科学空间|Scientific Spaces

习题解答继续艰难推进中，目前是0.5版本，相比0.4版，跳过了8、9章，先做了第10、11章统计力学部分的习题。

第10章有10道习题，第11章其实没有习题。看上去很少，但其实每一道习题的难度都很大。这两章的主要内容都是在用路径积分方法算统计力学中的配分函数，这本来就是一个很艰辛的课题。加上费曼在书中那形象的描述，容易让读者能够认识到大概，但是却很难算下去。事实上，这一章的习题，我参考了相当多的资料，中文的、英文的都有，才勉强完成了。

虽说是完成，但10道题目中，我只完成了9道，其中问题10-3是有困惑的，我感觉的结果跟费曼给出的不一样，因此就算不下去了。在这里提出来，希望了解的读者赐教。

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最近在算路径积分的时候，频繁地遇到了以下两种无穷级数：
$$\sum_n \frac{1}{n^2\pm\omega^2}\quad \text{和} \quad \prod_n \left(1\pm\frac{\omega^2}{n^2}\right)$$
当然，直接用Mathematica可以很干脆地算出结果来，但是我还是想知道为什么，至少大概地知道。

伯努利级数

当$\omega=0$的时候，第一个级数变为著名的伯努利级数
$$\sum_n \frac{1}{n^2}=1+\frac{1}{4}+\frac{1}{9}+\frac{1}{16}+\dots$$
既然跟伯努利级数有关，那么很自然想到，从伯努利级数的求和入手。

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在拙作《“熵”不起：从熵、最大熵原理到最大熵模型（一）》中，笔者从比较“专业”的角度引出了熵，并对熵做了诠释。当然，熵作为不确定性的度量，应该具有更通俗、更形象的来源，本文就是试图补充这一部分，并由此给出一些妙用。

熵的形象来源

我们考虑由0-9这十个数字组成的自然数，如果要求小于10000的话，那么很自然有10000个，如果我们说“某个小于10000的自然数”，那么0～9999都有可能出现，那么10000便是这件事的不确定性的一个度量。类似地，考虑$n$个不同元素（可重复使用）组成的长度为$m$的序列，那么这个序列有$n^m$种情况，这时$n^m$也是这件事情的不确定性的度量。

$n^m$是指数形式的，数字可能异常地大，因此我们取了对数，得到$m\log n$，这也可以作为不确定性的度量，它跟我们原来熵的定义是一致的。因为
$$m\log n=-\sum_{i=1}^{n^m} \frac{1}{n^m}\log \frac{1}{n^m}$$

读者可能会疑惑，$n^m$和$m\log n$都算是不确定性的度量，那么究竟是什么原因决定了我们用$m\log n$而不是用$n^m$呢？答案是可加性。取对数后的度量具有可加性，方便我们运算。当然，可加性只是便利的要求，并不是必然的。如果使用$n^m$形式，那么就相应地具有可乘性。

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如果一直关注科学空间的朋友会发现，笔者一直对极值原理有偏爱。比如，之前曾经写过一系列《自然极值》的文章，介绍一些极值问题和变分法；在物理学中，笔者偏爱最小作用量原理的形式；在数据挖掘中，笔者也因此对基于最大熵原理的最大熵模型有浓厚的兴趣；最近，在做《量子力学与路径积分》的习题中，笔者也对第十一章所说的变分原理产生了很大的兴趣。

对于一样新东西，笔者的学习方法是以一个尽可能简单的例子搞清楚它的原理和思想，然后再逐步复杂化，这样子我就不至于迷失了。对于变分原理，它是估算路径积分的一个很强大的方法，路径积分是泛函积分，或者说，无穷维积分，那么很自然想到，对于有限维的积分估计，比如最简单的一维积分，有没有类似的估算原理呢？事实上是有的，它并不复杂，弄懂它有助于了解变分原理的核心思想。很遗憾，我并没有找到已有的资料描述这个简化版的原理，可能跟我找的资料比较少有关。

从高斯型积分出发

变分原理本质上是Jensen不等式的应用。我们从下述积分出发
$$\begin{equation}\label{jifen}I(\epsilon)=\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2-\epsilon x^4}dx\end{equation}$$

