導(dǎo)語

無論是氣候變化、流行病傳播、金融市場波動(dòng)，還是大腦的認(rèn)知功能，這些系統(tǒng)都由大量組件構(gòu)成，組件間存在多樣且動(dòng)態(tài)的互動(dòng)，因?yàn)檫@些非平凡的互動(dòng)具有如非線性、涌現(xiàn)、自適應(yīng)和路徑依賴等特征，導(dǎo)致其集體行為往往難以通過還原論預(yù)測(cè)。面對(duì)這些錯(cuò)綜復(fù)雜的涌現(xiàn)現(xiàn)象，科學(xué)家們迫切需要一套強(qiáng)大而普適的數(shù)學(xué)語言來對(duì)其進(jìn)行描述、量化和理解。

起源于通信的信息論，因其能跨領(lǐng)域量化組件之間，系統(tǒng)與環(huán)境，整體與部分的互動(dòng)，正逐漸成為復(fù)雜系統(tǒng)研究領(lǐng)域工具箱中不可或缺的一環(huán)。本文旨在對(duì)Thomas F. Varley于2025年12月8日發(fā)表在《Physics Reports》上的這篇重要綜述進(jìn)行深入解讀，系統(tǒng)闡述信息理論為何以及如何成為復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的基石，并詳解其核心概念、進(jìn)階工具與實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：信息論、熵、互信息、傳遞熵、整合信息（Φ）、部分信息分解（PID / PED）、O-信息 / Φ?、多尺度動(dòng)力學(xué)

來源：集智俱樂部

作者： 郭瑞東

審校： 陶如意

文章題目：Information theory for complex systems scientists: What, why, and how 文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037015732500256X 發(fā)表時(shí)間：2025年12月8日 文章來源：Physics Reports

一、 信息理論的基石：核心概念與直覺構(gòu)建

該文先詳細(xì)講解了信息理論的幾個(gè)核心度量指標(biāo)，從最基礎(chǔ)的概念無疑是熵。據(jù)說香農(nóng)在提出信息論之后，找到馮諾依曼，詢問他應(yīng)該如何稱呼新的不確定度量。

馮·諾依曼回答：“ 你應(yīng)該稱之為熵，因?yàn)闆]人真正知道熵是什么，這樣你在辯論中總是占上風(fēng)?！?/blockquote>

這個(gè)故事凸顯了一個(gè)現(xiàn)實(shí)：盡管香農(nóng)提及熵時(shí)最初的關(guān)注點(diǎn)狹隘，他所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)卻異常籠統(tǒng)，容易產(chǎn)生多種解讀。

1.1 熵：不確定性的量化

想象一個(gè)天氣預(yù)報(bào)。如果某地一年365天都是晴天，那么你對(duì)“明天天氣”的不確定性為零，熵也為零。如果天氣晴雨各半，你的不確定性最大，熵也最高。因此，熵衡量的是在得知具體結(jié)果之前，我們對(duì)一個(gè)隨機(jī)變量取值的“驚訝”程度的期望值。

圖1：信息熵示意圖，不同盒子中對(duì)應(yīng)概率不同，對(duì)應(yīng)的熵不同

對(duì)于一個(gè)離散隨機(jī)變量X，其香農(nóng)熵H(X)的數(shù)學(xué)定義為H(X) = -Σp(x)logp(x)。其中p(x)是X取值為x的概率。對(duì)數(shù)底數(shù)通常為2，此時(shí)熵的單位是比特。

在神經(jīng)科學(xué)中，一個(gè)神經(jīng)元的放電序列的熵可以衡量其響應(yīng)的可變性；在生態(tài)學(xué)中，一個(gè)物種分布模式的熵可以反映其空間分布的不確定性；在金融學(xué)中，一只股票價(jià)格的熵可以表征其波動(dòng)性。

