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| | ==== 其余信息原子计算 ==== | | ==== 其余信息原子计算 ==== |
| − | 此处的计算是指基于给定冗余后其余信息原子的计算方法,涉及到莫比乌斯反演(基于所有经典信息论给的约束),参考原文和后续文章
| + | 冗余格中每个节点所关联的冗余信息,不仅包含所有低于它的节点所提供的冗余信息,还可能包含更多。因此,沿着冗余格从下到上移动,<math>I_{\min}</math>可视为一种“累积信息函数”,它对越来越大,越来越包容的源集合所提供的信息进行累积。根据上述,两源变量的情况下我们很容易将交互信息分解为基本信息原子(即特有,冗余,协同三部分)并计算出其具体值,但对多个源变量我们需要使用<math>I_{\min}</math>的一个逆函数,称为部分信息函数(PI-function)来找到基本信息原子。对于源集合<math>\alpha\in\mathcal{A}(\mathbf{R})</math>,部分信息函数记为<math>\Pi_{\mathbf{R}}</math>,并由下式定义: |
| − | 冗余格中每个节点所关联的冗余信息,不仅包含所有低于它的节点所提供的冗余信息,还可能包含更多。因此,沿着冗余格从下到上移动,<math>I_{\min}</math>可视为一种“累积信息函数”,它对越来越包容的源集合所提供的信息进行累积。接下来,我们导出<math>I_{\min}</math>的一个逆函数,称为部分信息函数(PI-function)。<math>I_{\min}</math>量化累积信息,而 PI-function 则度量每个特定源集合所唯一贡献的部分信息。这些部分信息将构成我们分解总信息的基本“原子”。对于源集合<math>\alpha\in\mathcal{A}(\mathbf{R})</math>,部分信息函数记为<math>\Pi_{\mathbf{R}}</math>,并由下式隐式定义: | |
| | \begin{equation} | | \begin{equation} |
| | I_{\min}(S;\alpha) | | I_{\min}(S;\alpha) |
| 第147行: |
第146行: |
| | -\sum_{\beta\prec\alpha}\Pi_{\mathbf{R}}(S;\beta). | | -\sum_{\beta\prec\alpha}\Pi_{\mathbf{R}}(S;\beta). |
| | \end{equation} | | \end{equation} |
| − | 换言之,<math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\alpha) </math>量化的是:<math>\alpha</math>中所有源共同提供的冗余信息中,未被任何比 <math>\alpha</math>更低的源集合 <math>\beta</math>所提供的那部分信息。附录~D 证明 <math>\Pi_{\mathbf{R}}</math> 可写成闭式: | + | 换言之,<math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\alpha) </math>量化的是:<math>\alpha</math>中所有源共同提供的冗余信息中,未被任何比 <math>\alpha</math>更低的源集合 <math>\beta</math>所提供的那部分信息。互信息分解为部分信息项之和的关系由下式给出: |
| − | \begin{equation}
| |
| − | \Pi_{\mathbf{R}}(S;\alpha)
| |
| − | =I_{\min}(S;\alpha)
| |
| − | -\sum_{s}p(s)
| |
| − | \max_{\beta\in\alpha^{-}}
| |
| − | \min_{\mathbf{B}\in\beta}
| |
| − | I(S=s;\mathbf{B}),
| |
| − | \end{equation}
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| − | 其中 <math>\alpha^{-}</math>表示冗余格中紧接在 <math>\alpha</math>下方的所有节点。由此式可直接证明 <math>\Pi_{\mathbf{R}}</math>是非负的(见附录~D),因而可自然地被解释为一个与源集合 <math>\alpha</math>相关联的信息量。互信息分解为部分信息项之和的关系由下式给出:
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| | \begin{equation} | | \begin{equation} |
| | I(S;\mathbf{A}) | | I(S;\mathbf{A}) |
| 第163行: |
第153行: |
| | \end{equation} | | \end{equation} |
| | 对于三变量情形<math>\mathbf{R}=\{R_{1},R_{2}\}</math>,式 (9) 给出 | | 对于三变量情形<math>\mathbf{R}=\{R_{1},R_{2}\}</math>,式 (9) 给出 |
| − | \begin{align}
| + | <math>I(S;R_{1})=\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\})+\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\}\{2\})</math>,<math> |
| − | I(S;R_{1}) | + | I(S;R_{1},R_{2}}=\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\})+\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{2\})+\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\}\{2\})+\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{12\})</math>。 |
| − | &=\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\})
| + | 这些关系可用部分信息图(PI-diagram)表示(图2),它展示了总信息如何分布到各种不同源组合上。与图1对比,可立即看出每个部分信息项的含义: |