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上集回顾

在上一篇文章中，笔者分享了自己对最大熵原理的认识，包括最大熵原理的意义、最大熵原理的求解以及一些简单而常见的最大熵原理的应用。在上一篇的文末，我们还通过最大熵原理得到了正态分布，以此来说明最大熵原理的深刻内涵和广泛意义。

本文中，笔者将介绍基于最大熵原理的模型——最大熵模型。本文以有监督的分类问题来介绍最大熵模型，所谓有监督，就是基于已经标签好的数据进行的。

事实上，第二篇文章的最大熵原理才是主要的，最大熵模型，实质上只是最大熵原理的一个延伸，或者说应用。

最大熵模型

分类：意味着什么？

在引入最大熵模型之前，我们先来多扯一点东西，谈谈分类问题意味着什么。假设我们有一批标签好的数据：
$$\begin{array}{c|cccccccc}
\hline
\text{数据}x & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & \dots & 100 \\
\hline
\text{标签}y & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & \dots & 0\\
\hline \end{array}$$

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上集回顾

在第一篇中，笔者介绍了“熵”这个概念，以及它的一些来龙去脉。熵的公式为
$$S=-\sum_x p(x)\log p(x)\tag{1}$$
或
$$S=-\int p(x)\log p(x) dx\tag{2}$$
并且在第一篇中，我们知道熵既代表了不确定性，又代表了信息量，事实上它们是同一个概念。

说完了熵这个概念，接下来要说的是“最大熵原理”。最大熵原理告诉我们，当我们想要得到一个随机事件的概率分布时，如果没有足够的信息能够完全确定这个概率分布（可能是不能确定什么分布，也可能是知道分布的类型，但是还有若干个参数没确定），那么最为“保险”的方案是选择使得熵最大的分布。

最大熵原理

承认我们的无知

很多文章在介绍最大熵原理的时候，会引用一句著名的句子——“不要把鸡蛋放在同一个篮子里”——来通俗地解释这个原理。然而，笔者窃以为这句话并没有抓住要点，并不能很好地体现最大熵原理的要义。笔者认为，对最大熵原理更恰当的解释是：承认我们的无知！

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熵的概念

作为一名物理爱好者，我一直对统计力学中“熵”这个概念感到神秘和好奇。因此，当我接触数据科学的时候，我也对最大熵模型产生了浓厚的兴趣。

熵是什么？在通俗的介绍中，熵一般有两种解释：（1）熵是不确定性的度量；（2）熵是信息的度量。看上去说的不是一回事，其实它们说的就是同一个意思。首先，熵是不确定性的度量，它衡量着我们对某个事物的“无知程度”。熵为什么又是信息的度量呢？既然熵代表了我们对事物的无知，那么当我们从“无知”到“完全认识”这个过程中，就会获得一定的信息量，我们开始越无知，那么到达“完全认识”时，获得的信息量就越大，因此，作为不确定性的度量的熵，也可以看作是信息的度量，说准确点，是我们能从中获得的最大的信息量。

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————怀念我曾经参加过的小学数学竞赛。

从一道小学竞赛题谈起

笔者小学五年级时参加了第一次数学竞赛，叫“育苗杯”，大多数题目都记不清楚了，唯一记得很清楚的是如下这道题目（不完全相同，意思类似）：

假设汽水一块钱一瓶，而且4个空瓶子可以换一瓶汽水喝。如果我有30块钱，我最多可以喝到多少瓶汽水？

来瓶汽水吧

当然，这道题并不困难，30块钱能买30瓶汽水，然后留下30个空瓶子，这30个空瓶子可以换来7瓶汽水，剩下2个空瓶子；喝完汽水后，剩下9个空瓶子，可以换来2瓶汽水，剩下1个空瓶子；喝完汽水后，剩下3个空瓶子。算算看，这时候我们已经喝了30+7+2=39瓶汽水了。（不考虑撑着啊，也可以分给别人喝^_^）整个过程如下表：
$$\begin{array}{c|cccc}
\hline
\text{空瓶子数} & 30 & 2+7 & 1+2 & ? \\
\hline
\text{已喝汽水数} & 30 & 7 & 2 & ? \\
\hline \end{array}$$

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