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第51章:ψ 空间的信息几何

知识的景观

信息几何研究每个点代表概率分布的空间,其中距离测量分布之间的差异程度。在 Ψhē 物理学中,这成为知识本身的基本几何:ψ 模式如何编码信息,信息如何在 ψ 递归下转换,以及不确定性和知识如何创造现实的曲率。

51.1 概率流形

经典信息几何:概率分布空间上的微分几何。

ψ 信息几何:ψ 知识状态空间上的微分几何。

基本问题:ψ = ψ(ψ) 如何创造和组织信息结构?

51.2 统计流形

定义 51.1(ψ 统计流形): 统计流形 (M, g, ∇) 其中:

  • M = ψ 概率分布空间
  • g = 费舍尔信息度量
  • ∇ = 编码 ψ 知识几何的仿射联络

坐标系:ψ 分布族的参数空间 θ = (θ¹, θ², ..., θⁿ): p(xθ)=给定参数 θ 时状态 x 的 ψ 概率p(x|\theta) = \text{给定参数 } \theta \text{ 时状态 } x \text{ 的 ψ 概率}

51.3 费舍尔信息度量

定义 51.2(ψ 费舍尔信息): 测量 ψ 知识敏感性的费舍尔信息矩阵: gij(θ)=E[logp(xθ)θilogp(xθ)θj]g_{ij}(\theta) = E\left[\frac{\partial \log p(x|\theta)}{\partial \theta^i} \frac{\partial \log p(x|\theta)}{\partial \theta^j}\right]

替代形式gij(θ)=E[2logp(xθ)θiθj]g_{ij}(\theta) = -E\left[\frac{\partial^2 \log p(x|\theta)}{\partial \theta^i \partial \theta^j}\right]

ψ 解释:费舍尔度量测量关于参数包含了多少 ψ 信息。

51.4 散度与距离

库尔巴克-莱布勒散度:非对称信息距离: DKL(pq)=p(x)logp(x)q(x)dxD_{KL}(p||q) = \int p(x) \log \frac{p(x)}{q(x)} dx

詹森-香农散度:对称版本: DJS(p,q)=12DKL(pm)+12DKL(qm)D_{JS}(p,q) = \frac{1}{2}D_{KL}(p||m) + \frac{1}{2}D_{KL}(q||m) 其中 m=12(p+q)m = \frac{1}{2}(p + q)

瓦瑟斯坦距离:最优输运度量: Wp(μ,ν)=(infγΠ(μ,ν)d(x,y)pdγ(x,y))1/pW_p(\mu,\nu) = \left(\inf_{\gamma \in \Pi(\mu,\nu)} \int d(x,y)^p d\gamma(x,y)\right)^{1/p}

ψ 距离:测量 ψ 知识状态之间分离的各种方式。

51.5 对偶联络

α-联络:仿射联络的单参数族: Γij,k(α)=E[2logpθiθjlogpθk]+1α2Tijk\Gamma_{ij,k}^{(\alpha)} = E\left[\frac{\partial^2 \log p}{\partial \theta^i \partial \theta^j} \frac{\partial \log p}{\partial \theta^k}\right] + \frac{1-\alpha}{2} T_{ijk}

对偶联络:∇⁽¹⁾ 和 ∇⁽⁻¹⁾ 是对偶平坦的。

指数联络:α = 1,对指数族自然。

混合联络:α = -1,对混合模型自然。

ψ 对偶性:ψ 模式编码和解码信息的互补方式。

51.6 指数族

定义 51.3(ψ 指数族): p(xθ)=exp(i=1kθiTi(x)ψ(θ))h(x)p(x|\theta) = \exp\left(\sum_{i=1}^k \theta^i T_i(x) - \psi(\theta)\right) h(x)

其中:

  • T_i(x) = 充分统计量
  • ψ(θ) = 对数配分函数
  • h(x) = 基测度

自然参数:θ = 自然坐标 期望参数:η = E[T(x)] = ∇ψ(θ)

ψ 结构:指数族通过充分统计量自然编码 ψ 递归。

51.7 布雷格曼散度

定义 51.4(ψ 布雷格曼散度): 对凸函数 φ: Dϕ(p,q)=ϕ(p)ϕ(q)ϕ(q),pqD_\phi(p,q) = \phi(p) - \phi(q) - \langle \nabla\phi(q), p-q \rangle

性质

  • 非对称:Dϕ(p,q)Dϕ(q,p)D_\phi(p,q) \neq D_\phi(q,p)
  • 非负:Dϕ(p,q)0D_\phi(p,q) \geq 0
  • 当且仅当 p = q 时为零

例子

  • φ(x) = x log x → KL 散度
  • φ(x) = ½||x||² → 平方欧几里得距离

ψ 布雷格曼:ψ 指数族的自然散度。

51.8 最大熵原理

原理:在与给定约束一致的所有分布中,选择熵最大的那个。

约束优化maxH[p]=p(x)logp(x)dx\max H[p] = -\int p(x) \log p(x) dx 受限于 p(x)Ti(x)dx=μi\int p(x) T_i(x) dx = \mu_i