1.2 聯(lián)合熵與條件熵

聯(lián)合熵H(X,Y)衡量兩個(gè)隨機(jī)變量X和Y聯(lián)合分布的不確定性。它總是大于等于單個(gè)變量的熵，但小于等于二者熵之和。條件熵H(Y|X)：表示在已知隨機(jī)變量X取值的情況下，對(duì)隨機(jī)變量Y仍存在的不確定性。如果X和Y完全獨(dú)立，則H(Y|X) = H(Y)；如果Y完全由X決定，則H(Y|X) = 0。

H(X,Y) = H(X) + H(Y|X)。這直觀地表明，X和Y的總不確定性，等于X自身的不確定性，加上已知X后Y剩余的不確定性。

1.3 互信息：依賴關(guān)系的純粹度量

互信息I(X;Y)是信息理論皇冠上的明珠。它衡量的是，通過觀察一個(gè)變量，我們能獲得關(guān)于另一個(gè)變量的平均信息量?；蛘哒f，它量化了X和Y之間的統(tǒng)計(jì)依賴性，其范圍從0（完全獨(dú)立）到min(H(X), H(Y))（完全依賴）。

I(X;Y) = H(X) + H(Y) - H(X,Y)。

變量X和Y之間的互信息等于X和Y各自不確定性的和，減去它們的聯(lián)合不確定性。那部分被“抵消”掉的不確定性，正是由X和Y共享的信息。

相比常用的只能捕捉變量之間線性關(guān)系的皮爾森相關(guān)系數(shù)，互信息能捕捉任何形式的統(tǒng)計(jì)依賴，包括非線性的、非單調(diào)的關(guān)系。例如，Y = X2的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可能為0，但互信息值會(huì)很高。在腦網(wǎng)絡(luò)中，可以用互信息來連接兩個(gè)腦區(qū)，表示它們活動(dòng)的同步性；在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，可以連接兩個(gè)基因，表示其表達(dá)水平的協(xié)同變化。

圖2：互信息的拆解示意圖

1.4 相對(duì)熵 （Kullback-Leibler散度）

相對(duì)熵衡量兩個(gè)概率分布p和q之間的“距離”（嚴(yán)格來說不是距離，因?yàn)樗粚?duì)稱）。D_KL(p || q)量化了當(dāng)真實(shí)分布為p時(shí)，用分布q來近似所造成的信息損失。而互信息I(X;Y) = D_KL( p(x,y) || p(x)p(y) )。

從上式可看出，互信息衡量的是X和Y的聯(lián)合分布p(x,y)與它們假設(shè)獨(dú)立時(shí)的分布p(x)p(y)之間的“差異”。差異越大，說明它們?cè)讲华?dú)立，共享信息越多。

例如兩個(gè)獨(dú)立事件分別是投一個(gè)正常的骰子和有偏的骰子， 投五次時(shí)，兩個(gè)事件中的相對(duì)熵如下的動(dòng)圖所示

圖3：投一個(gè)正常的骰子和有偏的骰子五次的相對(duì)熵變化

基礎(chǔ)的信息度量（如互信息）如同給我們一張復(fù)雜系統(tǒng)的靜態(tài)照片，我們能看出哪些節(jié)點(diǎn)之間有連接，但無法知曉信息是如何在這些連接中流動(dòng)的，也無法理解這些連接背后的深層結(jié)構(gòu)。接下來要介紹的指標(biāo)，會(huì)將這張靜態(tài)照片升級(jí)為一部動(dòng)態(tài)的、可解構(gòu)的4D電影。

二、信息論如何直接描摹復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征

復(fù)雜系統(tǒng)中，信息的傳遞是動(dòng)態(tài)的、隨時(shí)間演化的。信息動(dòng)力學(xué)旨在量化信息在系統(tǒng)內(nèi)部及與環(huán)境之間的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳遞和修改。這其中涉及的使用信息論的指標(biāo)或例如包括

2.1 傳遞熵 (transfer entropy)

