【机器学习】什么是熵?

熵是热力学中的一个重要概念,表示系统状态的无序程度。第二定律指出,孤立系统会自发向熵最大的状态演化。通过玻尔兹曼公式,熵可以被量化为S=k*ln(W),其中W是微观态数。举例说明,一个气体分子在隔板两侧的状态,从隔板拆除导致熵增加,因为分子分布变得更加均匀。当分子均匀分布时,熵达到最大。因此,熵是衡量系统内信息不确定性和微观状态多样性的度量。

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热力学中的熵

热力学第二定律指出,孤立系统自发的朝着热力学平衡方向最大熵状态演化。(即孤立系统的熵越来越高)

熵如何量化

统计学中的玻尔兹曼公式给出了一个密闭空间内熵的量化方式:
S=k∗ln(W) S = k * ln(W)S=kln(W)

其中 S 是熵,k 是 玻尔兹曼常数,ln 是 自然对数,W 是系统的微观态数的总和(即当前状态下微观粒子的排列组合数)。

例:
以下有一个密闭空间内气体分子的运动为例。
状态A:存在一个隔板将空间中的分子运动限制在孤立空间的左侧。
状态B:将隔板拆除,左侧的分子开始向右侧扩散,直至均匀分布在整个孤立空间。
在这里插入图片描述
A状态下的熵:
Sa=k∗ln(Wa) S_a = k * ln(W_a)Sa=kln(Wa)
A状态下的微观态数可视为当前状态下的微观粒子的排列组合数,即选取全部N个蓝分子放入左侧空间,再放入全部N个红分子。
Wa=CNNCNN=1 W_a = C_N ^N C_N ^N = 1Wa=CNNCNN=1

B状态下的熵:
Sb=k∗ln(Wb) S_b = k * ln(W_b)Sb=kln(Wb)
B状态下的微观态数可视为当前状态下的微观粒子的排列组合数,即从 NNN个蓝分子中选取 NAN_ANA个放入左侧空间,剩下的N−NAN-N_ANNA个放在右侧。再从 NNN个红分子中选取 NBN_BNB个放入左侧空间,剩下的N−NBN-N_BNNB个放在右侧。
故:
Wb=CNNACN−NAN−NACNNBCN−NBN−NB=CNNACNNB=N!NA!⋅(N−NA)!⋅N!NB!⋅(N−NB)!W_b = C_N^{N_A}C_{N-N_A}^{N-N_A} C_N^{N_B}C_{N-N_B}^{N-N_B} = C_N^{N_A}C_N^{N_B} = \frac{N!}{N_A!·(N-N_A)! }·\frac{N!}{N_B!·(N-N_B)! } Wb=CNNACNNANNACNNBCNNBNNB=CNNACNNB=NA!(NNA)!N!NB!(NNB)!N!

Na!=N,其Nb!=N时,Wb>1,即Wb>Wa。即Sb>Sa。N_a!=N,其N_b!=N时,W_b>1,即W_b>W_a。即 S_b > S_a。Na!=N,Nb!=NWb>1,Wb>WaSb>Sa

所以我们可以得知,从状态A到状态B,孤立空间的熵在增加。

由下列的NA−SN_A-SNAS曲线我们得知当NA=NB=N/2N_A = N_B =N/2NA=NB=N/2时,孤立空间熵的值达到最大。

在这里插入图片描述
由此可知,该孤立系统的最大熵平衡状态为蓝红分子均匀分布于孤立空间内。

(在这里,简化了计算的情况,只将孤立空间分为2个部分,其实我们可以分成更多的部分,以增加W的数量,提高准确性)

所以,熵是什么?

熵是一种信息度量,体现了在系统当前状态下,个体组合方式的多样性程度。
在一个孤立系统中它具有不可逆增加的特性。

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