}</math>是正的,说明网络中的联合效应是有益的;如果是负的,说明这些联合效应可能是噪声。
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===训练过程中联合效应的变化===
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==训练过程中联合效应的变化==
    
为了了解联合效应在训练过程中的变化,我们分析了两个经典的数据集:Iris和MNIST。我们发现,MNIST数据集上的网络比Iris数据集上的网络具有更高的<math>\Phi_{feedforward}</math>。这表明,MNIST任务更复杂,网络需要更多的联合效应来学习(见下图)。
 
为了了解联合效应在训练过程中的变化,我们分析了两个经典的数据集:Iris和MNIST。我们发现,MNIST数据集上的网络比Iris数据集上的网络具有更高的<math>\Phi_{feedforward}</math>。这表明,MNIST任务更复杂,网络需要更多的联合效应来学习(见下图)。
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