傳遞熵由Thomas Schreiber提出，是互信息在時(shí)間序列上的推廣。它衡量是，在已知Y自身過去歷史的情況下，X的過去歷史能為預(yù)測(cè)Y的當(dāng)前狀態(tài)提供多少額外信息，即定向信息流。例如，在神經(jīng)科學(xué)中，傳遞熵可用于判斷是腦區(qū)A的活動(dòng)影響了腦區(qū)B，還是反之，從而推斷出因果關(guān)系的方向，這強(qiáng)于格蘭杰因果只是進(jìn)行非方向的因果量化。

圖4：構(gòu)造一個(gè)簡單因果系統(tǒng)：Yt=Xt?2⊕Noise，Yt=Xt?2⊕Noise （X 以 2 步延遲影響 Y）X到Y(jié)的轉(zhuǎn)移熵是正的，說明是X影響Y

2.2 主動(dòng)信息存儲(chǔ)

主動(dòng)信息存儲(chǔ)（AIS）衡量一個(gè)系統(tǒng)組成部分的過去歷史中，有多少信息與其當(dāng)前狀態(tài)相關(guān)。這量化了系統(tǒng)內(nèi)部記憶或信息存儲(chǔ)的能力。一個(gè)具有高主動(dòng)信息存儲(chǔ)的單元，其行為在很大程度上由其自身的歷史決定。

應(yīng)用AIS分析混沌時(shí)間序列：雖然混沌系統(tǒng)是確定性的，但由于其對(duì)初始條件的極端敏感性（蝴蝶效應(yīng)），其短期歷史對(duì)預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)非常有價(jià)值，但長期歷史的預(yù)測(cè)價(jià)值會(huì)迅速衰減。因此，當(dāng)我們?cè)O(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)倪^去窗口長度（例如，10個(gè)時(shí)間步）時(shí)，計(jì)算出的AIS會(huì)是一個(gè)中等偏高的值。這表明系統(tǒng)在短期內(nèi)是有“記憶”的。

在金融市場中，常見的有效市場假說認(rèn)為，股價(jià)的歷史信息不能預(yù)測(cè)未來收益，即收益率序列接近隨機(jī)游走。如果計(jì)算出的AIS值會(huì)非常低，接近零。這意味著資產(chǎn)的過去價(jià)格對(duì)其當(dāng)前價(jià)格幾乎沒有提供額外的信息，支持了“市場無記憶”的觀點(diǎn)。反之，如果發(fā)現(xiàn)某只股票的AIS值持續(xù)較高，則可能意味著存在可預(yù)測(cè)的模式，違背了有效市場假說。

圖5：滿足與不滿足有效市場假說的場景下，對(duì)應(yīng)的主動(dòng)信息存儲(chǔ)值不同

2.3 整合信息論

整合信息論由神經(jīng)科學(xué)家Giulio Tononi提出，試圖度量意識(shí)。其核心思想是，一個(gè)系統(tǒng)是否具有“意識(shí)”程度取決于其各個(gè)部分整合信息的程度，如整個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的信息大于其各部分信息之和的程度，該系統(tǒng)具備意識(shí)?？紤]一個(gè)由百萬個(gè)光電管組成的都高分辨率數(shù)碼相機(jī)。每個(gè)像素都能高保真地記錄光信息，整個(gè)傳感器接收的信息量巨大（高互信息）。但是，如果你將傳感器切割成兩半，每一半仍然能很好地工作。傳感器各部分之間幾乎沒有因果相互作用（一個(gè)像素的狀態(tài)不影響相鄰像素）。因此，這個(gè)系統(tǒng)的整合信息Φ非常低，故而照相機(jī)不可能有意識(shí)體驗(yàn)。

而大腦的不同區(qū)域以極其復(fù)雜的方式相互作用。視覺皮層接收的信息需要與記憶、情感、語言等區(qū)域進(jìn)行整合，才能形成“看到一朵紅玫瑰”這樣統(tǒng)一、不可分割的體驗(yàn)。如果因?yàn)榧膊?dǎo)致大腦不同區(qū)域的聯(lián)系減弱（裂腦癥），這種統(tǒng)一的體驗(yàn)就消失了。因此，大腦作為一個(gè)整體的信息遠(yuǎn)超其部分信息之和，其整合信息Φ被認(rèn)為非常高。整合信息論由此將Φ與意識(shí)的程度直接聯(lián)系起來。

