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=== 基于信息分解的因果涌现理论 ===
 
=== 基于信息分解的因果涌现理论 ===
 
此外,2020 年,Rosas 等<ref name=":5" />从[[信息论|信息理论]]视角出发,提出一种基于[[信息分解]]的方法来定义系统中的因果涌现,基于[[协同信息]]或者[[冗余信息]]来定量的刻画涌现。所谓的[[信息分解]]是分析[[复杂系统]]中各个变量复杂相互关系的一种新方法,通过对信息进行分解,用信息原子来表示每个部分信息,同时借助[[信息晶格图]]将每个部分信息投射到[[信息原子]]中,其中协同信息以及冗余信息都可以用对应的信息原子来表示。该方法建立在 Williams 和 Beer 等<ref name=":16">Williams P L, Beer R D. Nonnegative decomposition of multivariate information[J]. arXiv preprint arXiv:10042515, 2010.</ref>提出的[[多元信息非负分解]]理论的基础之上,文中使用[[部分信息分解]](PID)将微观态和宏观态的互信息进行分解。然而,PID 框架只能分解关于多个源变量和一个目标变量之间的互信息,Rosas 扩展了该框架,提出整合信息分解方法 <math>\Phi ID </math><ref name=":18">P. A. Mediano, F. Rosas, R. L. Carhart-Harris, A. K. Seth, A. B. Barrett, Beyond integrated information: A taxonomy of information dynamics phenomena, arXiv preprint arXiv:1909.02297 (2019).</ref>来处理多个源变量和多个目标变量之间的互信息,作者基于分解后的信息提出了两种因果涌现的定义方法。
 
此外,2020 年,Rosas 等<ref name=":5" />从[[信息论|信息理论]]视角出发,提出一种基于[[信息分解]]的方法来定义系统中的因果涌现,基于[[协同信息]]或者[[冗余信息]]来定量的刻画涌现。所谓的[[信息分解]]是分析[[复杂系统]]中各个变量复杂相互关系的一种新方法,通过对信息进行分解,用信息原子来表示每个部分信息,同时借助[[信息晶格图]]将每个部分信息投射到[[信息原子]]中,其中协同信息以及冗余信息都可以用对应的信息原子来表示。该方法建立在 Williams 和 Beer 等<ref name=":16">Williams P L, Beer R D. Nonnegative decomposition of multivariate information[J]. arXiv preprint arXiv:10042515, 2010.</ref>提出的[[多元信息非负分解]]理论的基础之上,文中使用[[部分信息分解]](PID)将微观态和宏观态的互信息进行分解。然而,PID 框架只能分解关于多个源变量和一个目标变量之间的互信息,Rosas 扩展了该框架,提出整合信息分解方法 <math>\Phi ID </math><ref name=":18">P. A. Mediano, F. Rosas, R. L. Carhart-Harris, A. K. Seth, A. B. Barrett, Beyond integrated information: A taxonomy of information dynamics phenomena, arXiv preprint arXiv:1909.02297 (2019).</ref>来处理多个源变量和多个目标变量之间的互信息,作者基于分解后的信息提出了两种因果涌现的定义方法。
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== 相关概念 ==
 
== 相关概念 ==
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=== 部分信息分解 ===
 
=== 部分信息分解 ===
 
在信息熵与互信息的基础上,部分信息分解(Partial Information Decomposition)是信息论的进一步扩展,旨在将信息论所关注的成对关系拓展到多个变量间的复杂相互作用。
 
在信息熵与互信息的基础上,部分信息分解(Partial Information Decomposition)是信息论的进一步扩展,旨在将信息论所关注的成对关系拓展到多个变量间的复杂相互作用。
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在两变量场景下,信息论可以通过相互信息 <math>I(X_1;Y)</math> 量化单个源变量 <math>X_1</math> 对目标变量 <math>Y</math> 的信息量。如果我们考虑加入第三个变量 <math>X_2</math>并探讨其中某一变量与另两个变量的关系时,经典信息论则只能描述联合变量 <math>\{X_1,X_2\></math> 与 <math>Y</math> 的相互信息,由 <math>I(X_1,X_2;Y)</math> 给出,而无法深入探究 <math>X_1</math> 和 <math>X_2</math> 及其相互作用与 <math>Y</math> 间存在何种关系。
 
在两变量场景下,信息论可以通过相互信息 <math>I(X_1;Y)</math> 量化单个源变量 <math>X_1</math> 对目标变量 <math>Y</math> 的信息量。如果我们考虑加入第三个变量 <math>X_2</math>并探讨其中某一变量与另两个变量的关系时,经典信息论则只能描述联合变量 <math>\{X_1,X_2\></math> 与 <math>Y</math> 的相互信息,由 <math>I(X_1,X_2;Y)</math> 给出,而无法深入探究 <math>X_1</math> 和 <math>X_2</math> 及其相互作用与 <math>Y</math> 间存在何种关系。
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这种传统测度局限性的一个体现就是变量间的协同效应:假设我们有两个独立的布尔变量作为源变量 <math>X_1, X_2 \in \{0,1\></math> 和一个通过对源变量进行抑或操作所得到的目标变量 <math>Y=XOR(X_1,X_2)</math>。在这种情况下,总互信息 <math>I(X_1,X_2;Y)=1</math>,而个体互信息 <math>I(X_1;Y)=I(X_2;Y)=0</math>。也就是说,<math>X_1,X_2</math> 关于 <math>Y</math> 的相互作用产生了协同信息,而这无法用经典信息论中的互信息或是信息熵量轻易捕捉到。
 
这种传统测度局限性的一个体现就是变量间的协同效应:假设我们有两个独立的布尔变量作为源变量 <math>X_1, X_2 \in \{0,1\></math> 和一个通过对源变量进行抑或操作所得到的目标变量 <math>Y=XOR(X_1,X_2)</math>。在这种情况下,总互信息 <math>I(X_1,X_2;Y)=1</math>,而个体互信息 <math>I(X_1;Y)=I(X_2;Y)=0</math>。也就是说,<math>X_1,X_2</math> 关于 <math>Y</math> 的相互作用产生了协同信息,而这无法用经典信息论中的互信息或是信息熵量轻易捕捉到。
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*<math>\text{Syn}(X_1,X_2;Y)</math> 表示[[协同信息]],是指所有微观态 <math>X_1</math> 和 <math>X_2</math> 联合在一起给宏观态 <math>Y</math> 提供的信息。
 
