| 第135行: |
第135行: |
| | \left[\log\frac{1}{p(t)}-\log\frac{1}{p(t|s)}\right] | | \left[\log\frac{1}{p(t)}-\log\frac{1}{p(t|s)}\right] |
| | \end{equation} | | \end{equation} |
| − | 项<math>\log1/p(t)</math>称为<math>t</math>的不确定度(surprise)。因此 <math>I(T=t;S)</math>是在<math>T=t</math>条件下,对源变量取值<math>s\sim p(s|t)</math>加权平均的不确定度减少量。这是一种很自然的定义。例如对特定结果<math>t</math>发生的条件下<math>S</math>以百分之五十概率取<math>s_1</math>,以百分之五十的概率取<math>s_2</math>,显然可以用这两个取值对<math>t</math>的不确定度减少量加权平均来定义平均不确定度减少量(即<math>I(T=t;S)</math>)。总之,<math>I(T=t;S)</math> 量化 <math>S</math>关于每个特定结果 <math>t\in T</math>所提供的信息,而<math>I(T;S)</math>则是该量在所有结果上的期望。根据此,一个自然的[[冗余]]度量是每个源关于每个结果所提供信息的最小值的期望,即 | + | 项<math>\log1/p(t)</math>称为<math>t</math>的不确定度(surprise)。因此 <math>I(T=t;S)</math>是在<math>T=t</math>条件下,对源变量取值<math>s\sim p(s|t)</math>加权平均的不确定度减少量。这是一种很自然的定义。例如对特定结果<math>t</math>发生的条件下<math>S</math>以百分之五十概率取<math>s_1</math>,以百分之五十的概率取<math>s_2</math>,显然可以用这两个取值对<math>t</math>的不确定度减少量加权平均来定义平均不确定度减少量(即<math>I(T=t;S)</math>)。总之,<math>I(T=t;S)</math> 量化 <math>S</math>关于每个特定结果 <math>t\in T</math>所提供的信息,而<math>I(T;S)</math>则是该量在所有结果上的期望。根据此,一个自然的[[冗余]]度量是每个源关于每个结果所提供信息的最小值的期望,即\begin{equation} |
| − | \begin{equation} | |
| | I_{\min}(T;\{S_1,S_2,\dots ,S_n\}) | | I_{\min}(T;\{S_1,S_2,\dots ,S_n\}) |
| | =\sum_{t}p(t)\min_{S_i}I(T=t;S_i). | | =\sum_{t}p(t)\min_{S_i}I(T=t;S_i). |
| 第144行: |
第143行: |
| | 注:为什么在三种信息里面只给出冗余信息的定义见“冗余晶格”小节开头。 | | 注:为什么在三种信息里面只给出冗余信息的定义见“冗余晶格”小节开头。 |
| | | | |
| − | ===冗余信息的若干公理化性质=== | + | ===冗余信息的若干性质=== |
| − | 根据上述定义,Williams和Beer<ref name="Paul" />给出了如下关于[[冗余]]信息必须满足的底线性质: | + | 根据上述定义,Williams和Beer<ref name="Paul" /> 给出了[[冗余]]信息具有的一些重要性质: |
| | | | |
| | 1.非负性:要证明[[冗余]]信息是非负的,只需要证明<math>I(T=t;S)</math>是非负的。我们有<math>I(T=t;S)=D(p(s|t)||p(s))\ge 0 | | 1.非负性:要证明[[冗余]]信息是非负的,只需要证明<math>I(T=t;S)</math>是非负的。我们有<math>I(T=t;S)=D(p(s|t)||p(s))\ge 0 |
| 第163行: |
第162行: |
| | | | |
| | 6.对称性:冗余对信源的顺序不变,设共有n个源变量,则<math>I(T;S_1,S_2,...,S_n)=I(T;S_{\sigma(1)},S_{\sigma(2)},...,S_{\sigma(n)})</math> | | 6.对称性:冗余对信源的顺序不变,设共有n个源变量,则<math>I(T;S_1,S_2,...,S_n)=I(T;S_{\sigma(1)},S_{\sigma(2)},...,S_{\sigma(n)})</math> |
| | + | |
| | + | |
| | + | 在这些底线性质中:对称性、单调性、自冗余性是定义冗余信息所必须的遵守公理。 |
| | | | |