:具有拉格朗日乘数作为自然参数的指数族。

ψ 最大熵:ψ 模式自然向与 ψ 约束一致的最大熵演化。

51.9 克拉美-拉奥界

定理 51.1(ψ 克拉美-拉奥): 对参数 θ 的无偏估计量 T̂: Var(T^)[F(θ)]1\text{Var}(T̂) \geq [F(\theta)]^{-1}

其中 F(θ) 是费舍尔信息。

有效性:达到界的估计量是有效的。

ψ 解释:ψ 参数估计精度的基本量子限制。

51.10 中心极限定理

信息几何 CLT:当样本量 n → ∞,最大似然估计量 θ̂ 满足: n(θ^θ)dN(0,F(θ)1)\sqrt{n}(\hat{\theta} - \theta) \xrightarrow{d} N(0, F(\theta)^{-1})

渐近有效性:MLE 渐近达到克拉美-拉奥界。

ψ 收敛:大 ψ 集合自然围绕最大似然 ψ 配置组织。

51.11 微分熵

定义 51.5(ψ 微分熵): H[p]=p(x)logp(x)dxH[p] = -\int p(x) \log p(x) dx

性质

  • 平移不变
  • 缩放:H[p(ax)]=H[p]+logaH[p(ax)] = H[p] + \log|a|
  • 最大值为高斯分布(固定方差)

互信息I(X;Y)=H[X]+H[Y]H[X,Y]I(X;Y) = H[X] + H[Y] - H[X,Y]

ψ 熵:测量 ψ 不确定性和信息内容。

51.12 量子信息几何

密度矩阵流形:量子态 ρ 的空间。

量子费舍尔信息FQ(ρ,H)=20ρ˙(s),(ρ(s)+sH)1ρ˙(s)(ρ(s)+sH)1dsF_Q(\rho,H) = 2\int_0^\infty \langle \dot{\rho}(s), (\rho(s) + sH)^{-1} \dot{\rho}(s) (\rho(s) + sH)^{-1} \rangle ds

富比尼-施图迪度量:射影希尔伯特空间上的自然度量。

量子相对熵S(ρσ)=Tr(ρlogρρlogσ)S(\rho||\sigma) = \text{Tr}(\rho \log \rho - \rho \log \sigma)

ψ 量子几何:ψ 叠加态的信息几何。

51.13 计算信息几何

自然梯度:使用费舍尔度量的梯度下降: θt+1=θtηF(θt)1L(θt)\theta_{t+1} = \theta_t - \eta F(\theta_t)^{-1} \nabla L(\theta_t)

优势:坐标无关的收敛。

神经网络:信息几何优化。

ψ 学习:ψ 模式如何通过信息几何流学习。

51.14 热力学连接

配分函数Z(β)=eβH(x)dxZ(\beta) = \int e^{-\beta H(x)} dx

自由能F(β)=1βlogZ(β)F(\beta) = -\frac{1}{\beta} \log Z(\beta)

信息几何:带费舍尔度量的温度流形。

ψ 热力学:统计力学作为 ψ 信息几何。

51.15 结论:知识的几何

信息几何揭示了 ψ 知识生活和演化的基本景观。每个概率分布代表这个弯曲空间中的一个点,费舍尔度量测量信息内容,联络描述学习流。

这个框架统一了认识论和几何:不确定性创造曲率,知识沿测地线流动,学习遵循自然梯度。所有可能的 ψ 知识状态形成一个黎曼流形,其中距离代表认识分离。

最深刻的洞察:意识导航信息几何。我们的信念占据概率空间中的区域,我们的推理遵循测地路径,我们的学习实现自然梯度下降。注意力选择子流形,记忆存储访问过的区域,想象力探索未知领域。

每个决策都需要在概率分布中选择——信息几何优化。每个感知更新我们在知识空间中的位置——贝叶斯推理作为平行传输。每个创造性洞察发现新坐标——ψ 信息空间中的坐标变换。

这揭示了为什么最大熵和最大似然原理是基础的:它们代表信息几何中的自然平衡态。ψ 模式自发地向这些几何最优组织,创造我们在自然中观察到的统计规律性。

宇宙以概率方式计算,因为 ψ 递归自然生成信息几何结构。物理定律作为参数空间中的测地线涌现,相变作为知识流形中的拓扑变化,涌现作为信息流中的分叉。

练习

  1. 推导 ψ 场配置空间的费舍尔信息度量。

  2. 展示量子测量如何实现信息几何投影。

  3. 计算不同 ψ 真空态之间的瓦瑟斯坦距离。

第五十一回音

信息几何作为 ψ 知识的自然景观涌现——不确定性创造度量结构、学习遵循测地流的弯曲空间。知识本身被揭示为通过信息流形的导航。接下来,我们探索 ψ 递归底层的代数结构。


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