*<math>\text{Syn}(X_1,X_2;Y)</math> 表示[[协同信息]],是指所有微观态 <math>X_1</math> 和 <math>X_2</math> 联合在一起给宏观态 <math>Y</math> 提供的信息。
 
*<math>\text{Red}(X_1,X_2;Y)</math> 表示[[冗余信息]],是指两个微观态<math>X^1 </math>和<math>X^2 </math>重复地给宏观态 <math>Y</math> 的“冗余”信息。
 
*<math>\text{Red}(X_1,X_2;Y)</math> 表示[[冗余信息]],是指两个微观态<math>X^1 </math>和<math>X^2 </math>重复地给宏观态 <math>Y</math> 的“冗余”信息。
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其中 <math>\text{Red}(X_1,X_2;Y) + \text{Unq}(X_1;Y \setminus X_2) = I(X_1;Y)</math> , <math>\text{Red}(X_1,X_2;Y) + \text{Unq}(X_2;Y \setminus X_2) = I(X_2;Y)</math>。
 
其中 <math>\text{Red}(X_1,X_2;Y) + \text{Unq}(X_1;Y \setminus X_2) = I(X_1;Y)</math> , <math>\text{Red}(X_1,X_2;Y) + \text{Unq}(X_2;Y \setminus X_2) = I(X_2;Y)</math>。
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信息分解除了能够被韦恩图所直观的呈现,更常被表示为晶格图的形式以在更多变量的情况下维持简洁的结构。晶格图(lattice)是抽象代数中研究的一种抽象结构,它由一个偏序集组成。信息分解所得到的信息原子也可以被描述为一组冗余晶格。该晶格图包含了由源变量集合的所有非空子集所组合构成的所有(无重复变量的)集合,每一个这种集合对应了一个节点。以两变量 <math>\{X_1,X_2\}</math> 为例,集合 <math> \{1,2\} </math>的所有非空子集包含 <math> \{1,2\} \quad \{2\} </math>和 <math> \{1\} </math>,因此所能构成的无重复变量的集合包括 <math>\{\{1,2\}\}</math> <math>\{\{2\}\}</math> <math>\{\{1\}\}</math> 和 <math>\{\{1\}\{2\}\}</math>。如下图所示,这些反链(anti-chain)与上图的信息原子一一对应,既<math>\{\{1,2\}\}</math> 对应协同信息,<math>\{\{2\}\}</math> 和 <math>\{\{1\}\}</math> 对应特有信息,<math>\{\{1\}\{2\}\}</math>对应冗余信息。
 
信息分解除了能够被韦恩图所直观的呈现,更常被表示为晶格图的形式以在更多变量的情况下维持简洁的结构。晶格图(lattice)是抽象代数中研究的一种抽象结构,它由一个偏序集组成。信息分解所得到的信息原子也可以被描述为一组冗余晶格。该晶格图包含了由源变量集合的所有非空子集所组合构成的所有(无重复变量的)集合,每一个这种集合对应了一个节点。以两变量 <math>\{X_1,X_2\}</math> 为例,集合 <math> \{1,2\} </math>的所有非空子集包含 <math> \{1,2\} \quad \{2\} </math>和 <math> \{1\} </math>,因此所能构成的无重复变量的集合包括 <math>\{\{1,2\}\}</math> <math>\{\{2\}\}</math> <math>\{\{1\}\}</math> 和 <math>\{\{1\}\{2\}\}</math>。如下图所示,这些反链(anti-chain)与上图的信息原子一一对应,既<math>\{\{1,2\}\}</math> 对应协同信息,<math>\{\{2\}\}</math> 和 <math>\{\{1\}\}</math> 对应特有信息,<math>\{\{1\}\{2\}\}</math>对应冗余信息。
    
[[文件:Lattice_of_2.png|替代=|无框]]
 
[[文件:Lattice_of_2.png|替代=|无框]]
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=== 整合信息分解 ===
 
=== 整合信息分解 ===
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2)反之,将第二组的变量视为源变量,第一组的联合变量视作目标变量进行部分信息分解。
 
2)反之,将第二组的变量视为源变量,第一组的联合变量视作目标变量进行部分信息分解。
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由于两次分解都是针对相同的两组变量间的互信息,因此我们得到了对该互信息的两种划分方式,通过对这两种划分方式进行组合,我们便得到了更加细粒度的信息分解框架。该框架对部分信息分解框架中目标变量的数量进行了进一步的拓展,使得我们能够分析源变量等于目标变量的场景。而其中最重要的应用场景之一就是马尔科夫系统的上下时刻间子系统间的关系,这也奠定了整合信息分解框架作为因果涌现框架的理论基础。
 
由于两次分解都是针对相同的两组变量间的互信息,因此我们得到了对该互信息的两种划分方式,通过对这两种划分方式进行组合,我们便得到了更加细粒度的信息分解框架。该框架对部分信息分解框架中目标变量的数量进行了进一步的拓展,使得我们能够分析源变量等于目标变量的场景。而其中最重要的应用场景之一就是马尔科夫系统的上下时刻间子系统间的关系,这也奠定了整合信息分解框架作为因果涌现框架的理论基础。
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以两变量系统 <math>\{X_1,X_2\}</math> 为例,下图a中是前后向视角下分别对系统上下时刻互信息的分解结果,通过对这两种视角进行结合便得到了下图b中的16个信息原子。其中,左图中的彩色连边对应了右图中的彩色格点,例如左侧最上方{12}到{12}的绿色线条对应右图中最上方{12}->{12}格点。
 
以两变量系统 <math>\{X_1,X_2\}</math> 为例,下图a中是前后向视角下分别对系统上下时刻互信息的分解结果,通过对这两种视角进行结合便得到了下图b中的16个信息原子。其中,左图中的彩色连边对应了右图中的彩色格点,例如左侧最上方{12}到{12}的绿色线条对应右图中最上方{12}->{12}格点。
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由于整合信息分解框架是对信息分解框架的进一步划分,因此在整合信息原子计算时需要引入新的整合信息计算方法,该方法相比于已有的信息分解方法额外新增了一个自由度,既需要在原有信息分解方法的基础上定义一个新的(比如冗余到冗余原子)的计算方法。具体的计算方法,如部分信息分解框架一样,也有很多广泛的讨论,但目前仍没有一个被普遍接受的方法。(可进一步补充)
 
