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(x∣θ)=给定参数 θ 时状态 x 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[∂θi∂logp(x∣θ)∂θj∂logp(x∣θ)]
替代形式:
gij(θ)=−E[∂θi∂θj∂2logp(x∣θ)]
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(p∣∣q)=∫p(x)logq(x)p(x)dx
詹森-香农散度:对称版本:
DJS(p,q)=21DKL(p∣∣m)+21DKL(q∣∣m)
其中 m=21(p+q)。
瓦瑟斯坦距离:最优输运度量:
Wp(μ,ν)=(infγ∈Π(μ,ν)∫d(x,y)pdγ(x,y))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[∂θi∂θj∂2logp∂θk∂logp]+21−αTijk
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(x∣θ)=exp(∑i=1kθiTi(x)−ψ(θ))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),p−q⟩
性质:
- 非对称:Dϕ(p,q)=Dϕ(q,p)
- 非负:Dϕ(p,q)≥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
受限于 ∫p(x)Ti(x)dx=μi。
解: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
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)
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)dx
性质:
- 平移不变
- 缩放:H[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]
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)=2∫0∞⟨ρ˙(s),(ρ(s)+sH)−1ρ˙(s)(ρ(s)+sH)−1⟩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(ρ∣∣σ)=Tr(ρlogρ−ρlogσ)
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=θt−ηF(θt)−1∇L(θt)
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)=∫e−βH(x)dx
自由能:F(β)=−β1logZ(β)
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。
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推导 ψ 场配置空间的费舍尔信息度量。
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展示量子测量如何实现信息几何投影。
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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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