對(duì)于整合信息論，最大的問題在于Φ的計(jì)算在實(shí)踐上對(duì)于像大腦這樣的系統(tǒng)是極其困難的，因此對(duì)該理論，學(xué)界存在著巨大的爭議。

圖6：對(duì)比照相機(jī)和大腦在視覺處理上的信息整合程度

2.4 統(tǒng)計(jì)復(fù)雜性與因果態(tài)

通過分析時(shí)間序列的歷史數(shù)據(jù)，將能預(yù)測(cè)相同未來狀態(tài)的所有歷史歸入同一個(gè)“因果態(tài)”。這是一種對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的最優(yōu)壓縮表示。統(tǒng)計(jì)復(fù)雜性是這些因果態(tài)分布的熵。統(tǒng)計(jì)復(fù)雜性的多少，衡量了為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來，系統(tǒng)必須記住多少關(guān)于過去的信息。

該指標(biāo)衡量的是系統(tǒng)為了生成觀測(cè)到的時(shí)間序列，所需要記住的關(guān)于其過去的最小信息量。一個(gè)具有中等統(tǒng)計(jì)復(fù)雜性的系統(tǒng)，通常具有豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)模式。

想象你觀測(cè)一只螢火蟲的閃光序列：亮、暗、亮、亮、暗……初看隨機(jī)，但若某些“歷史模式”（如“亮-暗”）總是預(yù)測(cè)下一刻“亮”，而另一些（如“暗-暗”）總導(dǎo)向“暗”，那么這些歷史就應(yīng)被歸為兩類——它們雖細(xì)節(jié)不同，卻對(duì)未來有相同的預(yù)測(cè)效力。

這些具有預(yù)測(cè)效力的歷史，可視為因果態(tài)（causal state）：即所有能生成相同未來?xiàng)l件分布的歷史，被等價(jià)歸并為一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)。而由這些因果態(tài)構(gòu)成的最小、最簡、最優(yōu)預(yù)測(cè)器被稱為?-機(jī)器（epsilon-machine）。而無論是統(tǒng)計(jì)復(fù)雜性的最優(yōu)壓縮，還是?-機(jī)器的內(nèi)在狀態(tài)結(jié)構(gòu)的不可約性，這兩個(gè)概念說明了復(fù)雜系統(tǒng)之所以復(fù)雜，在于其內(nèi)在狀態(tài)結(jié)構(gòu)的不可約性。

圖7：因果態(tài)示意圖：生成一段二元時(shí)間序列；用滑動(dòng)窗口劃分歷史，對(duì)每個(gè)歷史計(jì)算其未來?xiàng)l件分布 ；將具有相同未來分布的歷史歸為同一因果態(tài)節(jié)點(diǎn)；繪制 ?-機(jī)器：因果態(tài)為節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)移概率為邊，突出其為最小最優(yōu)預(yù)測(cè)器

三、信息分解：解開信息的協(xié)同與冗余

傳統(tǒng)互信息I(X;Y)告訴了我們X和Y共享了多少信息。但如果考慮第三個(gè)變量S（例如，一個(gè)環(huán)境刺激或一個(gè)共同驅(qū)動(dòng)因素），問題就變得復(fù)雜了：X和Y所共享的信息，有多少是冗余的（例如，都反映了S的信息）？有多少是協(xié)同的（例如，只有當(dāng)X和Y同時(shí)被觀測(cè)時(shí)，才能獲得關(guān)于S的獨(dú)特信息）？

部分信息分解（PID partial information decomposition）旨在將I(S; X,Y)由X和Y決定的關(guān)于目標(biāo)S的總信息分解為四個(gè)部分：