由于整合信息分解框架是对信息分解框架的进一步划分,因此在整合信息原子计算时需要引入新的整合信息计算方法,该方法相比于已有的信息分解方法额外新增了一个自由度,既需要在原有信息分解方法的基础上定义一个新的(比如冗余到冗余原子)的计算方法。具体的计算方法,如部分信息分解框架一样,也有很多广泛的讨论,但目前仍没有一个被普遍接受的方法。(可进一步补充)
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== 基本概念 ==
 
== 基本概念 ==
 
Rosas等<ref name=":5">Rosas F E, Mediano P A, Jensen H J, et al. Reconciling emergences: An information-theoretic approach to identify causal emergence in multivariate data[J]. PLoS computational biology, 2020, 16(12): e1008289.</ref> 从信息分解理论的视角出发,提出了一套基于信息原子定义因果涌现的方法。该方法可被分为两个部分:首先是关于系统是否产生因果涌现的定义,包括指定宏观态特征与不指定宏观态特征的两种场景。以及在此基础上,基于整合信息分解(PhiID)的因果涌现类型划分:即因果解耦(Causal Decoupling)和向下因果(Downward Causation)。以下分别是因果涌现定义,因果涌现分类概框架以及基于部分信息分解和整合信息分解的即因果解耦和向下因果具体定义。
 
Rosas等<ref name=":5">Rosas F E, Mediano P A, Jensen H J, et al. Reconciling emergences: An information-theoretic approach to identify causal emergence in multivariate data[J]. PLoS computational biology, 2020, 16(12): e1008289.</ref> 从信息分解理论的视角出发,提出了一套基于信息原子定义因果涌现的方法。该方法可被分为两个部分:首先是关于系统是否产生因果涌现的定义,包括指定宏观态特征与不指定宏观态特征的两种场景。以及在此基础上,基于整合信息分解(PhiID)的因果涌现类型划分:即因果解耦(Causal Decoupling)和向下因果(Downward Causation)。以下分别是因果涌现定义,因果涌现分类概框架以及基于部分信息分解和整合信息分解的即因果解耦和向下因果具体定义。
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=== 因果涌现定义 ===
 
=== 因果涌现定义 ===
 
在研究因果涌现(Causal Emergence)的框架下,我们考虑一个多变量动力系统,其中系统的状态随时间演化,并可以从微观层级(microscopic level)和宏观层级(macroscopic level)进行观察和建模。基于部分信息分解(PID)框架,作者提出了系统在指定宏观变量和未指定宏观变量情况下分别定义因果涌现的方法:
 
在研究因果涌现(Causal Emergence)的框架下,我们考虑一个多变量动力系统,其中系统的状态随时间演化,并可以从微观层级(microscopic level)和宏观层级(macroscopic level)进行观察和建模。基于部分信息分解(PID)框架,作者提出了系统在指定宏观变量和未指定宏观变量情况下分别定义因果涌现的方法:
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==== 特定宏观特征的因果涌现 ====  
 
==== 特定宏观特征的因果涌现 ====  
 
在指定系统的宏观随附特征 <math>V_t</math> 时,当特有信息满足 <math>Un^{(k)}(V_t;X_{t+1}| X_t)>0</math>,即当前时刻的宏观态 <math>V_t</math> 能超过当前时刻的微观态 <math>X_t</math> 给下一时刻的整体系统 <math>X_{t+1}</math> 提供更多信息,则系统存在因果涌现。此处的 <math>k</math>表示排除掉系统内每<math>k</math>个变量所构成的变量组内部所产生的该效应(类似于在微观和宏观间加入针对所有大小为<math>k</math>的子集的粗粝化中间层,然后仅关注从该中间层出发到宏观层间的效应)。为了便于理解,在本词条的后续介绍中默认<math>k=1</math>并不再标注,既不存在中间层的情况。
 
在指定系统的宏观随附特征 <math>V_t</math> 时,当特有信息满足 <math>Un^{(k)}(V_t;X_{t+1}| X_t)>0</math>,即当前时刻的宏观态 <math>V_t</math> 能超过当前时刻的微观态 <math>X_t</math> 给下一时刻的整体系统 <math>X_{t+1}</math> 提供更多信息,则系统存在因果涌现。此处的 <math>k</math>表示排除掉系统内每<math>k</math>个变量所构成的变量组内部所产生的该效应(类似于在微观和宏观间加入针对所有大小为<math>k</math>的子集的粗粝化中间层,然后仅关注从该中间层出发到宏观层间的效应)。为了便于理解,在本词条的后续介绍中默认<math>k=1</math>并不再标注,既不存在中间层的情况。
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基于以上的定义,Rosas 等人进一步提出了引理以支撑因果涌现的定义。
 
基于以上的定义,Rosas 等人进一步提出了引理以支撑因果涌现的定义。
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引理 1(因果涌现的必要条件)
 
引理 1(因果涌现的必要条件)
 
如果系统在时间 <math>t</math> 具有因果涌现特性,则必定满足:
 
如果系统在时间 <math>t</math> 具有因果涌现特性,则必定满足:
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1. 系统的微观变量至少大于等于2。这表明因果涌现的存在要求当前时刻的系统状态必须具有协同信息贡献(至少要来源于两个或以上变量),否则宏观态不会比微观态提供更多的预测信息。
 
1. 系统的微观变量至少大于等于2。这表明因果涌现的存在要求当前时刻的系统状态必须具有协同信息贡献(至少要来源于两个或以上变量),否则宏观态不会比微观态提供更多的预测信息。
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2. 宏观变量不是任何一个微观变量的确定性函数。这与第一点类似,既 <math>V_t</math> 能够以高于单一微观态的方式(协同方式)预测系统的未来状态。
 
