科学空间|Scientific Spaces

终于开始谈到重点了，就是这部分内容促使我学习外微分的。用外微分可以方便地推导微分几何的一些内容，有时候还能方便计算。其主要根源在于：外微分本身在形式上是微分的推广，因此微分几何的东西能够使用外微分来描述并不出奇；然后，最重要的原因是，外微分把$dx^{\mu}$看成一组基，因此相当于在几何中引入了两组基，一组是本身的向量基（用张量的语言，就是逆变向量的基），这组基可以做对称的内积，另外一组基就是$dx^{\mu}$，这组基可以做反对称的外积。因此，当外微分引入几何时，微分几何就拥有了微分、积分、对称积、反对称积等各种“理想装备”，这就是外微分能够加速微分几何推导的主要原因。

标架的运动

前面已经得到
$$\begin{aligned}&\omega^{\mu}=h_{\alpha}^{\mu}dx^{\alpha}\\
&d\boldsymbol{r}=\hat{\boldsymbol{e}}_{\mu} \omega^{\mu}\\
&ds^2 = \eta_{\mu\nu} \omega^{\mu}\omega^{\nu}\\
&\langle \hat{\boldsymbol{e}}_{\mu}, \hat{\boldsymbol{e}}_{\nu}\rangle = \eta_{\mu\nu}\end{aligned} \tag{45} $$

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对于前面所述的外微分，包括后面还略微涉及到的微分形式的积分，都是纯粹代数定义的内容，本身不具有任何的几何意义。但是，我们可以将某些公式或者定义，与一些几何内容对应起来，使我们更深刻地理解它，并且更灵活运用它。但是，它仅仅是一种对应，而且取决于我们的诠释。比如，我们说外微分公式
$$\int_{\partial D} Pdx+Qdy = \int_{D} \left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)dx\land dy \tag{32} $$
对应于格林公式
$$\int_{\partial D} Pdx+Qdy = \int_{D} \left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)dxdy \tag{33} $$
。这是没问题的，但它们并不等价，它们仅仅是形式上刚好一样。因为格林公式是描述闭合曲线的积分跟面积分的联系，而外微分的公式是一种纯粹的代数运算。因为你完全可以将$dx\land dy$对应于$-dxdy$而不是$dxdy$，这样就得到另外一种几何的对应。

更深刻的问题是：为什么恰好有这个对应？也就是说，为什么经过一些调整和诠释后，就能够得到与积分公式的对应？首先要明确的是外积与普通的数的乘积，除了反对称性之外，是没有任何区别的，因此不少性质得以保留；其次，还应该要回到反对称本身来考虑，矩阵的行列式代表着矩阵所对应的向量组张成的$n$维立体的体积，然而行列式是反对称的，这就意味着反对称运算跟体积、积分等有着先天的联系。当然，更细致的认识，笔者也还没做到。

此外，我们说寻求微分形式的几何意义，通常只是针对不超过3维的空间来讨论的，更高维的几何图像我们很难想象出来，尤其是高维的曲面积分，一般只是类比，但类比是否成立，有时还需要进一步商榷。因此，这种情况下，倒不如干脆点，说微分形式描述的东西就是几何，而不再去寻找所谓的几何意义了。也就是说，反过来，将微分形式和外微分作为公理式的第一性原理来定义几何。

甚至，你可以只将外微分当作是一种记忆各种微分、积分公式的有效途径，比如现在我要大家默写三维空间中的斯托克斯公式，大家估计会乱，因为不一定记得是哪个减哪个。但是在外微分框架下，可以很快地将它推导一遍。好比式$(11)$，如果非要寻求几何解释，那就是开普勒第二定律：单位时间内扫过的面积相等；然而没有几何解释，你依旧可以把方程解下去。