1 冗余信息（Redundancy）：由X和Y各自單獨(dú)提供的、關(guān)于S的相同信息。

2 特有信息（Unique）：僅由X提供的關(guān)于S的信息。

3 特有信息（Unique）：僅由Y提供的關(guān)于S的信息。

4 協(xié)同信息（Synergy）：只有當(dāng)X和Y被同時(shí)考慮時(shí)，才能提供的關(guān)于S的信息。

I(X1,X2;Y)= Red(X1,X2→Y)+X? Unq(X1→Y∣X2)+X? Unq(X2→Y∣X1)+ Syn( X1,X2→Y)

當(dāng)源數(shù) N>2，部分信息分解迅速復(fù)雜化。Williams & Beer 引入冗余格（Redundancy Lattice）——一個(gè)偏序集，枚舉所有信息分配的可能“原子”。

圖8：兩種最簡單系統(tǒng)的冗余晶格示例。 左： 兩個(gè)源 的冗余晶格，并與單一靶點(diǎn)產(chǎn)生突觸。右： 三個(gè)源的冗余晶格在單一靶點(diǎn)產(chǎn)生突觸。三元格點(diǎn)清楚地表明，隨著源數(shù)量的增加，隨著更復(fù)雜的來源組合貢獻(xiàn)關(guān)于目標(biāo)的信息，“冗余”、“特有信息”和“協(xié)同”之間的清晰界限會(huì)逐漸消失。在動(dòng)態(tài)過程的背景下，協(xié)同效應(yīng)可以被看作是兩股信息流在單一元素 上相互作用產(chǎn)生的“新穎”信息

在神經(jīng)科學(xué)中，使用PID可以研究一組神經(jīng)元是如何冗余地編碼一個(gè)刺激以提高魯棒性，又是如何協(xié)同地編碼更復(fù)雜的特征。這有助于理解神經(jīng)群體編碼的原理。

PID還為從數(shù)據(jù)中重建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)推斷提供了工具，通過計(jì)算所有可能變量對(duì)之間的互信息或傳遞熵，可以構(gòu)建一個(gè)加權(quán)的、完全連通的圖。然后通過適當(dāng)?shù)拈撝祷蚪y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（如置換檢驗(yàn)），可以推斷出網(wǎng)絡(luò)中哪些連接是顯著的。該方法能夠發(fā)現(xiàn)非線性相互作用，且對(duì)數(shù)據(jù)的分布假設(shè)要求較低。

PED（Partial Entropy Decomposition） 是 PID 的自然推廣，不同于 PID 對(duì)互信息 I(X1,…,XN;Y) 的分解（需指定“sources”與“target”），PED 直接分解聯(lián)合熵H(X1,…,XN)，無需區(qū)分輸入與輸出

圖9：兩輸入 X1,X2； 輸出 Y=X1⊕X2（XOR 異或） ，PID 累積的收斂過程及同步顯示 PED 視角

四、從成對(duì)關(guān)系到信息網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜系統(tǒng)建模的通用語言：從腦網(wǎng)絡(luò)、金融系統(tǒng)、生態(tài)食物網(wǎng)到社交網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)化建模幾乎都依賴網(wǎng)絡(luò)表示。網(wǎng)絡(luò)可按構(gòu)建方法分為兩類，第一類物理網(wǎng)絡(luò)（如航空網(wǎng)、白質(zhì)纖維束），其中邊對(duì)應(yīng)真實(shí)物理連接，結(jié)構(gòu)可直接觀測(cè)；另一類統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中的邊對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)依賴性，需從數(shù)據(jù)推斷，可使用信息論中的互信息等度量刻畫變量間不確定性的變化。

統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)又可按是否包含方向，分為兩類，一是功能鏈接Functional Connectivity (FC) 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由無向圖構(gòu)成，邊權(quán)重為變量間的互信息，刻畫瞬時(shí)共變，例如fMRI 腦功能網(wǎng)絡(luò)、基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)、金融相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)；二是有效連接Effective Connectivity (EC) 網(wǎng)絡(luò)，由有向圖構(gòu)成，邊權(quán)重為變量之間的轉(zhuǎn)移熵，刻畫事件X對(duì)事件Y在排除Y自身記憶下，對(duì)預(yù)測(cè)Y的增量預(yù)測(cè)能力。