2. 宏观变量不是任何一个微观变量的确定性函数。这与第一点类似,既 <math>V_t</math> 能够以高于单一微观态的方式(协同方式)预测系统的未来状态。
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'''编者注:''' 此处作者的数学表述有歧义,因果涌现指标想要表示的是不能够被任何单一的微观变量<math>X_t^j</math>所提供的信息,但是能够被他们之间的协同效应(的代表<math>V_t</math> )所提供的关于下一时刻系统 <math>X_{t+1}</math> 的信息。因此将因果涌现指标写成 <math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t)>0</math>并不妥当,因为通常来说系统的宏观特征应当是系统所有微观态的一个确定性函数,既<math>H(V_t| X_t)=0</math>(比如知道了系统内的所有分子的状态,那么系统的宏观状态应当是明确的)。这个问题会导致该指标永远等于0,并不能实现作者所希望的效果。作为对这个问题的修正,我们提议将该指标写作<math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t^1,...,X_t^n )>0</math>,该表示方式代表不能够被任何单一的微观变量<math>X_t^j</math>所提供的信息,但是能够被<math>V_t</math>所提供的关于下一时刻系统 <math>X_{t+1}</math> 的信息。但是需要注意的是,尽管这种表示方式能够严谨的表达因果涌现的定义,但是无法套用PID算法对该指标进行计算。如果想要计算修正后的该指标,需要引入有粗砺化函数的PhiID框架,但该部分理论内容目前尚未被完善。
 
'''编者注:''' 此处作者的数学表述有歧义,因果涌现指标想要表示的是不能够被任何单一的微观变量<math>X_t^j</math>所提供的信息,但是能够被他们之间的协同效应(的代表<math>V_t</math> )所提供的关于下一时刻系统 <math>X_{t+1}</math> 的信息。因此将因果涌现指标写成 <math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t)>0</math>并不妥当,因为通常来说系统的宏观特征应当是系统所有微观态的一个确定性函数,既<math>H(V_t| X_t)=0</math>(比如知道了系统内的所有分子的状态,那么系统的宏观状态应当是明确的)。这个问题会导致该指标永远等于0,并不能实现作者所希望的效果。作为对这个问题的修正,我们提议将该指标写作<math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t^1,...,X_t^n )>0</math>,该表示方式代表不能够被任何单一的微观变量<math>X_t^j</math>所提供的信息,但是能够被<math>V_t</math>所提供的关于下一时刻系统 <math>X_{t+1}</math> 的信息。但是需要注意的是,尽管这种表示方式能够严谨的表达因果涌现的定义,但是无法套用PID算法对该指标进行计算。如果想要计算修正后的该指标,需要引入有粗砺化函数的PhiID框架,但该部分理论内容目前尚未被完善。
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==== 系统的因果涌现能力 ====  
 
==== 系统的因果涌现能力 ====  
 
在未指定系统的宏观随附特征时,基于系统当前时刻的微观态 <math>X_t</math> 和下一时刻的微观态 <math>X_{t+1}</math> 之间的协同信息 <math>Syn^{(k)}(X_t^1,...,X_t^n;X_{t+1})>0</math>,若该协同信息大于零,则先前时刻与后续时刻变量之间存在不可约的协同效应(irreducible synergy),即系统发生因果涌现。此处默认<math>k=1</math>时的定义代表系统内所有子集所产生协同效应的总和,而非仅包括了所有变量的协同效应,后者只是前者的一部分。
 
在未指定系统的宏观随附特征时,基于系统当前时刻的微观态 <math>X_t</math> 和下一时刻的微观态 <math>X_{t+1}</math> 之间的协同信息 <math>Syn^{(k)}(X_t^1,...,X_t^n;X_{t+1})>0</math>,若该协同信息大于零,则先前时刻与后续时刻变量之间存在不可约的协同效应(irreducible synergy),即系统发生因果涌现。此处默认<math>k=1</math>时的定义代表系统内所有子集所产生协同效应的总和,而非仅包括了所有变量的协同效应,后者只是前者的一部分。
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值得注意的是,方法一判断因果涌现的发生需要依赖宏观态 <math>V_t</math> 的选择,而方法二是方法一的下界。这是因为:
 
值得注意的是,方法一判断因果涌现的发生需要依赖宏观态 <math>V_t</math> 的选择,而方法二是方法一的下界。这是因为:
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</math>
 
</math>
 
若 <math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t)</math> 大于 0,则系统必然会出现因果涌现。然而,<math>V_t</math> 的选择往往需要预先定义粗粒化函数,因此方法一无法回避 [[Erik Hoel因果涌现理论]] 的局限。而方法二借助协同信息来判断因果涌现的发生,但协同信息的计算复杂,存在组合爆炸问题,往往不可行。
 
若 <math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t)</math> 大于 0,则系统必然会出现因果涌现。然而,<math>V_t</math> 的选择往往需要预先定义粗粒化函数,因此方法一无法回避 [[Erik Hoel因果涌现理论]] 的局限。而方法二借助协同信息来判断因果涌现的发生,但协同信息的计算复杂,存在组合爆炸问题,往往不可行。
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=== 因果涌现分类框架 ===
 
=== 因果涌现分类框架 ===
第98行: 第115行:  
</math>   
 
</math>   
 
这里,<math>X_t^i</math> 代表该系统在时间 <math>t</math> 时刻的第 <math>i</math> 个微观变量,整个状态空间可以视为一个高维随机变量,描述系统在该时刻的完整状态。
 
这里,<math>X_t^i</math> 代表该系统在时间 <math>t</math> 时刻的第 <math>i</math> 个微观变量,整个状态空间可以视为一个高维随机变量,描述系统在该时刻的完整状态。
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为了研究系统在更高层级的行为,我们引入宏观状态(macroscopic state) <math>V_t</math>,其由微观态 <math>X_t</math> 通过某种粗粒化(coarse-graining)策略得到,即:   
 
为了研究系统在更高层级的行为,我们引入宏观状态(macroscopic state) <math>V_t</math>,其由微观态 <math>X_t</math> 通过某种粗粒化(coarse-graining)策略得到,即:   
第104行: 第122行:  
</math>   
 
</math>   
 
其中,函数 <math>f(\cdot)</math> 代表某种确定性的映射,将高维的微观状态映射到较低维的宏观表征。因此,宏观状态 <math>V_t</math> 是 <math>X_t</math> 的随附特征(supervenience),意味着 <math>V_t</math> 的值完全依赖于 <math>X_t</math>,但不同的粗粒化方法可能导致不同的宏观表征。
 