| | === 两源变量[[PID框架]]与部分信息原子 === | | === 两源变量[[PID框架]]与部分信息原子 === |
| 第236行: |
第238行: |
| | 由<math>X,Y</math>间的独立性可知<math>\mathrm{Red}(X,Y,→ Z) = 0</math>,通过异或逻辑的构造和<math>X,Y,Z</math>间的两两独立性可知<math>\mathrm{Syn}(X,Y \rightarrow Z) \neq 0</math>,可大致了传输信息是如何在这组变量的信息原子之间的分布情况。 | | 由<math>X,Y</math>间的独立性可知<math>\mathrm{Red}(X,Y,→ Z) = 0</math>,通过异或逻辑的构造和<math>X,Y,Z</math>间的两两独立性可知<math>\mathrm{Syn}(X,Y \rightarrow Z) \neq 0</math>,可大致了传输信息是如何在这组变量的信息原子之间的分布情况。 |
| | | | |
| | + | 本例中,当<math>X,Y,Z</math>的分布及相应的联合分布按下方表1中的方式给出时,可以相应的计算出列于表2中展示该两源随机变量系统中[[熵]]、[[条件熵]]、相应的[[条件互信息]],从而获得这组随机变量的[[总相关性]]、[[McGill交互信息]]。 |
| | | | |
| − | 本例中,当<math>X,Y,Z</math>的分布及相应的联合分布按下方表格中的方式给出时,可以相应的计算出该两源随机变量系统中[[熵]]、[[条件熵]]、相应的[[条件互信息]],从而获得这组随机变量的[[总相关性]]、[[McGill交互信息]]。
| + | {| class="wikitable" style="width:100%; border:0;" |
| − | | |
| − | {| style="width:100%; border:0;" | |
| | | style="vertical-align:top; width:50%; padding-right:8px;" | | | | style="vertical-align:top; width:50%; padding-right:8px;" | |
| | <!-- 第一个表格:变量、联合分布与独立乘积 --> | | <!-- 第一个表格:变量、联合分布与独立乘积 --> |
| 第432行: |
第433行: |
| | 此后,我们将用带括号的索引简记<math>\mathcal{A}(S)</math>的元素,例如: | | 此后,我们将用带括号的索引简记<math>\mathcal{A}(S)</math>的元素,例如: |
| | <math>\{\{S_{1},S_{2}\}\}</math>记为<math>\{12\}</math>,<math>\{\{S_{1}\},\{S_{2},S_{3}\}\}</math>记为<math>\{1\}\{23\}</math> | | <math>\{\{S_{1},S_{2}\}\}</math>记为<math>\{12\}</math>,<math>\{\{S_{1}\},\{S_{2},S_{3}\}\}</math>记为<math>\{1\}\{23\}</math> |
| − | 通过将上述思路进一步延伸,可在<math>\mathcal{A}(S)</math>的元素上定义一个偏序<math>\preccurlyeq</math>。 | + | 通过将上述思路进一步延伸,可在<math>\mathcal{A}(S)</math>的元素上定义一个偏序<math>\preccurlyeq</math>。考虑两个源集合 <math>\alpha,\beta\in\mathcal{A}(S)</math>,若对每个源 |
| − | 考虑两个源集合 <math>\alpha,\beta\in\mathcal{A}(S)</math>,若对每个源
| |
| | <math>\mathbf{B}\in\beta</math> 都存在源<math>\mathbf{A}\in\alpha</math>使得 | | <math>\mathbf{B}\in\beta</math> 都存在源<math>\mathbf{A}\in\alpha</math>使得 |
| − | <math>\mathbf{A}\subseteq\mathbf{B}</math>,则意味着 <math>\beta</math>中所有源所共享的冗余信息至少包含<math>\alpha</math>中所有源所共享的冗余信息。 | + | <math>\mathbf{A}\subseteq\mathbf{B}</math>,则意味着 <math>\beta</math>中所有源所共享的冗余信息至少包含<math>\alpha</math>中所有源所共享的冗余信息。于是,我们可定义偏序:\begin{equation} |
| − | 于是,我们可定义偏序:
| |
| − | \begin{equation} | |
| | \forall\alpha,\beta\in\mathcal{A}(S),\quad | | \forall\alpha,\beta\in\mathcal{A}(S),\quad |
| | \alpha\preccurlyeq\beta | | \alpha\preccurlyeq\beta |
| − | \;\Longleftrightarrow\; | + | \;\Longleftrightarrow\;\forall\mathbf{B}\in\beta,\; |
| − | \forall\mathbf{B}\in\beta,\; | |
| | \exists\mathbf{A}\in\alpha,\; | | \exists\mathbf{A}\in\alpha,\; |
| | \mathbf{A}\subseteq\mathbf{B}. | | \mathbf{A}\subseteq\mathbf{B}. |
| 第494行: |
第491行: |
| | (需要注意的是,与互信息或交互信息不同,[[部分信息分解]]是相对于选定目标变量的分解,因此交换源变量与目标变量一般会得到不同分解,例如,<math>S_1</math> 和 <math>S_2</math> 关于 <math>T</math> 的[[协同]]信息,通常不等于 <math>T</math> 和 <math>S_2</math> 关于 <math>S_1</math> 的[[协同]]信息。这一性质在上面的例子中也得到了体现:一旦知道了 <math>T</math> 的值,就可以唯一确定 <math>S_1</math> 和 <math>S_2</math> 的结果,因此不可能存在 <math>T</math> 和 <math>S_2</math> 联合提供关于 <math>S_1</math> 的[[协同]]信息,因为 <math>S_1</math> 的不确定性已经被 <math>T </math>完全消除了。相反,如前所述,<math>S_1</math> 和 <math>S_2</math> 却提供了关于 <math>T</math> 的[[协同]]信息。这种不对称性也解释了为什么[[部分信息分解]]始终聚焦于关于某个特定变量 <math>T</math> 的信息,因为在一般情况下,分析的结果会依赖于我们关注的是哪个变量。) | | (需要注意的是,与互信息或交互信息不同,[[部分信息分解]]是相对于选定目标变量的分解,因此交换源变量与目标变量一般会得到不同分解,例如,<math>S_1</math> 和 <math>S_2</math> 关于 <math>T</math> 的[[协同]]信息,通常不等于 <math>T</math> 和 <math>S_2</math> 关于 <math>S_1</math> 的[[协同]]信息。这一性质在上面的例子中也得到了体现:一旦知道了 <math>T</math> 的值,就可以唯一确定 <math>S_1</math> 和 <math>S_2</math> 的结果,因此不可能存在 <math>T</math> 和 <math>S_2</math> 联合提供关于 <math>S_1</math> 的[[协同]]信息,因为 <math>S_1</math> 的不确定性已经被 <math>T </math>完全消除了。相反,如前所述,<math>S_1</math> 和 <math>S_2</math> 却提供了关于 <math>T</math> 的[[协同]]信息。这种不对称性也解释了为什么[[部分信息分解]]始终聚焦于关于某个特定变量 <math>T</math> 的信息,因为在一般情况下,分析的结果会依赖于我们关注的是哪个变量。) |
| | | | |
| − | == 冗余信息计算方法 == | + | == 冗余信息不同定义方法 == |
| − | 以下是一些有代表性的定量方法:
| + | 以下是一些有代表性的定义方法:冗余信息的第一个定义即原论文给出的定义(见冗余信息定义小节)。 |
| − | 首先,第一个定义即原论文给出的定义(见冗余信息定义小节)。
| |
| | ===Griffith 基于共同随机变量的交集信息=== | | ===Griffith 基于共同随机变量的交集信息=== |
