科学空间|Scientific Spaces

某天在浏览高教社的“i数学”编辑的微博时候，发现上面有一道Knotsevich在黑板上写的他认为很有意思的题目，原始网址是：http://weibo.com/3271276117/BBrL5foVz。

Knotsevich在黑板上写的级数题目

题目是这样的
$$\sum_{n=0}^{\infty} \frac{n! (20n)!}{(4n)!(7n)!(10n)!}x^n\tag{1}$$
大概的目的是找出原函数的表达式吧。

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欧几里得

本文的主题是平行线，了解数学的朋友可能会想我会写有关非欧几何的内容。但这次不是，本文的内容纯粹是我们从小就开始学习的欧氏几何，基于“欧几里得第五公设”（又称平行公设）。但即便是从小就学习的欧氏几何中的平行线，也许里边的很多问题我们都没有思考清楚。因为平行是几何中非常基本的情形，因此，在讨论这种基本命题的时候，相当容易会出现循环论证、甚至本末倒置的情况。

我们从初中开始就被灌输“同位角相等，两直线平行”、“内错角相等，两直线平行”之类的平行线判断法则，当然，还少不了的是“过直线外一点只能作一条直线与已知直线平行”。但是，这些内容之中，有多少是基本的公理，有多少是可以证明的，该如何证明，我想很多人都理解不清楚，我自己也没有一个很好的答案。那些在初中教授平行线的老师们，估计也没多少个能够把它说清楚的。后来我发现，我居然不会证明“同位角相等，两直线平行”，“欧几里得第五公设”好像并没有告诉我们这个判定法则呀。于是，我翻看了一下初中的数学教科书，发现原来当初“同位角相等，两直线平行”这一判定法则是不加证明地让我们接受的，无怪乎我怎么也想不到关于这一法则的简单的证明...

于是，我想写这篇文章，为大家理解平行线的整个逻辑提供一点参考。

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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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Python基本是我目前工作、计算、数据挖掘的唯一编程语言（除了符号计算用Mathematica外）。当然，基本的Python功能并不是很强大，但它胜在有巨量的第三方扩展库。在选用Python的第三方库时，我都会经过仔细考虑，希望能挑选出最简单的、最直观的一个（因为本人比较笨，太复杂用不了）。在数据处理方面，我用得最多的是Numpy和Pandas，这两个绝对称得上王者级别的库，当然不能不提的是Scipy，但我很少直接用它，一般会通过Pandas间接调用了；可视化方面不用说是Matplotlib了；在建模方面，我会用Keras，直接上深度学习模型，Keras已经成为相当流行的深度学习框架了，如果做文本挖掘，通常还会用到jieba（分词）、Gensim（主题建模，包含了诸如word2vec之类的模型），机器学习库还有流行的Scikit Learn，但我很少用；网络方面，写爬虫我用requests，这是个人性化的网络库，如果写网站，我会用bottle，这是个单文件版的迷你框架，一切由自己定义，当然，我也不会去写什么大型网站，我就写一个简单的的接口那样而已；最后如果要并行的话，一般直接用multiprocessing。

不过，以上都不是本文要推荐的，本文要推荐的是两个可以渗透到日常写代码的库，它实现了我们平时很多时候都需要的功能，但是不用增加什么代码，绝对让人眼前一亮。

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前言：这个暑假花了不少时间在中文分词和语言模型上面，碰了无数次壁，也得到了零星收获。打算写一个专题，分享一下心得体会。虽说是专题，但仅仅是一些笔记式的集合，并非系统的教程，请读者见谅。

中文分词

关于中文分词的介绍和重要性，我就不多说了，matrix67这里有一篇关于分词和分词算法很清晰的介绍，值得一读。在文本挖掘中，虽然已经有不少文章探索了不分词的处理方法，如本博客的《文本情感分类（三）：分词 OR 不分词》，但在一般场合都会将分词作为文本挖掘的第一步，因此，一个有效的分词算法是很重要的。当然，中文分词作为第一步，已经被探索很久了，目前做的很多工作，都是总结性质的，最多是微弱的改进，并不会有很大的变化了。

目前中文分词主要有两种思路：查词典和字标注。首先，查词典的方法有：机械的最大匹配法、最少词数法，以及基于有向无环图的最大概率组合，还有基于语言模型的最大概率组合，等等。查词典的方法简单高效（得益于动态规划的思想），尤其是结合了语言模型的最大概率法，能够很好地解决歧义问题，但对于中文分词一大难度——未登录词（中文分词有两大难度：歧义和未登录词），则无法解决；为此，人们也提出了基于字标注的思路，所谓字标注，就是通过几个标记（比如4标注的是：single，单字成词；begin，多字词的开头；middle，三字以上词语的中间部分；end，多字词的结尾），把句子的正确分词法表示出来。这是一个序列（输入句子）到序列（标记序列）的过程，能够较好地解决未登录词的问题，但速度较慢，而且对于已经有了完备词典的场景下，字标注的分词效果可能也不如查词典方法。总之，各有优缺点（似乎是废话～），实际使用可能会结合两者，像结巴分词，用的是有向无环图的最大概率组合，而对于连续的单字，则使用字标注的HMM模型来识别。