其中,函数 <math>f(\cdot)</math> 代表某种确定性的映射,将高维的微观状态映射到较低维的宏观表征。因此,宏观状态 <math>V_t</math> 是 <math>X_t</math> 的随附特征(supervenience),意味着 <math>V_t</math> 的值完全依赖于 <math>X_t</math>,但不同的粗粒化方法可能导致不同的宏观表征。
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在系统的时间演化过程中,微观状态 <math>X_t</math> 影响下一时刻的微观状态 <math>X_{t+1}</math>,即:   
 
在系统的时间演化过程中,微观状态 <math>X_t</math> 影响下一时刻的微观状态 <math>X_{t+1}</math>,即:   
第118行: 第137行:  
</math>   
 
</math>   
 
以描述从微观到宏观的信息传递关系。
 
以描述从微观到宏观的信息传递关系。
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[[文件:向下因果与因果解耦2.png|链接=https://wiki.swarma.org/index.php/%E6%96%87%E4%BB%B6:%E5%90%91%E4%B8%8B%E5%9B%A0%E6%9E%9C%E4%B8%8E%E5%9B%A0%E6%9E%9C%E8%A7%A3%E8%80%A62.png|替代=|无框|300x300像素]]
 
[[文件:向下因果与因果解耦2.png|链接=https://wiki.swarma.org/index.php/%E6%96%87%E4%BB%B6:%E5%90%91%E4%B8%8B%E5%9B%A0%E6%9E%9C%E4%B8%8E%E5%9B%A0%E6%9E%9C%E8%A7%A3%E8%80%A62.png|替代=|无框|300x300像素]]
第123行: 第143行:     
如上图所示,因果涌现(Causal Emergence) 指的是在某些系统中,宏观变量相比于微观变量表现出更清晰或更强的因果关系(从当前时刻的宏观态到下一时刻的系统,包含红绿两部分)。换句话说,系统的因果结构 在某种粗粒化的表征下可能变得更具信息性,而不是简单地由微观层级直接推导出来。在这样的设定下,框架具体关注因果涌现的两种主要表现形式:
 
如上图所示,因果涌现(Causal Emergence) 指的是在某些系统中,宏观变量相比于微观变量表现出更清晰或更强的因果关系(从当前时刻的宏观态到下一时刻的系统,包含红绿两部分)。换句话说,系统的因果结构 在某种粗粒化的表征下可能变得更具信息性,而不是简单地由微观层级直接推导出来。在这样的设定下,框架具体关注因果涌现的两种主要表现形式:
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1. 向下因果性(Downward Causation):宏观态 <math>V_t</math> 影响下一时刻微观态 <math>X_{t+1}</math>的部分变量,即宏观变量能够提供超过所有仅单独考虑系统每个微观变量的效果的总和,这意味着宏观信息能够提供额外的预测能力,而不仅仅是所有微观状态直接演化的线性组合。
 
1. 向下因果性(Downward Causation):宏观态 <math>V_t</math> 影响下一时刻微观态 <math>X_{t+1}</math>的部分变量,即宏观变量能够提供超过所有仅单独考虑系统每个微观变量的效果的总和,这意味着宏观信息能够提供额外的预测能力,而不仅仅是所有微观状态直接演化的线性组合。
    
2. 因果解耦(Causal Decoupling):某些宏观态 <math>V_t</math> 对于预测下一时刻宏观态 <math>V_{t+1}</math> 具有比所有仅单独考虑系统每个微观变量的效果的总和更强的能力:这表明系统的演化在宏观层级上可能表现出新的、在微观尺度上不明显的因果模式。
 
2. 因果解耦(Causal Decoupling):某些宏观态 <math>V_t</math> 对于预测下一时刻宏观态 <math>V_{t+1}</math> 具有比所有仅单独考虑系统每个微观变量的效果的总和更强的能力:这表明系统的演化在宏观层级上可能表现出新的、在微观尺度上不明显的因果模式。
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以下案例能够很直观的说明以上两种因果涌现的形式:
 
以下案例能够很直观的说明以上两种因果涌现的形式:
第140行: 第162行:     
该例子是一个特殊的马尔科夫过程,这里,<math>p_{X_{t+1}|X_t}(x_{t+1}|x_t)</math>表示动力学关系,<math>X_t=(x_t^1,…,x_t^n )\in \left\{0,1\right\}^n </math>为微观态。所有微观变量的抑或<math>\bigoplus_{j=1}^{n} x_t^j</math>为宏观态。该过程是基于前后两个时刻的变量<math>x_t</math>和<math>x_{t+1}</math>取值间关系的概率定义的。
 
该例子是一个特殊的马尔科夫过程,这里,<math>p_{X_{t+1}|X_t}(x_{t+1}|x_t)</math>表示动力学关系,<math>X_t=(x_t^1,…,x_t^n )\in \left\{0,1\right\}^n </math>为微观态。所有微观变量的抑或<math>\bigoplus_{j=1}^{n} x_t^j</math>为宏观态。该过程是基于前后两个时刻的变量<math>x_t</math>和<math>x_{t+1}</math>取值间关系的概率定义的。
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定义的第一行表示下一时刻的第一个微观变量取值是由上一时刻宏观态(全部微观变量的抑或操作)决定的,这种需要上一时刻所有变量共同参与才能够进行的预测(运算)对应着向下因果。第二行和第三行确定了系统上下时刻宏观态之间的关系,根据<math>\gamma</math>取值的不同,系统上下时刻间会存在不同的宏观预测能力,而这对应着因果结耦。
 
定义的第一行表示下一时刻的第一个微观变量取值是由上一时刻宏观态(全部微观变量的抑或操作)决定的,这种需要上一时刻所有变量共同参与才能够进行的预测(运算)对应着向下因果。第二行和第三行确定了系统上下时刻宏观态之间的关系,根据<math>\gamma</math>取值的不同,系统上下时刻间会存在不同的宏观预测能力,而这对应着因果结耦。
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=== 分类具体定义 ===
 
=== 分类具体定义 ===
第151行: 第175行:     
在指定系统的宏观随附特征 <math>V_t</math> 时,基于前文对于因果涌现的定义,测量系统是否存在因果涌现的指标<math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t)</math>可进一步分为如下两部分:
 