| | Griffith 等基于 Gács–Körner common random variable 提出交集信息<ref name="Griffith_intersection_CR">{{cite journal|author1=Griffith V.|author2=Chong E. K.|author3=James R. G.|author4=Ellison C. J.|author5=Crutchfield J. P.|title=Intersection information based on common randomness|journal=Entropy|year=2014|volume=16|issue=4|pages=1985–2000|url=https://doi.org/10.3390/e16041985}}</ref>,原论文构建[[冗余晶格]]的方式如下:给定随机变量 <math>X</math>和 <math>Y</math>,记 <math>X\preceq Y</math> 表示存在可测函数 <math>f</math> 使得 <math>X=f(Y)</math> 几乎必然成立。此时称 <math>X</math>在信息上“贫于”<math>Y</math>(informationally poorer),据此可以引入偏序关系。给定随机变量 <math>X,Y</math>,定义其 join(连接)<math>X\vee Y</math>为信息上最“贫”的随机变量,使得<math>X\preceq X\vee Y</math> 且 <math>Y\preceq X\vee Y</math>;类似地,定义 meet(相遇)<math>X\wedge Y</math> 为信息上最“富”的随机变量,使得<math>X\wedge Y\preceq X</math> 且 <math>X\wedge Y\preceq Y</math>。称 <math>X\wedge Y</math> 为 <math>X</math>与 <math>Y </math>的共同随机变量。 | | Griffith 等基于 Gács–Körner common random variable 提出交集信息<ref name="Griffith_intersection_CR">{{cite journal|author1=Griffith V.|author2=Chong E. K.|author3=James R. G.|author4=Ellison C. J.|author5=Crutchfield J. P.|title=Intersection information based on common randomness|journal=Entropy|year=2014|volume=16|issue=4|pages=1985–2000|url=https://doi.org/10.3390/e16041985}}</ref>,原论文构建[[冗余晶格]]的方式如下:给定随机变量 <math>X</math>和 <math>Y</math>,记 <math>X\preceq Y</math> 表示存在可测函数 <math>f</math> 使得 <math>X=f(Y)</math> 几乎必然成立。此时称 <math>X</math>在信息上“贫于”<math>Y</math>(informationally poorer),据此可以引入偏序关系。给定随机变量 <math>X,Y</math>,定义其 join(连接)<math>X\vee Y</math>为信息上最“贫”的随机变量,使得<math>X\preceq X\vee Y</math> 且 <math>Y\preceq X\vee Y</math>;类似地,定义 meet(相遇)<math>X\wedge Y</math> 为信息上最“富”的随机变量,使得<math>X\wedge Y\preceq X</math> 且 <math>X\wedge Y\preceq Y</math>。称 <math>X\wedge Y</math> 为 <math>X</math>与 <math>Y </math>的共同随机变量。 |
| 第699行: |
第695行: |
| | ==== <math>\widetilde{G}</math>[[-PID]] ==== | | ==== <math>\widetilde{G}</math>[[-PID]] ==== |
| | PVenkatesh、Bennett 等人在 2023 年提出 <math>\widetilde{G}</math>-PID,用于高效计算和估计[[联合高斯随机向量]]上的 <math>\widetilde{\mathrm{PID}}</math>,即常称的 ~PID/[[BROJA-PID]]。<ref>[https://proceedings.neurips.cc/paper_files/paper/2023/file/ec0bff8bf4b11e36f874790046dfdb65-Paper-Conference.pdf Venkatesh, P. et al. (2023). “Gaussian Partial Information Decomposition: Bias Correction and Application to High-dimensional Data.” ''NeurIPS 2023''.]</ref> | | PVenkatesh、Bennett 等人在 2023 年提出 <math>\widetilde{G}</math>-PID,用于高效计算和估计[[联合高斯随机向量]]上的 <math>\widetilde{\mathrm{PID}}</math>,即常称的 ~PID/[[BROJA-PID]]。<ref>[https://proceedings.neurips.cc/paper_files/paper/2023/file/ec0bff8bf4b11e36f874790046dfdb65-Paper-Conference.pdf Venkatesh, P. et al. (2023). “Gaussian Partial Information Decomposition: Bias Correction and Application to High-dimensional Data.” ''NeurIPS 2023''.]</ref> |