| − | +\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\}\{2\}),\\[2mm] | + | 冗余信息:由式 (8) 得 <math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\}\{2\})=I_{\min}(S;\{1\}\{2\})</math>,即 <math>R_{1} </math>与 <math>R_{2} </math>的冗余。唯一信息:<math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\})=I(S;R_{1})-I_{\min}(S;\{1\}\{2\})</math>,即 <math>R_{1} </math>的总信息减去冗余部分;对 <math>R_{2}</math>同理。协同信息:<math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{12\})</math> 表示 <math>R_{1}</math>与 <math>R_{2}</math>联合后多出来的那部分信息,即协同。 |
| − | I(S;R_{1},R_{2}}) | |
| − | &=\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\})
| |
| − | +\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{2\}) | |
| − | +\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\}\{2\}) | |
| − | +\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{12\}). | |
| − | \end{align}
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| − | 这些关系可用部分信息图(PI-diagram)表示(图~3A),它展示了总信息如何分布到各种不同源组合上。与图~1 对比,可立即看出每个部分信息项的含义: | |
| − | \begin{itemize}
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| − | \item 冗余信息:由式 (8) 得 <math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\}\{2\})=I_{\min}(S;\{1\}\{2\})</math>,即 <math>R_{1} </math>与 <math>R_{2} </math>的冗余。\item 唯一信息:<math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\})=I(S;R_{1})-I_{\min}(S;\{1\}\{2\})</math>,即 <math>R_{1} </math>的总信息减去冗余部分;对 <math>R_{2}</math>同理。\item 协同信息:<math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{12\})</math> 表示 <math>R_{1}</math>与 <math>R_{2}</math>联合后多出来的那部分信息,即协同。\end{itemize}为了具体理解,考虑图~4A 的示例。由分布的对称性可知,<math>R_{1}</math> 与 <math>R_{2}</math> 必须提供相同量的信息。确实可验证:
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| − | \[
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| − | I(S;R_{1})=I(S;R_{2})
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| − | =-\tfrac{1}{3}\log\tfrac{1}{3}-\tfrac{2}{3}\log\tfrac{2}{3}.
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| − | \]
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| − | 然而,<math>R_{1}</math>与 <math>R_{2}</math> 分别关于 <math>S</math> 的不同结果提供信息。具体而言,已知 <math>R_{1}</math> 时可完全确定 <math>S=2 </math>是否发生(而 <math>R_{2}</math> 不能),反之亦然。这一特征被部分信息捕获:
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| − | \[
| |
| − | \Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\})
| |
| − | =\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{2\})
| |
| − | =\tfrac{1}{3},
| |
| − | \]
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| − | 表明 <math>R_{1} </math>与 <math>R_{2} </math>各自提供 <math>\frac{1}{3} </math>比特的唯一信息。冗余信息为<math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{1\}\{2\})=\log 3-\log 2</math>,反映知道 <math>R_{1}</math>或 <math>R_{2}</math> 中任一个,即可把 <math>S </math>的可能结果从三个减到两个。最后,<math>R_{1} </math>与 <math>R_{2}</math> 还提供 <math>\frac{1}{3}</math>比特的协同信息:<math>\Pi_{\mathbf{R}}(S;\{12\})=\frac{1}{3}</math>,这反映两者联合可唯一确定 <math>S=0</math> 是否发生,而单独任一个都无法做到。值得注意的是,与互信息或交互信息不同,部分信息不是对称的。例如,<math>R_{1}</math> 与 <math>R_{2} </math>关于 <math>S</math> 的协同信息并不一定等于 <math>S </math>与 <math>R_{2}</math> 关于 <math>R_{1}</math>的协同信息。图~4A 的示例也说明了这一点:已知 <math>S </math>时可唯一确定 <math>R_{1}</math>(及 <math>R_{2}</math>),因此 <math>S</math> 与 <math>R_{2}</math> 不可能再提供任何关于 <math>R_{1} </math>的协同信息,因为一旦知道 <math>S</math>,<math>R_{1}</math>已无任何不确定性。相反,如前所述,<math>R_{1}</math> 与 <math>R_{2}</math> 却能提供 <math>\frac{1}{3}</math> 比特关于 <math>S</math> 的协同信息。这种不对称性正是我们始终聚焦于关于特定变量 <math>S</math>的信息的原因,因为一般而言,分析结果会随所关注的变量不同而异。注意,总信息在这种意义下也是不对称的,即一般而言<math>I(S;R_{1},R_{2})\neq I(R_{1};S,R_{2})</math>