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曲率的独立分量

黎曼曲率张量是一个非常重要的张量，当且仅当它全部分量为0时，空间才是平直的。它也出现在爱因斯坦的场方程中。总而言之，只要涉及到黎曼几何，黎曼曲率张量就必然是核心内容。

已经看到，黎曼曲率张量有4个指标，这也意味着它有$n^4$个分量，$n$是空间的维数。那么在2、3、4维空间中，它就有16、81、256个分量了，可见，要计算它，是一件相当痛苦的事情。幸好，这个张量有很多的对称性质，使得独立分量的数目大大减少，我们来分析这一点。

首先我们来导出黎曼曲率张量的一些对称性质，这部分内容是跟经典教科书是一致的。定义
$$R_{\mu\alpha\beta\gamma}=g_{\mu\nu}R^{\nu}_{\alpha\beta\gamma} \tag{50} $$
定义这个量的原因，要谈及逆变张量和协变张量的区别，我们这里主要关心几何观，因此略过对张量的详细分析。这个量被称为完全协变的黎曼曲率张量，有时候也直接叫做黎曼曲率张量，只要不至于混淆，一般不做区分。通过略微冗长的代数运算（在一般的微分几何、黎曼几何或者广义相对论教材中都有），可以得到
$$\begin{aligned}&R_{\mu\alpha\beta\gamma}=-R_{\mu\alpha\gamma\beta}\\
&R_{\mu\alpha\beta\gamma}=-R_{\alpha\mu\beta\gamma}\\
&R_{\mu\alpha\beta\gamma}=R_{\beta\gamma\mu\alpha}\\
&R_{\mu\alpha\beta\gamma}+R_{\mu\beta\gamma\alpha}+R_{\mu\gamma\alpha\beta}=0
\end{aligned} \tag{51} $$

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本来笔者已经决心不玩RNN了，但是在上个星期思考时忽然意识到RNN实际上对应了ODE（常微分方程）的数值解法，这为我一直以来想做的事情——用深度学习来解决一些纯数学问题——提供了思路。事实上这是一个颇为有趣和有用的结果，遂介绍一翻。顺便地，本文也涉及到了自己动手编写RNN的内容，所以本文也可以作为编写自定义的RNN层的一个简单教程。

注：本文并非前段时间的热点“神经ODE”的介绍（但有一定的联系）。

RNN基本

什么是RNN？

众所周知，RNN是“循环神经网络（Recurrent Neural Network）”，跟CNN不同，RNN可以说是一类模型的总称，而并非单个模型。简单来讲，只要是输入向量序列$(\boldsymbol{x}_1,\boldsymbol{x}_2,\dots,\boldsymbol{x}_T)$，输出另外一个向量序列$(\boldsymbol{y}_1,\boldsymbol{y}_2,\dots,\boldsymbol{y}_T)$，并且满足如下递归关系
$$\boldsymbol{y}_t=f(\boldsymbol{y}_{t-1}, \boldsymbol{x}_t, t)\tag{1}$$
的模型，都可以称为RNN。也正因为如此，原始的朴素RNN，还有改进的如GRU、LSTM、SRU等模型，我们都称为RNN，因为它们都可以作为上式的一个特例。还有一些看上去与RNN没关的内容，比如前不久介绍的CRF的分母的计算，实际上也是一个简单的RNN。

说白了，RNN其实就是递归计算。

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今天我们继续来深挖Keras，再次体验Keras那无与伦比的优雅设计。这一次我们的焦点是“重用”，主要是层与模型的重复使用。

所谓重用，一般就是奔着两个目标去：一是为了共享权重，也就是说要两个层不仅作用一样，还要共享权重，同步更新；二是避免重写代码，比如我们已经搭建好了一个模型，然后我们想拆解这个模型，构建一些子模型等。

基础

事实上，Keras已经为我们考虑好了很多，所以很多情况下，掌握好基本用法，就已经能满足我们很多需求了。

层的重用

层的重用是最简单的，将层初始化好，存起来，然后反复调用即可：

x_in = Input(shape=(784,))
x = x_in

layer = Dense(784, activation='relu') # 初始化一个层，并存起来

x = layer(x) # 第一次调用
x = layer(x) # 再次调用
x = layer(x) # 再次调用

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