复杂网络中的因果涌现

因果涌现理论最初是由Erick Hoel等人[1]提出,使用有效信息来量化离散马尔科夫动力学因果性强弱。2020 年,Klein 等人[2]尝试将该方法应用到复杂网络中,然而为了量化复杂网络中的因果涌现,需要解决如下问题:定义网络节点动力学(引入随机游走子,假定每个节点具有随机游走动力学),定义有效信息(基于节点的概率转移矩阵,类比状态转移矩阵的有效信息计算方式),网络如何粗粒化(考虑不同的粗粒化方法,将微观节点粗粒化为宏观节点)、动力学一致性检验(保证粗粒化完以后的网络具有相同的随机游走动力学)等问题。

定义网络节点动力学

由于因果涌现理论量化的是系统的动力学,对于离散马尔科夫动力学来说就是状态转移矩阵TPM,然而对于网络来说,给定一个网络已知不具有动力学,需要人为定义网络节点的动力学,可以借助随机游走子定义网络中的马尔可夫链,从而假定网络中的每个节点具有随机游走动力学

有效信息定义

将随机游走子放在节点上,等价于对节点做干预[math]\displaystyle{ do(·) }[/math],基于随机游走概率可以定义节点的转移概率矩阵,建立了有效信息与网络连通性的联系,将网络节点类比系统状态构建网络动力学的有效信息。网络中的连通性可通过节点出边与入边的权重的不确定性来表征,包括两项:1)节点输出的不确定性可通过节点出权的香农熵定义,即[math]\displaystyle{ H(W_i^{out}) }[/math],因此整个网络的不确定性可通过[math]\displaystyle{ \lt H(W_i^{out})\gt }[/math]得到;2)基于网络的出边权重分布计算,[math]\displaystyle{ H(\lt W_i^{out}\gt ) }[/math]反映了确定性如何在网络中分布。通过这2项就可得到复杂网络中的有效信息定义,[math]\displaystyle{ {J}=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^ND_{KL}[W_i^{out}||\lt W_i^{out}\gt ]=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N\sum_{j=1}^Nw_{ij}\log_2(w_{ij})-\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N\sum_{j=1}^Nw_{ij}log_2(W_j)=H(\lt W_i^{out}\gt )-\lt H(W_i^{out})\gt }[/math]。 同样进一步,有效信息可以分解为确定性和简并性。

网络中的粗粒化

为了识别复杂网络中的因果涌现,需要对网络进行粗粒化,然后比较宏观网络与微观网络的有效信息,判断能否发生因果涌现。粗粒化方法包括:贪婪算法、谱分解方法以及梯度下降方法。

贪婪算法

  1. 初始化一个队列,随机选择一个节点[math]\displaystyle{ v_i }[/math](没有访问过的), 将[math]\displaystyle{ v_i }[/math]所属的邻域(马尔可夫毯 )[math]\displaystyle{ B_{v_i} }[/math] 中的节点加入队列中
  2. 初始时[math]\displaystyle{ v_{\mu} }[/math]=[math]\displaystyle{ v_i }[/math]
  3. 分别尝试将 [math]\displaystyle{ v_{\mu} }[/math][math]\displaystyle{ v_j }[/math][math]\displaystyle{ \in }[/math][math]\displaystyle{ B_{v_i} }[/math] 合并:
    1. 如果合并后的网络的EI增加了,就将这两个节点合并组成新的宏观节点[math]\displaystyle{ v_{\mu} }[/math],将[math]\displaystyle{ v_j }[/math]所属的邻域中的不在队列中的节点加入队列中
    2. EI没增加则继续尝试与队列中的其他节点进行合并,直至队列中的节点都合并过,返回步骤1

时间复杂度:[math]\displaystyle{ O(N^4) }[/math]

