最大熵原理/最大熵原则/最大熵模型(the maximum entropy principle,MEP)

       最大熵原理是在1957 年由E.T.Jaynes 提出的,其主要思想是,在只掌握关于未知分布的部分知识时,应该选取符合这些知识但熵值最大的概率分布。因为在这种情况下,符合已知知识的概率分布可能不止一个。我们知道,熵定义的实际上是一个随机变量的不确定性,熵最大的时候,说明随机变量最不确定,换句话说,也就是随机变量最随机,对其行为做准确预测最困难。

从这个意义上讲,那么最大熵原理的实质就是,在已知部分知识的前提下,关于未知分布最合理的推断就是符合已知知识最不确定或最随机的推断,这是我们可以作出的唯一不偏不倚的选择,任何其它的选择都意味着我们增加了其它的约束和假设,这些约束和假设根据我们掌握的信息无法作出。

     最大熵方法的特点是在研究的问题中,尽量把问题与信息熵联系起来,再把信息熵最大做为一个有益的假设(原理),用于所研究的问题中。由于这个方法得到的结果或者公式往往(更)符合实际,它就推动这个知识在前进和曼延。

     把最复杂原理与信息论中的最大熵方法联系起来,既是自然的逻辑推论也显示最复杂原理并不孤立。这样,最大熵方法过去取得的一切成就都在帮助人们理解最复杂原理的合理性。而最复杂原理的引入也使人们摆脱对神秘的熵概念和熵原理的敬畏。在理解了最复杂原理来源于概率公理以后,我们终于明白,神秘的熵原理本质上仅是“高概率的事物容易出现”这个再朴素不过的公理的一个推论。

最漂亮的办法是最大熵(maximum entropy)模型,它相当于行星运动的椭圆模型。“最大熵”这个名词听起来很深奥,但是它的原理很简单,我们每天都在用。说白了,就是要保留全部的不确定性,将风险降到最小。让我们来看一个实际例子。
     有一次,我去 AT&T 实验室作关于最大熵模型的报告,我带去了一个色子。我问听众“每个面朝上的概率分别是多少”,所有人都说是等概率,即各点的概率均为1/6。这种猜测当然是对的。我问听众们为什么,得到的回答是一致的:对这个“一无所知”的色子,假定它每一个朝上概率均等是最安全的做法。(你不应该主观假设它象韦小宝的色子一样灌了铅。)从投资的角度看,就是风险最小的做法。从信息论的角度讲,就是保留了最大的不确定性,也就是说让熵达到最大。接着,我又告诉听众,我的这个色子被我特殊处理过,已知四点朝上的概率是三分之一,在这种情况下,每个面朝上的概率是多少?这次,大部分人认为除去四点的概率是 1/3,其余的均是 2/15,也就是说已知的条件(四点概率为 1/3)必须满足,而对其余各点的概率因为仍然无从知道,因此只好认为它们均等。注意,在猜测这两种不同情况下的概率分布时,大家都没有添加任何主观的假设,诸如四点的反面一定是三点等等。(事实上,有的色子四点反面不是三点而是一点。)这种基于直觉的猜测之所以准确,是因为它恰好符合了最大熵原理。
     最大熵原理指出,当我们需要对一个随机事件的概率分布进行预测时,我们的预测应当满足全部已知的条件,而对未知的情况不要做任何主观假设。(不做主观假设这点很重要。)在这种情况下,概率分布最均匀,预测的风险最小。因为这时概率分布的信息熵最大,所以人们称这种模型叫“最大熵模型”。我们常说,不要把所有的鸡蛋放在一个篮子里,其实就是最大熵原理的一个朴素的说法,因为当我们遇到不确定性时,就要保留各种可能性。

本文引自: Google 研究员,吴军

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