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* '''EI分解'''
 
* '''EI分解'''
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在行向量形式表示的马尔科夫链中,EI可以进一步拆解:
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有效信息通常可以分解为两个部分:确定性(Determinism)和简并性(Degeneracy)。确定性是指,在动力学的作用下,我们根据系统前一时刻的状态会以多大程度预测它下一时刻状态;简并性是指:我们能够以多大程度从下一时刻的状态预测上一时刻的状态。如果确定性越大,或简并性越小,则系统的有效信息就会越大。于是,如果一个转移矩阵具有较高的确定性和较低的简并性,则它的EI就会很高。进一步,存在如下对EI的分解:
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{{NumBlk|:|
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<math>
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\begin{aligned}
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EI &=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N D_{KL}(P_i||\bar{P}) \\
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&= \frac{1}{N}\cdot \sum_{i=1}^N\left(P_i\cdot \log P_i - P_i\cdot\log \bar{P}\right)\\
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&=\underbrace{-\langle H(P_i)\rangle}_{确定性项}+\underbrace{H(\bar{P})}_{非简并性项}
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\end{aligned}
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</math>
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|{{EquationRef|tow_terms}}}}
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其中,第一项:[math]-\langle H(P_i)\rangle\equiv \frac{1}{N}\sum_{i=1}^N H(P_i)[/math]为每个行向量[math]P_i[/math]的负熵的平均值,它刻画了整个马尔科夫转移矩阵的'''确定性'''(determinism),即在动力学的作用下,可以在多大程度上根据系统前一时刻的状态预测它下一时刻状态。确定性高对应,很大程度可以成功预测下一状态。
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第二项:[math]H(\bar{P})[/math]为平均行向量的熵,其中[math]\bar{P}\equiv \frac{1}{N}\sum_{i=1}^N P_i [/math]为所有N个行向量的平均行向量,它刻画了整个马尔科夫转移矩阵的'''非简并性'''或'''非退化性'''(non-degeneracy),即在动力学的作用下,能够以多大程度从下一时刻的状态推断上一时刻的状态。非简并性高对应,很大程度可以正确推断上一时刻状态。
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<math>
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因此,有效信息通常可以分解为两个部分:<math>EI=Det-Deg</math>,Det是确定性(Determinism)的缩写,Deg是简并性(Degeneracy)的缩写。因此,如果一个转移矩阵具有较高的确定性和较低的简并性,则它的EI就会很高。
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EI=Det-Deg
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</math>
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这里,Det是对确定性(Determinism)的缩写,而Deg是对简并性(Degeneracy)的缩写,EI是二者之差。在上面的表格中,我们将矩阵所对应的Det和Deg数值也都列在了下面。
      
* '''计算实例'''
 
* '''计算实例'''
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我们可以看到,第一个矩阵[math]P_1[/math]的EI比第二个[math]P_2[/math]的高,这是因为这一概率转移是一个完全确定性的转移,也就是从某一个状态出发,它会以100%的概率转移到另外某一个状态。然而,并不是所有的确定性转移的矩阵都会对应较大的EI,比如[math]P_3[/math]这个矩阵,虽然它的转移概率也都是100%或0,但是因为所有后面三种状态都会转移到第1个状态,因此我们将无法区分它上一时刻是处于何种状态的。这种情况下它的EI也会比较低,我们称这种情况存在着'''简并性'''。于是,如果一个转移矩阵具有较高的确定性和较低的简并性,则它的EI就会很高。进一步,存在如下对EI的分解:
 
我们可以看到,第一个矩阵[math]P_1[/math]的EI比第二个[math]P_2[/math]的高,这是因为这一概率转移是一个完全确定性的转移,也就是从某一个状态出发,它会以100%的概率转移到另外某一个状态。然而,并不是所有的确定性转移的矩阵都会对应较大的EI,比如[math]P_3[/math]这个矩阵,虽然它的转移概率也都是100%或0,但是因为所有后面三种状态都会转移到第1个状态,因此我们将无法区分它上一时刻是处于何种状态的。这种情况下它的EI也会比较低,我们称这种情况存在着'''简并性'''。于是,如果一个转移矩阵具有较高的确定性和较低的简并性,则它的EI就会很高。进一步,存在如下对EI的分解:
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有效信息通常可以分解为两个部分:确定性(Determinism)和简并性(Degeneracy)。确定性是指,在动力学的作用下,我们根据系统前一时刻的状态会以多大程度预测它下一时刻状态;简并性是指:我们能够以多大程度从下一时刻的状态预测上一时刻的状态。如果确定性越大,或简并性越小,则系统的有效信息就会越大。
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<math>
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EI=Det-Deg
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</math>
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这里,Det是对确定性(Determinism)的缩写,而Deg是对简并性(Degeneracy)的缩写,EI是二者之差。在上面的表格中,我们将矩阵所对应的Det和Deg数值也都列在了下面。
      
第一个转移概率矩阵是一个[[排列矩阵]](Permutation),它是可逆的,因此确定性最高,没有简并性,因而EI最大;第二个矩阵的前三个状态都会以1/3的概率跳转到彼此,因此确定性程度最低,而简并性也很低,EI是0.81;第三个矩阵虽然也是非0即1的转移概率,因而确定性最高,但是由于后三个状态都跳转到1,因此,从1状态不能推知它来自于哪个状态,因此简并性最高,最终的EI与第二个相同,仍然是0.81。
 
第一个转移概率矩阵是一个[[排列矩阵]](Permutation),它是可逆的,因此确定性最高,没有简并性,因而EI最大;第二个矩阵的前三个状态都会以1/3的概率跳转到彼此,因此确定性程度最低,而简并性也很低,EI是0.81;第三个矩阵虽然也是非0即1的转移概率,因而确定性最高,但是由于后三个状态都跳转到1,因此,从1状态不能推知它来自于哪个状态,因此简并性最高,最终的EI与第二个相同,仍然是0.81。
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