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死理性派星人摸象

各位听过瞎子摸象的故事吧。好几位瞎子被带去触摸一头大象。摸到象腿的人说:“原来大象长得像一棵树”;摸到象尾的说:“噢,原来大象是一根绳子”;摸到象鼻的人说:“大象跟一条水管很像”;摸到象耳的说:“大象竟然像一把扇子”。故事出自佛经,流传在世界各地,连麻省理工学院里也有一幅“瞎子摸象”的壁画,勉励学生不要过度放大自己知道的事情,以偏概全,错估真相的面貌。

盲人摸象。图片来源网络。

先前提到“相似”其实是在计算“距离”,距离越近的两件事物越相似,距离又可以分成许多方向,不同方向上有各自的方向差距。从这个角度,我们可以重新诠释瞎子摸象这则故事,在新的诠释里,每一位瞎子都是对的。大象分成象腿、象尾、象鼻、象耳朵,还可以再分出象豚、象菲力、象沙朗(肚子越来越饿),每个部位即是一个方向。奈何瞎子的观察能力有限,只能掌握一个部位(方向)。故事中的每一位瞎子都很精准地分析了他负责的部位(方向)特质,成功举例出差距最小的事物:象腿之于树,象耳之于扇子。瞎子已经尽了他们所能做到的最好的结果,至少他们没人摸着象腿的瞎子说:“嗯,原来大象长得很像郭雪芙”。

因为我们看得见,可以同时观察许多不同的部位(方向),才会知道大象只有腿像树的树干,但树叶跟象耳朵的差距也太大,气根和鼻子也勾不上边,大象跟树的距离非常远,完全称不上相似。然而,就算得到这么多信息,明眼人有时还是无法精准地说出大象跟什么相似,甚至有时候原本感觉比较相似的两者,换了一种想法,又变得没那么像了。因为,测量“距离”的方法改变了。

外星人眼中的大象

想象今天有一台幽浮造访地球,他们想了解地球的生态,在他们眼里,人类跟蚂蚁一样多到不可胜数,显然不是什么重要的生物。地球的统治者,应该理所当然是地表最大的动物吧。看,而且它还有许多人类在服侍,那就这么决定了。

于是外星人从动物园绑架了一头大象。

回到外层空间星球,不,以他们的角度是离开外层空间,回到自己的星球,外星人开始分析大象。他们想了解大象跟他们星球中哪一种生物最接近。透过一连串比对,最后剩下两种最相似的生物,姑且以甲与乙为代号,外星人针对A到H八种特质进行分析比较。使用汉明距离(Hamming distance)概念,它们得到以下的结果。

 

A

B

C

D

E

F

G

H

距离

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

1

1

0

3

 

相较之下,大象比较像是外星生物甲。不,更正是“来自地球的外星生物比较像甲”。但这时候另一位外星生物学家对这个结果不以为然,他认为应该采用另一种“距离”标准,称为欧式距离(Euclidean distance)。欧式距离信奉肝药的广告台词“人生不是黑白的”,在0与1之间,还有许多数值可以使用。用比较不数学的语言来模拟就是除了“像”跟“不像”之间,还有“颇像”、“不错像”、“差不多像”、“有点像”、“不是很像”、“怎么说呢,大概就是猪哥亮和布莱德彼特的相似程度吧”。语言很难量化,但欧氏几何可以给外星人以下的量化数值。

 

A

B

C

D

E

F

G

H

距离

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.9

1.4

0.1

0.1

0.1

0.1

0.6

0.6

0.6

0.1

1.1

 

意外的结果出现了,原先甲在H特征上的1是0.9,但乙在E、F、G三组特征上的1却只有0.6。反观,甲在其他原本汉明距离值为0的特征上,以欧式距离来说都高达0.4,但乙那几项汉明距离值为0的特征,换算成欧式距离后,与大象之间依然只有0.1的微小差距。

甲跟大象的欧式距离为根号(0.42×7+0.92×1)=1.4;乙跟大象的欧式距离为根号(0.12×5+0.62×3)=1.1。透过欧式距离来看,乙反而变得比较像了。

咒语般的Mahalanobis distance

出现不同结果后,外星生物学家开始争执,挥舞触手殴打对方半透明的脑袋。但最糟糕的状况才正要发生:第三位生物学家质疑,在A到H这几项特征中,并非每一项都是完全独立,有某几项其实息息相关,好比A是眉毛,B是瞳孔,C是睫毛,D是水晶体,如果要认真计较起来,这种相似性都要列入考虑。不然光列个“眉毛不像”、“瞳孔不像”、“睫毛不像”、“水晶体不像”这样四样,一双眼睛的重要性就被考虑四次了,这种不公平的事情只会发生在地球蚂蚁人类的政治当中。

于是他们采用了念起来真的有点像外星话的马氏距离(Mahalanobis distance)来,他的式子长的也有点像咒语。

其中S是相关矩阵,代表两串数值之间的关系,好比水晶体要是像的话,瞳孔自然也会很像,相关性可能就高达0.8;体型相似,瞳孔不见得会相似,关联性就是0,透过这样的分析会得到另一种相似结果。

外星生物学家之间争论不休,被晾在一旁的大象看了看,转头对外星生物甲和乙说:

“几千年前我的祖先在地球上也遇过这样的状况,那时候有人说我跟树比较像,有人说我跟扇子比较像…你们不知道什么是树和扇子吗?嗯,用欧式距离说,树就有点像你们星球的…”

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The End

发布于2014-02-17, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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賴以威

电子工程博士

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