It is crucial to choose the appropriate scale in order to build an effective and informational representation of a complex system. Scientists carefully choose the scales for their experiments to extract the variables that describe the causalities in the system. They found that the coarse scale(macro) is sometimes more causal and informative than the numerous-parameter observations(micro). The phenomenon that the causality emerges by coarse-graining is called Causal Emergence(CE). Based on information theory, a number of recent works quantitatively showed that CE indeed happens while coarse-graining a micro model to the macro. However, the existing works have not discussed the question of why and when the CE happens. We quantitatively analyze the redistribution of uncertainties for coarse-graining and suggest that the redistribution of uncertainties is the cause of causal emergence. We further analyze the thresholds that determine if CE happens or not. From the regularity of the transition probability matrix(TPM) of discrete systems, the mathematical expressions of the model properties are derived. The values of thresholds for different operations are computed. The results provide the critical and specific conditions of CE as helpful suggestions for choosing the proper coarse-graining operation. The results also provided a new way to better understand the nature of causality and causal emergence.


翻译:关键是要选择适当的尺度,以建立一个对复杂系统的有效和信息代表。科学家仔细选择实验的尺度,以提取描述系统内因果关系的变量。他们发现粗皮比例(宏观)有时比多参数观测(微观)更具有因果关系和丰富性。粗皮差异产生的因果关系现象被称为“原因出现”。根据信息理论,最近的一些工作从数量上表明,CE的确发生于将微观模型粗化到宏观模型的同时。然而,现有工作没有讨论为什么和何时出现CE的问题。我们定量分析粗皮比例(宏观)的不确定性的再分配情况,并表明不确定性的再分配是产生因果关系的原因。我们进一步分析确定CE是否发生的临界值。根据离散系统的过渡概率矩阵的规律性,得出模型属性的数学表达方式。计算出不同操作的临界值。结果提供了CE的临界和具体条件,也提供了选择正确因果关系结果的更好理解性结果。提供了选择正确因果关系的正确性结果。

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