而當(dāng)系統(tǒng)中存在當(dāng)協(xié)同/冗余時(shí)，常規(guī)的基于成對(duì)相互關(guān)系構(gòu)建的二元網(wǎng)絡(luò)（bivariate network）將無法描述，此時(shí)需引入三元協(xié)同超邊（hyperedge）的超圖 (hypergraph) 或單純流形（Simplicial Complexes）。

五、用信息論刻畫復(fù)雜系統(tǒng)的整合與分離

復(fù)雜系統(tǒng)的核心特征在于其可“整合”或“分離”。整合指的是系統(tǒng)所有元素相互作用并相互影響的動(dòng)態(tài)過程，而分離則指的是系統(tǒng)部分元素參與自身進(jìn)程，且這些進(jìn)程不與其他元素共享的動(dòng)力學(xué)特征。以大腦為例：已知特定腦區(qū)參與某些過程而不參與其他過程（不同區(qū)域的功能性是分離的），然而同時(shí)，大腦整合程度足夠高，以至于所有不同的局部過程可以整合為一個(gè)統(tǒng)一的、具有單一意識(shí)的生物體。有研究假設(shè)這種整合與分離的平衡對(duì)于健康的大腦功能至關(guān)重要。

類似地，在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，成功的公司維持著健康的分離平衡（各分支部門各自負(fù)責(zé)其使命），同時(shí)所有工作都由中央執(zhí)行辦公室進(jìn)行監(jiān)督和廣泛指導(dǎo)。 在全球政治中，各個(gè)國家的內(nèi)部動(dòng)態(tài)被國家邊界、語言和文化所隔離開來，而國家之間的整合則表現(xiàn)為條約、貿(mào)易和歷史糾葛。

這種整合與分離的混合本質(zhì)上是一種多尺度現(xiàn)象，不同尺度往往表現(xiàn)出不同的偏向?？紤]一個(gè)模塊化網(wǎng)絡(luò)：在每個(gè)模塊內(nèi)部，存在高度整合，但每個(gè)模塊可能僅與其他模塊稀疏連接，表明系統(tǒng)范圍內(nèi)的更高尺度分離。據(jù)此，可采用上述的信息論度量，來衡量復(fù)雜系統(tǒng)中的整合與分離平衡程度。

例如，1994 年，Tononi、Sporns 與 Edelman 提出 TSE-復(fù)雜性（Tononi-Sporns-Edelman Complexity），通過遍歷所有可能的子系統(tǒng)劃分，檢測(cè)“部分”與“剩余”之間的互信息分布。若系統(tǒng)全分離（如獨(dú)立高斯變量），則TSE等于0；若系統(tǒng)全整合（如同步振子）， 小子系統(tǒng)與剩余高度相關(guān)，但大子系統(tǒng)因冗余導(dǎo)致互信息增長緩慢，那么 TSE 仍低；而具有中等特征的系統(tǒng)，如模塊化網(wǎng)絡(luò)（模塊內(nèi)高整合、模塊間弱連接），互信息隨子系統(tǒng)大小非線性上升，TSE 達(dá)峰值，表明系統(tǒng)能夠在需要時(shí)整合或分離。

此時(shí)可視為系統(tǒng)處于復(fù)雜度最高的臨界態(tài)，系統(tǒng)既非僵化（全整合），也非混亂（全分離），而是處于信息處理能力最強(qiáng)的混沌邊緣。由于TSE的計(jì)算需枚舉所有子集，對(duì)包含組件數(shù)大于20的系統(tǒng)幾乎不可行。實(shí)踐中常用近似指標(biāo)描述復(fù)雜性（Description Complexity）來替代。