在指定系统的宏观随附特征 <math>V_t</math> 时,基于前文对于因果涌现的定义,测量系统是否存在因果涌现的指标<math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t)</math>可进一步分为如下两部分:
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1. 向下因果意味着宏观变量 <math>V_t</math> 对微观变量 <math>X_t</math> 的未来状态 <math>X_{t+1}</math> 产生影响,而这个影响无法由单个 <math>X_t^i</math> 解释。其定义为<math> Un(V_{t}; X_{t+1}^{\alpha} \mid X_{t}) > 0 </math>, 其中 <math>  X_{t+1}^{\alpha} </math>是微观变量的子集<math> \alpha </math>。
 
1. 向下因果意味着宏观变量 <math>V_t</math> 对微观变量 <math>X_t</math> 的未来状态 <math>X_{t+1}</math> 产生影响,而这个影响无法由单个 <math>X_t^i</math> 解释。其定义为<math> Un(V_{t}; X_{t+1}^{\alpha} \mid X_{t}) > 0 </math>, 其中 <math>  X_{t+1}^{\alpha} </math>是微观变量的子集<math> \alpha </math>。
    
2. 因果解耦意味着某个宏观特征 <math>V_t</math> 影响未来宏观状态 <math>V_{t+1}</math>,但该信息在微观层级(<math>X_t</math> 或 <math>X_{t+1}</math>)不可见。其定义为<math> Un(V_{t}; V_{t+1} \mid X_{t}, X_{t+1}) > 0 </math>
 
2. 因果解耦意味着某个宏观特征 <math>V_t</math> 影响未来宏观状态 <math>V_{t+1}</math>,但该信息在微观层级(<math>X_t</math> 或 <math>X_{t+1}</math>)不可见。其定义为<math> Un(V_{t}; V_{t+1} \mid X_{t}, X_{t+1}) > 0 </math>
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此外,如果系统存在因果涌现,即 <math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t^1,...,X_t^n )>0</math>,并且对于微观变量任意大小的子集都存在<math> \text{Un}(V_{t}; X_{t+1}^{\alpha} \mid X_{t}) = 0 </math>且 ,则称<math>V_t</math> 具有纯粹的因果解耦。如果所有涌现特征都表现出纯粹的因果解耦,则称系统是完全解耦的。
 
此外,如果系统存在因果涌现,即 <math>Un(V_t;X_{t+1}| X_t^1,...,X_t^n )>0</math>,并且对于微观变量任意大小的子集都存在<math> \text{Un}(V_{t}; X_{t+1}^{\alpha} \mid X_{t}) = 0 </math>且 ,则称<math>V_t</math> 具有纯粹的因果解耦。如果所有涌现特征都表现出纯粹的因果解耦,则称系统是完全解耦的。
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'''编者注:''' 此处的数学表述也有类似歧义,因此我们提议将以上两个指标分别写作<math> Un(V_{t}; X_{t+1}^{\alpha} \mid X_t^1,...,X_t^n) > 0 </math>和<math> Un(V_{t}; V_{t+1} \mid X_t^1,...,X_t^n, X_{t+1}^1,...,X_{t+1}^n) > 0 </math>,该表示方式代表不能够被任何单一的微观变量<math>X_t^j</math>或<math>X_{t+1}^j</math>所提供的信息,但是能够被<math>V_t</math>所提供的关于下一时刻的信息。同样需要注意的是,尽管这种表示方式能够严谨的表达因果涌现的定义,但是无法套用PID算法对该指标进行计算。如果想要计算修正后的该指标,需要引入有粗砺化函数的PhiID框架。
 
'''编者注:''' 此处的数学表述也有类似歧义,因此我们提议将以上两个指标分别写作<math> Un(V_{t}; X_{t+1}^{\alpha} \mid X_t^1,...,X_t^n) > 0 </math>和<math> Un(V_{t}; V_{t+1} \mid X_t^1,...,X_t^n, X_{t+1}^1,...,X_{t+1}^n) > 0 </math>,该表示方式代表不能够被任何单一的微观变量<math>X_t^j</math>或<math>X_{t+1}^j</math>所提供的信息,但是能够被<math>V_t</math>所提供的关于下一时刻的信息。同样需要注意的是,尽管这种表示方式能够严谨的表达因果涌现的定义,但是无法套用PID算法对该指标进行计算。如果想要计算修正后的该指标,需要引入有粗砺化函数的PhiID框架。
第170行: 第197行:     
其中代表向下因果的指标<math>\mathcal{G}(X_t; X_{t+1}) := \sum_{\alpha,\beta \in \mathcal{S}} I_{\partial}^{\alpha \rightarrow \beta}(X_t; X_{t+1})</math>是指在系统进行整合信息分解后所产生的从协同原子(反链)<math>\alpha</math>到协同原子(反链)<math>\beta</math>的所有信息原子<math>I_{\partial}^{\alpha \rightarrow \beta}(X_t; X_{t+1})</math>。而代表因果结耦的指标<math>\mathcal{D}(X_t; X_{t+1}) := \sum_{\substack{\alpha \in \mathcal{S} \\[2pt] \beta \in \mathcal{A}\setminus\mathcal{S}}} I_{\partial}^{\alpha \rightarrow \beta}(X_t; X_{t+1})</math>,是指在系统进行整合信息分解后所产生的从协同原子(反链)<math>\alpha</math>到非协同原子(反链)<math>\beta</math>的所有信息原子<math>I_{\partial}^{\alpha \rightarrow \beta}(X_t; X_{t+1})</math>。这里的协同原子(反链)(包含在<math> \mathcal{S}</math>中的原子)指的是仅能够通过变量间的协同效应所产生而无法被任何一个变量所单独提供的信息,其形式为所有不存在元素数为1的集合的反链。而非协同原子(包含在<math>\mathcal{A}\setminus\mathcal{S}</math>中的原子)则是存在至少一个元素数为1的集合作为其元素的反链。
 