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众所周知，要掌握黎曼几何，需要强烈的几何直观感。但除此之外，用分量语言描述的黎曼几何，也需要很好的分析能力才能梳理清楚，因为有$N$多的指标在表示着分量和求和，咋看上去处处皆指标。这种繁琐的分量语言并不总讨人喜欢，甚至在不少地方是声名狼籍的。

在分量的语言中，我们本质上可以在局部建立任意形式的坐标系，也就是采用任意形式的基底$\{\boldsymbol{e}_{\mu}\}$，或者说自然标架。但不可否认，在正交标架（标准正交基）之下，很多方程会简单不少，并且得益于我们对欧氏空间的熟练，我们对正交标架下的研究可能会更有感觉。因此，如果条件允许的话，我们应当使用正交标架$\{\hat{\boldsymbol{e}}_{\mu}\}$，哪怕是活动的，这里我们用$\hat{}$标记正交标架。

比如，我们有微元
$$d\boldsymbol{r} = \boldsymbol{e}_{\mu}dx^{\mu} \tag{12} $$
是在一般标架下测量的，那么就可以得到黎曼度量

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外微分

向量的外积一般只定义于不超过3维的空间。为了在更高维空间中使用反对称运算，我们需要下面描述的微分形式与外微分。

我们知道，任意$x$的函数的微分都可以写成$dx^{\mu}$的线性组合，在这里，各$dx^{\mu}$实则上扮演了一个基的角色，因此，我们不妨把$dx^{\mu}$看成是一组基，并且把任意函数称为微分0形式，而诸如$\omega_{\mu}dx^{\mu}$的式子，称为微分1形式。

在$dx^{\mu}$这组基之上，我们定义外积$\land$，即有反对称的运算$dx^{\mu}\land dx^{\nu}$，并且把诸如$\omega_{\mu\nu}dx^{\mu}\land dx^{\nu}$的式子，称为微分2形式。注意到这是$n$维空间中的外积，$dx^{\mu}\land dx^{\nu}$事实上是一个新空间的基，而不能用$dx^{\mu}$的线性组合来表示。

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这里我们将展示上面一节的方法对于计算黎曼曲率张量的计算是多少的有力！我们再次列出我们得到的所有公式。首先是概念式的
$$\begin{aligned}&\omega^{\mu}=h_{\alpha}^{\mu}dx^{\alpha}\\
&d\boldsymbol{r}=\hat{\boldsymbol{e}}_{\mu} \omega^{\mu}\\
&ds^2 = \eta_{\mu\nu} \omega^{\mu}\omega^{\nu}\\
&\langle \hat{\boldsymbol{e}}_{\mu}, \hat{\boldsymbol{e}}_{\nu}\rangle = \eta_{\mu\nu}\end{aligned} \tag{65} $$
然后是
$$\begin{aligned}&d\eta_{\mu\nu}=\omega_{\nu\mu}+\omega_{\mu\nu}=\eta_{\nu\alpha}\omega_{\mu}^{\alpha}+\eta_{\mu \alpha}\omega_{\nu}^{\alpha}\\
&d\omega^{\mu}+\omega_{\nu}^{\mu}\land \omega^{\nu}=0\end{aligned} \tag{66} $$
这两个可以帮助我们确定$\omega_{\nu}^{\mu}$；接着就是
$$\mathscr{R}_{\nu}^{\mu} = d\omega_{\nu}^{\mu}+\omega_{\alpha}^{\mu} \land \omega_{\nu}^{\alpha} \tag{67} $$
最后你要正交标架下的$\hat{R}^{\mu}_{\nu\beta\gamma}$，就要写出：
$$\mathscr{R}_{\nu}^{\mu}=\sum_{\beta < \gamma} \hat{R}^{\mu}_{\nu\beta\gamma}\omega^{\beta}\land \omega^{\gamma} \tag{68} $$
如果你要原始标架下的$R^{\mu}_{\nu\beta\gamma}$，就要写出
$$(h^{-1})_{\mu'}^{\mu}\mathscr{R}^{\mu'}_{\nu'}h_{\nu}^{\nu'} = \sum_{\beta < \gamma} R^{\mu}_{\nu\beta\gamma}dx^{\beta}\land dx^{\gamma} \tag{69} $$
然后依次读出$R^{\mu}_{\nu\beta\gamma}$，就像制表一样。

