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它的变化有什么意义_java

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资料来源:网络整理       时间:2023/3/8 18:47:55       共计:3588 浏览

它的变化有什么意义?

首先熵是一种宏观的概念!

提到熵,必然引出信息熵和热力学熵,二者本质一样。

信息熵的定义:S=∑ p(x) lin 1/p(x),其中 p(x)是系统处于状态x时的概率,1/p(x)衡量状态x的信息量。

热力学熵的定义:S=klinΩ,其中k是玻尔兹曼常数,Ω则为系统宏观状态中所包含的微观状态总数。一般情况下,热力学熵考虑的是微观状态等概率的情形,即处于每个微观状态的概率为1/Ω,若不是等概率的,则形式与信息熵完全一致。

为什么熵要取对数?

凡是变化与自身相关的量通常是自然常数e的指数形式。

例如大家熟知的衰变律:放射性元素的数量随时间以指数规律衰减。对于放射性元素,在dt 时间内衰变的原子数dN与自身元素数量N和时间dt乘积正相关,dN=-λNdt,其中λ为衰变系数。设t=0时刻的放射性元素数量为N0,则衰变律为N=N0e^-λt。

同理,微观状态变化量(或信息变化量)dN与自身微观状态量(或信息量)N和熵变dS乘积正相关,dN=λNdS,故微观状态量(或信息量)N=N0e^λS,故熵是取状态量的对数关系。

状态量越多,不确定性越高,熵越大。

宏观不确定性是一种混乱度。例如下面三幅点图,每幅图有1000个随机可重叠的点,哪个更加混乱?

在0-1二维平面内:a只能取x,y坐标被0.05整除的点;b能取x坐标被0.05整除的点;c可以取0-1范围内任意点。

首先,经验主义告诉我们:c最混乱,因为毫无规律可言而成散状。b次之,因为竖向被限制而成线状。a最简洁,因为竖向横向都被限制而成点状。

然后,熵理论分析可得:S=klinΩ,Ω为系统宏观状态中所包含的状态总数。一个随机系统可能取到的状态总数取决于系统的限制条件。a横向竖向的限制,致使1000个点重叠最多,只能取到小于400(1/0.05^2)个的状态数,b竖向限制下可以有大于400小于1000的状态数,c没有限制,状态数可以接近1000个。所以状态数或信息量越多,不确定性越高,熵值S越大。

熵的意义在于熵变。

以信息熵的为例,信息熵衡量平均信息量,熵越大表明平均信息量越大,说明信息的不确定性越大。例如天气预报,如果能100%确定明天一定是晴天,那么信息熵就是S=klin1=0,也就是说不确定性为0。如果说明天有50%概率晴天,50%概率下雨,那么就是S=klin1/50%=klin2,可以说不确定性为klin2。而如果明天有25%概率晴天,25%概率下雨,25%概率阴天,25%概率下雪,那么就是S=klin1/25%=klin4。

熵的意义并非绝对的,而是相对的,其真正意义在于熵变,若熵不发生变化,则熵或大或小对系统都不产生任何影响。

假设可以100%确定明天一定是晴天,直觉告诉我们这是有意义的,这可以帮助规划明天的活动等等。但客观理论分析,可以预测的前提是今天到明天的熵变必然不为0。如果今天是晴天,熵变为0,则明天也是今天,这就形成了悖论,产生悖论的原因是天气预报不可能做到100%预测。这个悖论有力的诠释了熵的意义在于熵变!

只有熵变才能引起系统的变化,熵增原理就诠释着宇宙本身的熵变。

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