| | + | |
| | | | |
| | | | |
| 第708行: |
第705行: |
| | \min_{Q\in\Delta^{G}_{P}}I_{Q}(M;X\mid Y), | | \min_{Q\in\Delta^{G}_{P}}I_{Q}(M;X\mid Y), |
| | </math> | | </math> |
| | + | |
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| | | | |
| | 其中,<math>\Delta^{G}_{P}</math> 表示满足给定[[边缘约束]]的联合高斯分布集合。 | | 其中,<math>\Delta^{G}_{P}</math> 表示满足给定[[边缘约束]]的联合高斯分布集合。 |
| | 在这一限制下,候选分布由[[协方差矩阵]]参数化;在给定边缘约束后,待优化参数的数量可由随维度指数增长降至二次增长,这里的“二次”指优化变量数量的增长阶,这大大降低了进行PID的[[计算复杂度]]。 | | 在这一限制下,候选分布由[[协方差矩阵]]参数化;在给定边缘约束后,待优化参数的数量可由随维度指数增长降至二次增长,这里的“二次”指优化变量数量的增长阶,这大大降低了进行PID的[[计算复杂度]]。 |
| | + | |
| | | | |
| | | | |
| 第717行: |
第716行: |
| | | | |
| | 这意味着,如果一个多变量的系统可被分解成多个独立的部分,分别计算这些独立部分的 <math>\widetilde{G}</math>-PID信息原子,再加总即可得到整体的 <math>\widetilde{G}</math>-PID信息原子,这一性质亦降低了对大规模系统进行PID分析的难度。 | | 这意味着,如果一个多变量的系统可被分解成多个独立的部分,分别计算这些独立部分的 <math>\widetilde{G}</math>-PID信息原子,再加总即可得到整体的 <math>\widetilde{G}</math>-PID信息原子,这一性质亦降低了对大规模系统进行PID分析的难度。 |
| | + | |
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| | | | |
| | Praveen Venkatesh, Corbett Bennett在三种高斯直觉性示例(纯[[特有]]、纯[[冗余]]、纯[[协同]])和三种非直觉性示例([[特有]]和[[冗余]]、[[特有]]和[[协同]]、[[冗余]]和[[协同]]等非直觉性)中测试了~[[G-PID]]的有效性,并在真实的神经科学数据集上测试了~G-PID也能在非高斯尖峰神经数据上提供合理结果。 | | Praveen Venkatesh, Corbett Bennett在三种高斯直觉性示例(纯[[特有]]、纯[[冗余]]、纯[[协同]])和三种非直觉性示例([[特有]]和[[冗余]]、[[特有]]和[[协同]]、[[冗余]]和[[协同]]等非直觉性)中测试了~[[G-PID]]的有效性,并在真实的神经科学数据集上测试了~G-PID也能在非高斯尖峰神经数据上提供合理结果。 |
| − |
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| | | | |
| | 几位研究者的工作在理论上证明了,对~PID/BROJA-PID的优化搜索空间添加高斯限制后得到的<math>\widetilde{G}</math>-PID原子,是相应的~PID/BROJA-PID特有信息原子的上界以及冗余、[[协同信息原子]]的下界,并且他们通过数值测试说明,对非高斯型随机变量系统使用~PID方法时,限制计算时搜索空间为高斯分布也是一个可以提高计算效率,得到较为可靠结果的策略。 | | 几位研究者的工作在理论上证明了,对~PID/BROJA-PID的优化搜索空间添加高斯限制后得到的<math>\widetilde{G}</math>-PID原子,是相应的~PID/BROJA-PID特有信息原子的上界以及冗余、[[协同信息原子]]的下界,并且他们通过数值测试说明,对非高斯型随机变量系统使用~PID方法时,限制计算时搜索空间为高斯分布也是一个可以提高计算效率,得到较为可靠结果的策略。 |