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对于了解深度学习、自然语言处理NLP的读者来说，Word2Vec可以说是家喻户晓的工具，尽管不是每一个人都用到了它，但应该大家都会听说过它——Google出品的高效率的获取词向量的工具。

Word2Vec不可思议？

大多数人都是将Word2Vec作为词向量的等价名词，也就是说，纯粹作为一个用来获取词向量的工具，关心模型本身的读者并不多。可能是因为模型过于简化了，所以大家觉得这样简化的模型肯定很不准确，所以没法用，但它的副产品词向量的质量反而还不错。没错，如果是作为语言模型来说，Word2Vec实在是太粗糙了。

但是，为什么要将它作为语言模型来看呢？抛开语言模型的思维约束，只看模型本身，我们就会发现，Word2Vec的两个模型 —— CBOW和Skip-Gram —— 实际上大有用途，它们从不同角度来描述了周围词与当前词的关系，而很多基本的NLP任务，都是建立在这个关系之上，如关键词抽取、逻辑推理等。这几篇文章就是希望能够抛砖引玉，通过介绍Word2Vec模型本身，以及几个看上去“不可思议”的用法，来提供一些研究此类问题的新思路。

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本文主要是给出了关键词的一种新的定义，并且基于Word2Vec给出了一个实现方案。这种关键词的定义是自然的、合理的，Word2Vec只是一个简化版的实现方案，可以基于同样的定义，换用其他的模型来实现。

说到提取关键词，一般会想到TF-IDF和TextRank，大家是否想过，Word2Vec还可以用来提取关键词？而且，用Word2Vec提取关键词，已经初步含有了语义上的理解，而不仅仅是简单的统计了，而且还是无监督的！

什么是关键词？

诚然，TF-IDF和TextRank是两种提取关键词的很经典的算法，它们都有一定的合理性，但问题是，如果从来没看过这两个算法的读者，会感觉简直是异想天开的结果，估计很难能够从零把它们构造出来。也就是说，这两种算法虽然看上去简单，但并不容易想到。试想一下，没有学过信息相关理论的同学，估计怎么也难以理解为什么IDF要取一个对数？为什么不是其他函数？又有多少读者会破天荒地想到，用PageRank的思路，去判断一个词的重要性？

说到底，问题就在于：提取关键词和文本摘要，看上去都是一个很自然的任务，有谁真正思考过，关键词的定义是什么？这里不是要你去查汉语词典，获得一大堆文字的定义，而是问你数学上的定义。关键词在数学上的合理定义应该是什么？或者说，我们获取关键词的目的是什么？

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在上个月，偶然间发现kexue.fm这个域名还没被注册，感觉挺不错的，所以赶紧把它注册了。

事实上，笔者一直以来都挺喜欢fm这个后缀的域名，因为FM也是电台的简写，fm域名的网站，从域名上就给人一种听电台般的惬意。刚好，顺手注册了kexue.fm这个域名，感觉很配本博客“科学空间”这个名字，也很符合本博客创办之初的理念——让科学流行起来——这也意味着科学会像听电台般舒服。当然，另一方面，它也更加好记。域名在大概一个月前就注册好了，但域名的备案，前前后后花了差不多一个月的时间，所以到现在才加上到科学空间中。如今科学空间的服务器也已经迁移到了阿里云。

原来的域名spaces.ac.cn也会一直保留着，双域名皆可访问。此外，申请了@spaces.ac.cn后缀邮箱的读者也不用担心，这个邮箱也会一直保留着。

欢迎大家多用新域名访问^_^