TSE 告訴我們“有多復(fù)雜”，卻未揭示“復(fù)雜在何處”。Rosas 等人提出的 O-信息（Ω）與 S-信息（Σ）則進(jìn)一步分解復(fù)雜性的成分。Ω > 0，則系統(tǒng)以冗余主導(dǎo) ， 信息存有多份備份（如基因組重復(fù)、工程冗余設(shè)計(jì)），對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)健性高，適應(yīng)性低；Ω < 0，則系統(tǒng)以協(xié)同主導(dǎo) ，信息僅存于全局模式中（如神經(jīng)群體編碼），對(duì)應(yīng)系統(tǒng)靈活性高，脆弱性高；S信息Σ則反映總依賴密度，高 Σ 表示節(jié)點(diǎn)深度嵌入網(wǎng)絡(luò)（如樞紐腦區(qū)）。

O信息的計(jì)算，可針對(duì)局部網(wǎng)絡(luò)，據(jù)此可預(yù)測(cè)何時(shí)腦狀態(tài)高度冗余（如穩(wěn)態(tài)睡眠）？何時(shí)突發(fā)協(xié)同（如頓悟時(shí)刻）？而無論是O信息還是局部O信息，上述度量均基于多元互信息的加減法，這意味著它們不是動(dòng)態(tài)的：它們作用于靜態(tài)概率分布。

Balduzzi和Tononi提出的集成信息度量（ measure of integrated information ）Whole-minus-sum complexity試圖用一種基于動(dòng)力學(xué)時(shí)間演化的整合性度量，旨在捕捉系統(tǒng)“整體大于部分之和”的不可還原性信息結(jié)構(gòu)。集成信息度量將過去作為一個(gè)整體，考察對(duì)未來產(chǎn)生不可分解的預(yù)測(cè)力。若該值大于零，說明只有聯(lián)合考慮所有部分的過去，才能最優(yōu)預(yù)測(cè)整體未來；存在不可約的跨變量協(xié)同演化。

ΦR通過從ΦID（整合信息分解）剔除純?nèi)哂囗?xiàng)，用以衡量系統(tǒng)是否真正作為一個(gè)統(tǒng)一體計(jì)算。實(shí)驗(yàn)證明蜂群決策時(shí) Φ? 升高；癲癇發(fā)作（全腦同步）時(shí) Φ? 反而下降；細(xì)胞自動(dòng)機(jī) Rule 110（圖靈完備）的 Φ? 顯著高于 Rule 30（混沌）或 Rule 90（線性）。由于ΦR是系統(tǒng)“因果不可還原性”的量化指標(biāo)，可對(duì)應(yīng)弱整合信息理論（weak IIT），即若一個(gè)系統(tǒng)聲稱“統(tǒng)一地計(jì)算”，這ΦR需大于0.這不直接等于該系統(tǒng)具有意識(shí)，但刻畫了“系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一體進(jìn)行信息處理”的程度，可作為人工系統(tǒng)（如 LLM、機(jī)器人）是否具備“統(tǒng)一認(rèn)知架構(gòu)”的可操作檢驗(yàn)。

對(duì)于包含多個(gè)組件的系統(tǒng)，無法直接計(jì)算ΦR，可通過最小信息分割（Minimum Information Bipartition, MIB），遍歷所有二分劃分。對(duì)每個(gè)劃分計(jì)算ΦR再取最小值。該值反映系統(tǒng)最脆弱的整合環(huán)節(jié)，是整體整合能力的下界。

六、使用信息論的實(shí)際困難

在論述了信息論在復(fù)雜系統(tǒng)中的種種應(yīng)用后，該文接下來指出實(shí)際應(yīng)用時(shí)需從有限數(shù)據(jù)中估計(jì)概率分布與信息量。估計(jì)偏差不僅影響數(shù)值精度，更會(huì)系統(tǒng)性扭曲高階結(jié)構(gòu)推斷。

離散情況下的插件估計(jì)（plug-in）存在系統(tǒng)偏倚，會(huì)導(dǎo)致熵被低估，而互信息被高估；對(duì)此的應(yīng)對(duì)方法是Miller–Madow 校正、置換 null 模型、貝葉斯估計(jì)器。連續(xù)數(shù)據(jù)更復(fù)雜，主流方法三類：粗?；–oarse-graining）的直方圖分箱：易用但 bias/信息損失嚴(yán)重，已不推薦；點(diǎn)過程（Point process）僅保留顯著事件（如 fMRI 極值），需閾值選擇；序數(shù)嵌入（Ordinal partition）：將時(shí)間序列映射為排列模式，保留時(shí)序結(jié)構(gòu)（如 permutation entropy）。

