基于可逆性的因果涌现理论
基于可逆性的因果涌现理论是一种量化因果涌现强度的新框架,该方法基于奇异值分解和近似动力学可逆性的概念,与基于有效信息(EI)的因果涌现理论不同。kk
理论
下面将定义马尔科夫链上的动力学可逆性,并提出了一个量化指标:近似动力学可逆性。来衡量任意马尔可夫链对动力学可逆性的接近程度。
什么是动力学可逆性
对于给定的马尔可夫链[math]\displaystyle{ \chi }[/math]和对应的转移概率矩阵(TPM) P ,如果P同时满足:1. P是可逆矩阵,即存在矩阵[math]\displaystyle{ P^{-1} }[/math],使得[math]\displaystyle{ PP^{-1}=I }[/math]; 2. [math]\displaystyle{ P^{-1} }[/math]也是另一个马尔可夫链[math]\displaystyle{ \chi^{-1} }[/math]的有效TPM,则[math]\displaystyle{ \chi }[/math]和P 可以称为动力学可逆的。
定理1:对于一个给定的马尔科夫链[math]\displaystyle{ \chi }[/math]和对应的TPM P,当且仅当P是置换矩阵的时候,P是严格动力学可逆的。
纯粹的置换矩阵在所有可能的TPM中非常稀少,所以大多数的TPM并不是严格动力学可逆的。因此,需要一个指标来刻画任意一个TPM接近动力学可逆的程度。
考虑P的秩r,当且仅当r<N的时候,P是不可逆的;且P越退化对应着越小的r。然而,非退化(满秩)的矩阵P并不总是动力学可逆的,因为:1. 尽管[math]\displaystyle{ P^{-1} }[/math]存在,但[math]\displaystyle{ P^{-1} }[/math]并不一定是满足归一化条件(P的第i行向量[math]\displaystyle{ P_{i} }[/math]的第一范数应该为1)的合法TPM。2. 如前所述,若P满足动力学可逆性,则P必为置换矩阵。
一个重要的观察是:所有置换矩阵的行向量都是one-hot向量(即只有一个元素是1,其余元素均为零)。这一特性可以被矩阵P的弗罗贝尼乌斯范数(Frobenius norm)刻画。事实上,当且仅当P的行向量是one-hot向量的时候,矩阵P的弗罗贝尼乌斯范数取最大值。因此,我们可以借由矩阵P的秩r和矩阵的弗罗贝尼乌斯范数共同定义P的近似动力学可逆性。
首先,矩阵的秩可以被写作:
[math]\displaystyle{ r=\sum_{i=1}^{N}\sigma_{i}^{0} }[/math]
其中[math]\displaystyle{ \sigma_{i} }[/math]是矩阵P的第i个奇异值。
紧接着,矩阵的弗罗贝尼乌斯范数可以被写作:
[math]\displaystyle{ {||P||}_{F}^{2}=\sum_{i=1}^{N}\sigma_{i}^{2} }[/math]
这也是所有奇异值的平方和。可以看出矩阵的秩和弗罗贝尼乌斯范数都与奇异值相联系。
近似动力学可逆性
下面定义矩阵P的近似动力学可逆性:
假设马尔科夫链的概率转移矩阵为P,奇异值为[math]\displaystyle{ (\sigma_{1}\ge\sigma_{2}\ge...\ge\sigma_{N}\ge0) }[/math],那么矩阵P的[math]\displaystyle{ \alpha }[/math]阶近似动力学可逆性定义为:
[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha}=\sum_{i=1}^{N}\sigma_{i}^{\alpha} }[/math]
其中[math]\displaystyle{ \alpha\in(0,2) }[/math]是参数。
实际上,当[math]\displaystyle{ \alpha\ge1 }[/math]时,[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha} }[/math]是P的沙滕范数(Schatten norm);当[math]\displaystyle{ 0\lt \alpha\lt 1 }[/math]时,[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha} }[/math]是P的准范数(quasinorm)。
使用这个定义来刻画近似动力学可逆性是合理的,因为完全动力学可逆性可以通过最大化[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha} }[/math]来得到。
定理2:对于任意[math]\displaystyle{ \alpha\in(0,2) }[/math],[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha} }[/math]的最大值是N,当且仅当P是置换矩阵的时候能取到该最大值.
证明见附录A.2.2 更进一步来说,可以证明,[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha} }[/math]的下界可以由[math]\displaystyle{ {||P||}_{F}^{\alpha} }[/math]确定。
决定性和简并性
通过调整参数[math]\displaystyle{ \alpha\in(0,2) }[/math],我们可以使更好地反映P的确定性或者简并性。当[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha}\to0,\Gamma_{\alpha} }[/math]收敛到P的秩,这类似于EI定义中的非简并项,因为随着P越来越退化,r越来越小。然而,定义不允许[math]\displaystyle{ \alpha }[/math]精确为零,因为rank(P)不是P的连续函数,而且最大化秩不会导致置换矩阵。 同样,当[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha}\to2 }[/math]时,[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha} }[/math]收敛到[math]\displaystyle{ {||P||}_{F}^{2} }[/math],但是定义不允许[math]\displaystyle{ \alpha }[/math]取2,因为[math]\displaystyle{ \Gamma_{\alpha=2} }[/math]的最大化并不意味着P是可逆的。[math]\displaystyle{ {||P||}_{F} }[/math]与EI定义中的确定性项具有可比性,因为当P具有越来越多的one-hot向量,P的中的最大转移概率也会变得更大,意味着动力学变得更加可逆。 在实践中,我们总是取alpha=1 来平衡gama测量确定性和简并性的倾向,gama被称为核规范。 考虑到alpha=1的重要性,我们将主要展示alpha=1 的结果,在下文中,我们将gama1基座gama。
归一化及例子
gamaa受矩阵的大小影响,所以我们需要进行归一化,从而刻画与大小无关的近似动力学可逆性,这样可以更方便地在不同大小的马尔科夫链 之间进行比较。 容易证明,gamaa总是小于1。