其中代表向下因果的指标<math>\mathcal{G}(X_t; X_{t+1}) := \sum_{\alpha,\beta \in \mathcal{S}} I_{\partial}^{\alpha \rightarrow \beta}(X_t; X_{t+1})</math>是指在系统进行整合信息分解后所产生的从协同原子(反链)<math>\alpha</math>到协同原子(反链)<math>\beta</math>的所有信息原子<math>I_{\partial}^{\alpha \rightarrow \beta}(X_t; X_{t+1})</math>。而代表因果结耦的指标<math>\mathcal{D}(X_t; X_{t+1}) := \sum_{\substack{\alpha \in \mathcal{S} \\[2pt] \beta \in \mathcal{A}\setminus\mathcal{S}}} I_{\partial}^{\alpha \rightarrow \beta}(X_t; X_{t+1})</math>,是指在系统进行整合信息分解后所产生的从协同原子(反链)<math>\alpha</math>到非协同原子(反链)<math>\beta</math>的所有信息原子<math>I_{\partial}^{\alpha \rightarrow \beta}(X_t; X_{t+1})</math>。这里的协同原子(反链)(包含在<math> \mathcal{S}</math>中的原子)指的是仅能够通过变量间的协同效应所产生而无法被任何一个变量所单独提供的信息,其形式为所有不存在元素数为1的集合的反链。而非协同原子(包含在<math>\mathcal{A}\setminus\mathcal{S}</math>中的原子)则是存在至少一个元素数为1的集合作为其元素的反链。
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以二变量系统为例: <math>X_t</math> 由两个微观变量 <math>X_t^1</math> 和 <math>X_t^2</math> 组成,而 <math>X_{t+1}</math> 受 <math>X_t</math> 影响:
 
以二变量系统为例: <math>X_t</math> 由两个微观变量 <math>X_t^1</math> 和 <math>X_t^2</math> 组成,而 <math>X_{t+1}</math> 受 <math>X_t</math> 影响:
 
在 <math>\Phi ID</math> 框架下,对系统从时间 <math>t</math> 到 <math>t+1</math> 之间的互信息 <math>I(X_t; X_{t+1})</math> 进行分解,可以得到 16 个信息原子。这些信息原子由PID 信息原子的双向作用形成,即每个 <math> \Phi ID </math> 原子都可以表示为一个 <math> PID </math> 信息原子对的有向组合。
 
在 <math>\Phi ID</math> 框架下,对系统从时间 <math>t</math> 到 <math>t+1</math> 之间的互信息 <math>I(X_t; X_{t+1})</math> 进行分解,可以得到 16 个信息原子。这些信息原子由PID 信息原子的双向作用形成,即每个 <math> \Phi ID </math> 原子都可以表示为一个 <math> PID </math> 信息原子对的有向组合。
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特别地,从 <math>{{12}} </math>出发的四个 <math> \Phi ID </math> 原子与因果涌现的定义及其分类直接相关,其中:因果解耦(G)对应于 <math>\{\{12\}\} \to \{\{12\}\}</math>,其取值大于零则系统具有因果解耦。向下因果(D)对应于 <math>\{\{12\}\} \to \{\{1\}\}, \{\{12\}\} \to \{\{2\}\}, \{\{12\}\} \to \{\{1\}\{2\}\}</math>,其中任意取值大于零则系统具有向下因果。
 
特别地,从 <math>{{12}} </math>出发的四个 <math> \Phi ID </math> 原子与因果涌现的定义及其分类直接相关,其中:因果解耦(G)对应于 <math>\{\{12\}\} \to \{\{12\}\}</math>,其取值大于零则系统具有因果解耦。向下因果(D)对应于 <math>\{\{12\}\} \to \{\{1\}\}, \{\{12\}\} \to \{\{2\}\}, \{\{12\}\} \to \{\{1\}\{2\}\}</math>,其中任意取值大于零则系统具有向下因果。
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通过这种方式,PhiID 允许我们将系统的因果涌现分解为不同的成分,并在数学上严格刻画因果信息流的方向性。这一框架不仅适用于理论分析,还可以用于实际数据集的计算分析,帮助识别复杂系统中的因果结构。
 
通过这种方式,PhiID 允许我们将系统的因果涌现分解为不同的成分,并在数学上严格刻画因果信息流的方向性。这一框架不仅适用于理论分析,还可以用于实际数据集的计算分析,帮助识别复杂系统中的因果结构。
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尽管信息分解提供了严谨的理论框架,但计算因果涌现仍然存在以下挑战:1. 计算复杂度 - 计算<math> PID </math> 或 <math> \Phi ID </math> 中的信息原子随着变量数的提升其复杂度与计算量均呈现指数提升,因此很难将该方法应用于实际系统。2. 粗粒化选择的影响 - 由于 <math>V_t</math> 的定义会影响因果涌现的测度,如何自动选择最佳的粗粒化策略仍然是一个未解决的问题。3. 信息分解的不确定性 - 不同的信息分解方法可能导致不同的因果涌现度量,PID 计算的不一致性导致因果涌现的定义依赖于特定的 PID 计算。这些挑战说明,尽管 PID 框架提供了强有力的因果涌现理论基础,但其应用仍然依赖于实际系统的计算方法和数据可获取性。
 
尽管信息分解提供了严谨的理论框架,但计算因果涌现仍然存在以下挑战:1. 计算复杂度 - 计算<math> PID </math> 或 <math> \Phi ID </math> 中的信息原子随着变量数的提升其复杂度与计算量均呈现指数提升,因此很难将该方法应用于实际系统。2. 粗粒化选择的影响 - 由于 <math>V_t</math> 的定义会影响因果涌现的测度,如何自动选择最佳的粗粒化策略仍然是一个未解决的问题。3. 信息分解的不确定性 - 不同的信息分解方法可能导致不同的因果涌现度量,PID 计算的不一致性导致因果涌现的定义依赖于特定的 PID 计算。这些挑战说明,尽管 PID 框架提供了强有力的因果涌现理论基础,但其应用仍然依赖于实际系统的计算方法和数据可获取性。
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===因果涌现充分指标===
 
===因果涌现充分指标===
    
为了解决上述提到的问题,Rosas简化了因果涌现的计算,并建立了一套基于因果解耦和向下因果的识别标准。具体来说,为了避免该方法基于特定的某个协同信息和冗余信息的具体量化方法,这套标准通过反复减去冗余信息,使结果成为因果涌现的充分条件。
 
为了解决上述提到的问题,Rosas简化了因果涌现的计算,并建立了一套基于因果解耦和向下因果的识别标准。具体来说,为了避免该方法基于特定的某个协同信息和冗余信息的具体量化方法,这套标准通过反复减去冗余信息,使结果成为因果涌现的充分条件。
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三个指标如下:
 
三个指标如下:
第191行: 第224行:     
3. <math> \Gamma_{t, t+1}(V) := \max_{j} I(V_{t}; X_{t+1}^j) </math>,这个指标是<math>V_t</math>与<math>X_{t+1}^j</math>之间最大互信息。这个指标既包含了上一时刻任意微观态通过宏观态对当前时刻微观变量j的预测,也包括了只由上一时刻宏观态所提供的对这一时刻微观变量j的预测。
 