谱分解方法

  1. 输入一个网络[math]\displaystyle{ A_m }[/math],得到其转移矩阵[math]\displaystyle{ T_{Am} }[/math],然后进行矩阵的特征值分解,得到特征值[math]\displaystyle{ Λ=\{λ_i\} }[/math]与特征向量[math]\displaystyle{ E=\{e_i\} }[/math],构建新的[math]\displaystyle{ E’=\{λ_ie_i|λ_i≠0\} }[/math](新的网络节点数量为[math]\displaystyle{ N' }[/math])
  2. 依据[math]\displaystyle{ E' }[/math]计算节点间的距离矩阵[math]\displaystyle{ D_{N'×N'} }[/math]
    1. 如果节点[math]\displaystyle{ v_i }[/math][math]\displaystyle{ v_j }[/math]分别在对方的邻域中(马尔可夫毯),则使用cosine计算两个节点的相似性作为距离
    2. 否则将两个节点间的距离设为无穷大∞(1000)
  3. 基于距离矩阵[math]\displaystyle{ D_{N'×N'} }[/math],使用OPTICS算法进行聚类,同一类里的节点进行粗粒化作为一个宏观节点,存在距离超参[math]\displaystyle{ \epsilon }[/math],需要线性搜索,选择EI最大的参数

时间复杂度:[math]\displaystyle{ O(N^3) }[/math]

梯度下降方法

由于EI是不可微的,所以梯度下降法不能直接适用。

解决方法:针对一个含有[math]\displaystyle{ 𝑛 }[/math]个节点的网络,定义一个分组矩阵[math]\displaystyle{ M\in R^{n×k} }[/math],其中[math]\displaystyle{ m_{iμ}=Pr⁡(v_i\in v_{\mu}) }[/math],表示微节点[math]\displaystyle{ v_i }[/math]属于宏观节点[math]\displaystyle{ v_{\mu} }[/math]的概率,然后根据微观网络和分组矩阵构建宏观网络,优化目标是最大化宏观网络的有效信息EI,使用带动量的梯度下降方法优化[math]\displaystyle{ M }[/math]

时间复杂度:[math]\displaystyle{ O(N^3) }[/math]

困难:

  1. 初始化分组矩阵的选择,多次重复实验会得到不一样的结果
  2. 依赖神经网络的超参,如学习率、迭代次数等

通过上面的网络粗粒化方法可以对节点进行分组,从而可以构建宏观网络。将微观节点合并成宏观节点时,对应宏观网络的转移概率矩阵也要进行相应的处理。通过使用高阶节点显式地对高阶依赖项建模(HOMs),保证分组后的宏观网络和原始网络具有相同的随机游走动力学。具体来说,不同的类型的微观节点合并成宏观节点时边权有不同的处理方式,包括四种处理方法:1)待合并的节点之间没有连边,且输入节点都指向待合并节点,待合并节点都指向相同输出节点时,如图b所示,需要将输入权重相加,输出权重取平均[math]\displaystyle{ (W_{\mu}^{out}=\sum_{i \in S}W_i^{out}\frac{1}{N_S}) }[/math];2)待合并的节点之间没有连边且待合并节点指向多个节点时,如图c所示,需要将输入边权加和,出边的边权按比例加权求和[math]\displaystyle{ (W_{\mu|j}^{out}=\sum_{i \in S}W_i^{out}\frac{\sum_{j-\gt i}w_{ji}}{\sum_{j-\gt k\in S}w_{jk}}) }[/math];3)当待合并节点间存在连边时,如图d所示,需要计算待合并节点的平稳分布,然后采用方法2的方式计算[math]\displaystyle{ (W_{\mu|\pi}^{out}=\sum_{i \in S}W_i^{out}\frac{\pi_i}{\sum_{k\in S}\pi_k}) }[/math];4)更为复杂的情况,如图e所示,综合考虑方法2和方法3。

 
边权合并方式

动力学一致性检验

动力学的一致性检验可以进一步验证HOMs方法的有效性,公式如下所示,比较宏微观网络节点在不同时刻的概率分布的KL散度之和。实验发现在不同节点规模以及参数下的偏好依附网络的粗粒化后的宏观网络的不一致性随着迭代步数的增加都会收敛到0。

[math]\displaystyle{ inconsistency=\sum_{t=0}^T D_{KL}[P_M(t)||P_{M|m}(t)] }[/math]