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| − | (尽管当然有 <math>I(S;R_{1},R_{2})=I(R_{1},R_{2};S)</math>)。
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| − | 当考虑四变量时,PI-图的一般结构变得清晰(图~3B)。首先,三变量时的所有可能性在四变量时依然存在:
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| − | 每个 <math>R_{i}</math> 可提供唯一信息(区域 <math>\{1\},\{2\},\{3\}</math>),
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| − | 可与另一个变量冗余提供(<math>\{1\}\{2\},\{1\}\{3\},\{2\}\{3\}</math>),
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| − | 也可与另一个变量协同提供(<math>\{12\},\{13\},\{23\}</math>)。
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| − | 此外,信息还可由所有三个变量冗余提供(<math>\{1\}\{2\}\{3\}</math>),
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| − | 或由它们的三阶协同提供(<math>\{123\}</math>)。
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| − | 更有趣的是新的冗余与协同组合项:
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| − | 例如,区域 <math>\{1\}\{23\},\{2\}\{13\},\{3\}\{12\}</math> 表示
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| − | “由一个变量单独或与另两个变量联合”冗余提供的信息;
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| − | 区域 <math>\{12\}\{13\}\{23\}</math> 则表示
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| − | “三个两两协同之间”冗余提供的信息。一般地,一个 PI-原子对应于集合中所有源之协同的冗余信息,即对应于源集合贡献信息的又一种独特方式。四变量 PI-图共含 <math>(4-1)</math>阶 Dedekind 数 \cite{comtet1974advanced} 个原子
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| − | (即 <math>\lvert\mathcal{A}(\mathbf{R})\rvert</math>,见附录~C)。
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| − | 如前所述,每个 PI-原子代表一种独特的信息贡献方式,
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| − | 对应于 <math>\mathbf{R}</math> 的分量关于 <math>S</math>的信息分布的又一种可能。
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| − | 最后,值得考虑冗余格与 <math>n </math>变量 PI-图之间的关系。首先,我们注意到 <math>I_{\min}</math> 类似于 PI-图中的集合交集,
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| − | 这与“冗余即重叠信息”的直觉一致。
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| − | 具体而言,<math>I_{\min}(S;\{\mathbf{A}_{1},\dots,\mathbf{A}_{k}\})</math> 对应于区域
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| − | <math>\bigcap_{i}I(S;\mathbf{A}_{i})</math>。
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| − | 由这一对应关系可建立以下联系:
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| − | 对 <math>\alpha,\beta\in\mathcal{A}(\mathbf{R})</math>,
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| − | <math>\alpha</math>在冗余格中低于 <math>\beta</math> 当且仅当
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| − | <math>\bigcap_{\mathbf{A}\in\alpha}I(S;\mathbf{A}) 在</math> PI-图中是<math>
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| − | \bigcap_{\mathbf{B}\in\beta}I(S;\mathbf{B}) </math>的子集。
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| − | 因此,冗余格与 PI-图可视为同一结构的互补表示:PI-图是冗余格按格序“折叠”后的版本,其中区域按格序嵌入。
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| | == 冗余信息计算方法 == | | == 冗余信息计算方法 == |