3. <math> \Gamma_{t, t+1}(V) := \max_{j} I(V_{t}; X_{t+1}^j) </math>,这个指标是<math>V_t</math>与<math>X_{t+1}^j</math>之间最大互信息。这个指标既包含了上一时刻任意微观态通过宏观态对当前时刻微观变量j的预测,也包括了只由上一时刻宏观态所提供的对这一时刻微观变量j的预测。
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对于上述指标,<math>V</math>是一个预定义的宏观变量。
这些指标的具体用途如下:

 
对于上述指标,<math>V</math>是一个预定义的宏观变量。
这些指标的具体用途如下:

第199行: 第233行:     
3. 当<math> \Psi_{t, t+1}(V) > 0  </math>且<math>\Gamma_{t, t+1}(V) = 0</math>时,这构成了因果解耦的充分条件。既如果对于任意微观变量j,上一时刻宏观态都无法提供任何信息,那么存在的因果涌现就只能以因果结耦的形式存在。
 
3. 当<math> \Psi_{t, t+1}(V) > 0  </math>且<math>\Gamma_{t, t+1}(V) = 0</math>时,这构成了因果解耦的充分条件。既如果对于任意微观变量j,上一时刻宏观态都无法提供任何信息,那么存在的因果涌现就只能以因果结耦的形式存在。
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尽管这三个指标避免了冗余信息计算的问题,但重要的是要注意,它们作为充分条件,而不是涌现性的决定性证明。换句话说,大于<math>0</math>的指标可以表明存在涌现性,但小于0的指标并不一定意味着不存在涌现性。这个指标的构建在识别具有大量冗余信息或大量变量的系统中的涌现性时面临挑战,并且这类系统在许多现实世界中通常是常见的情况。此外,这种方法的一个局限性是需要预先确定粗粒化变量<math>V</math>,而这个变量的不同选择也会显著影响结果。为了强调该套指标的可行性,Rosas在文中使用了三个案例进行验证,并得出了以下结论:粒子碰撞在康威的生命游戏(Conway’s Game of Life)中被验证作为一个独特的特征涌现,鸟群动态指标(平均位置)在模拟的鸟类行为中被验证作为一个特征涌现,猕猴的运动行为被验证从神经活动中涌现。具体研究设计详见文章。
 
尽管这三个指标避免了冗余信息计算的问题,但重要的是要注意,它们作为充分条件,而不是涌现性的决定性证明。换句话说,大于<math>0</math>的指标可以表明存在涌现性,但小于0的指标并不一定意味着不存在涌现性。这个指标的构建在识别具有大量冗余信息或大量变量的系统中的涌现性时面临挑战,并且这类系统在许多现实世界中通常是常见的情况。此外,这种方法的一个局限性是需要预先确定粗粒化变量<math>V</math>,而这个变量的不同选择也会显著影响结果。为了强调该套指标的可行性,Rosas在文中使用了三个案例进行验证,并得出了以下结论:粒子碰撞在康威的生命游戏(Conway’s Game of Life)中被验证作为一个独特的特征涌现,鸟群动态指标(平均位置)在模拟的鸟类行为中被验证作为一个特征涌现,猕猴的运动行为被验证从神经活动中涌现。具体研究设计详见文章。
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总体来说,Rosas不仅提出了一种基于<math> PID </math>理念和<math> \Phi ID </math>框架的定量表征和分类因果涌现的方法,还在此基础之上给出了用于回避信息分解计算问题的因果涌现充分判断指标,一定程度上弥合了因果涌现研究理论框架与定量实证研究之间的差距。
 
总体来说,Rosas不仅提出了一种基于<math> PID </math>理念和<math> \Phi ID </math>框架的定量表征和分类因果涌现的方法,还在此基础之上给出了用于回避信息分解计算问题的因果涌现充分判断指标,一定程度上弥合了因果涌现研究理论框架与定量实证研究之间的差距。
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==总结与展望==
 
==总结与展望==
 
将 Hoel 的框架与 Rosas 的因果涌现量化框架进行比较,可以发现后者有几个明显的优势。首先,Rosas 的理论不需要预先确定的粗粒化方法,这使得它在数学上更加严谨和正式。其次,它对因果涌现进行了详细的分解,特别是向下因果关系和因果解耦。最后,它有效地避免了伪因果涌现的情况,即宏观变量仅依赖于微观变量中的独特或冗余信息。然而,也有一些缺点需要考虑。首先,为了获得完整的信息格,需要对所有变量组成进行系统迭代。此外,尽管使用了公式,但仍需要定义一个宏变量。不幸的是,作者没有提供任何方法来识别这样的变量。其次,所有互信息及其分解都是基于相关性而不是因果关系。讨论如何将因果因素(例如干预和反事实)纳入框架至关重要。最后,前面的讨论并没有解决根据给定的行为时间序列数据来识别系统中是否发生因果涌现的问题。为了解决这个问题,需要应用机器学习和人工智能等新兴技术。这些技术可以为检测和分析因果涌现提供有价值的工具和技术。
 
将 Hoel 的框架与 Rosas 的因果涌现量化框架进行比较,可以发现后者有几个明显的优势。首先,Rosas 的理论不需要预先确定的粗粒化方法,这使得它在数学上更加严谨和正式。其次,它对因果涌现进行了详细的分解,特别是向下因果关系和因果解耦。最后,它有效地避免了伪因果涌现的情况,即宏观变量仅依赖于微观变量中的独特或冗余信息。然而,也有一些缺点需要考虑。首先,为了获得完整的信息格,需要对所有变量组成进行系统迭代。此外,尽管使用了公式,但仍需要定义一个宏变量。不幸的是,作者没有提供任何方法来识别这样的变量。其次,所有互信息及其分解都是基于相关性而不是因果关系。讨论如何将因果因素(例如干预和反事实)纳入框架至关重要。最后,前面的讨论并没有解决根据给定的行为时间序列数据来识别系统中是否发生因果涌现的问题。为了解决这个问题,需要应用机器学习和人工智能等新兴技术。这些技术可以为检测和分析因果涌现提供有价值的工具和技术。
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==附录==
 
==附录==
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