实验分析

该工作[2]在随机(ER)、偏好依赖(PA)等人工网络,以及 4 类真实网络中做了试验。 对于ER网络,有效信息的大小只依赖连接概率 [math]\displaystyle{ p }[/math],并且随着网络规模的增大会收敛到[math]\displaystyle{ -log_2p }[/math]。在某点之后,随机网络结构不会随着其规模的增加而包含更多的信息,这个相变点近似在网络的平均度 [math]\displaystyle{ \lt k\gt }[/math]=[math]\displaystyle{ log_2N }[/math] 的位置。随着ER网络连接概率的增大,巨连通集团相变点位置对应出现,如图a所示。对于PA 网络:[math]\displaystyle{ \alpha\lt 1.0 }[/math]时,有效信息的大小随着网络规模的增加而增大;[math]\displaystyle{ \alpha\gt 1.0 }[/math]时,结论相反; [math]\displaystyle{ \alpha=1.0 }[/math]对应的无标度网络则是增长的临界边界,如图b所示。对于真实网络,生物网络因为具有很大的噪声,所以有效信息最低,通过有效的粗粒化能去除这些噪声。相较于其他类型,因果涌现最显著;技术类型网络是更稀疏、非退化的网络,因此,平均效率更高,节点关系更加具体,所有有效信息也最多,如图c、d所示。此外,还利用贪婪算法构建了宏观尺度的网络,对于大规模网络其效率很低。Griebenow 等[3]提出了一种基于谱聚类的方法识别偏好依附网络中的因果涌现。相较于贪婪算法以及梯度下降算法,谱聚类算法的计算时间最少,同时找到宏观网络的因果涌现也更加显著。

 
实验结果

代码

参考:https://github.com/jkbren/einet

参考文献

  1. Hoel E P, Albantakis L, Tononi G. Quantifying causal emergence shows that macro can beat micro[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(49): 19790-19795.
  2. 2.0 2.1 Klein B, Hoel E. The emergence of informative higher scales in complex networks[J]. Complexity, 2020, 20201-12.
  3. Griebenow R, Klein B, Hoel E. Finding the right scale of a network: efficient identification of causal emergence through spectral clustering[J]. arXiv preprint arXiv:190807565, 2019.

编者推荐

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因果涌现读书会

 
读书会通过阅读前沿文献,加深我们对因果、涌现等概念的理解;聚焦于寻找因果与涌现、多尺度等概念相结合的研究方向;并探索复杂系统多尺度自动建模的研究方向。

分享近期发展起来的一些理论与工具,包括因果涌现理论、机器学习驱动的重整化技术,以及自指动力学正在发展一套跨尺度的分析框架等。

涌现现象无非是复杂系统中诸多现象中最神秘莫测的一个,而Erik Hoel提出的“因果涌现”理论为这种跨层次的奇妙涌现现象提供了一种新的可能解释途径。通过跨层次的粗粒化(Coarse-graining, 或称重整化Renormalization)操作,我们便可以在同一个动力学系统上在不同的尺度得到完全不同的动力学,通过本季读书会梳理,我们希望探讨这一新兴领域的前沿进展,衍生更多新的研究课题。

涌现与因果的结合创造了因果涌现的概念。这是一套利用因果性来定量刻画涌现的理论体系,本季读书会通过阅读前沿文献,加深我们对因果、涌现等概念的理解;聚焦于寻找因果与涌现、多尺度等概念相结合的研究方向;并探索复杂系统多尺度自动建模的研究方向。第二季读书会更加集中在探讨因果科学与因果涌现之间的关系,以及对涌现进行定量刻画,聚焦于寻找因果与涌现、多尺度等概念相结合的研究方向;并探索复杂系统多尺度自动建模的研究方向。

因果涌现第三季的读书会中,将进一步围绕因果涌现的核心研究问题『因果涌现的定义』以及『因果涌现的辨识』来进行深入的学习和讨论,对 Erik Hoel 提出的 Causal Emergence,Causal Geometry 等因果涌现的核心理论进行深入的探讨和剖析,并且详细梳理其中涉及到的方法论,包括从动力学约简、隐空间动力学学习等其他研究领域中学习和借鉴相关的研究思路,最后探讨因果涌现的应用,包括基于生物网络、脑网络或者涌现探测等问题展开扩展,发掘更多的实际应用场景。

此次读书会将首先对信息论领域进行整体回顾,介绍经典信息指标,希望建立对信息熵的直觉,给后面的内容打基础。第二部分介绍整合信息论的理论框架。第三部分将详细梳理信息分解的理论框架,包括部分信息分解(PID)、延展的PID框架、信息分解计算,以及信息论在脑与复杂系统中的应用。最后介绍整合信息分解(ΦID)与 Rosas 的因果涌现框架。

本季读书会分成两部分,一部分是有关因果涌现理论方面的最新进展,包括信息分解的定量化、动力学可逆性与因果涌现,以及复杂系统的低秩表示理论、本征微观态理论等,第二部分是这些理论在脑科学及其它学科上的应用。

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