在連續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算信息論估計(jì)量時(shí)，參數(shù)法（Gaussian estimators）僅捕獲線性依賴，丟失非線性協(xié)同/冗余。非參數(shù)密度法（KNN-based）Kozachenko–Leonenko（熵）、Kraskov–St?gbauer–Grassberger (KSG)（互信息）等基于 k-近鄰距離，無需假設(shè)分布，支持局部信息量估計(jì)；可擴(kuò)展至條件互信息、PID 局部項(xiàng)。

原文的第八部分是用于計(jì)算的四個(gè)常用開源包，例如DIT，可用于PID的高階信息分解。由于篇幅原因，這里不展開介紹。第九部分討論信息論應(yīng)用面臨的局限，主要是信息論衡量的有向指標(biāo)不代表因果關(guān)系，而依賴先驗(yàn)知識(shí)提供的因果圖假設(shè)，多個(gè)不同因果圖可產(chǎn)生相同信息結(jié)構(gòu)。

此外，使用信息論研究復(fù)雜系統(tǒng)，還需要注意語言隱喻（“信息流”“存儲(chǔ)”）易被誤讀為物理實(shí)體，而事實(shí)上信息論是關(guān)于不確定性中推理的數(shù)學(xué)，它描述的是我們?nèi)绾螠p少不確定性，而非世界自身的屬性。信息總是相對(duì)于觀察者模型（observer-dependent），無絕對(duì)“系統(tǒng)自身的信息”。

七、未來方向與總結(jié)

在包含數(shù)千個(gè)特征和數(shù)千萬個(gè)樣本的大數(shù)據(jù)時(shí)代，需要新的方法來學(xué)習(xí)元素組之間的信息依賴關(guān)系。除了規(guī)模巨大之外，現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)集還可能包含離散和連續(xù)特征的混合，這進(jìn)一步增加了互信息估計(jì)的復(fù)雜性，并且通常不能假設(shè)其遵循給定的參數(shù)分布。神經(jīng)信息估計(jì)器使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計(jì)上述的信息論指標(biāo)，代表了一種在復(fù)雜性科學(xué)中尚未得到充分探索的新方法。其中最著名的是 MINE (Mutual Information Neural Estimation)。

在機(jī)器學(xué)習(xí)中，信息論提供了一套實(shí)用工具，用于實(shí)現(xiàn)另一個(gè)目標(biāo)（學(xué)習(xí)的高效算法）。相比之下，在復(fù)雜系統(tǒng)中，信息論度量是描述某些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述性統(tǒng)計(jì)量，并且本身可以是一個(gè)最終目標(biāo)。用 Φ?、O-信息等引導(dǎo)進(jìn)化算法（如機(jī)器人行為涌現(xiàn)），即通過信息量作為目標(biāo)函數(shù)也是復(fù)雜系統(tǒng)與信息論結(jié)合的未來研究方向。

總結(jié)來看，從香農(nóng)熵到 ΦID/PED，信息理論提供了統(tǒng)一語言，刻畫從預(yù)測(cè)、整合到涌現(xiàn)的多尺度過程，最終理解復(fù)雜系統(tǒng)如何在不確定性中進(jìn)行推理的動(dòng)力學(xué)。通過信息論，我們能夠知道系統(tǒng)的哪部分在記憶，哪些信息是共享的、獨(dú)有的、還是協(xié)同涌現(xiàn)的，整體是否真的大于部分之和。信息論提供的不同度量是理解復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的自然工具，這些系統(tǒng)可能富含高階冗余、協(xié)同作用和計(jì)算過程，這些特征的外在表現(xiàn)為不同尺度上的不確定性降低。

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