Оценщики максимального правдоподобия - многомерный гауссов


20

контекст

Многомерный гауссов часто появляется в машинном обучении, и следующие результаты используются во многих книгах и курсах по ML без дериваций.

Данные даны в виде матрицы измерений , если мы предположим, что данные следуют вариативному гауссовскому распределению с параметрами mean ( ) и ковариационной матрицей ( ) Оценки максимального правдоподобия определяются как: m × p p μ p × 1 Σ p × pXm×ppμp×1Σp×p

  • μ^=1m∑i=1mx(i)=x¯
  • Σ^=1m∑i=1m(x(i)−μ^)(x(i)−μ^)T

Я понимаю, что знание многомерного гауссовского языка является обязательным условием для многих курсов ML, но было бы полезно получить полный вывод в отдельном ответе раз и навсегда, так как я чувствую, что многие самообучающиеся люди бегают вокруг статистики. Веб-сайты stackexchange и math.stackexchange ищут ответы.


Вопрос

Каков полный вывод оценок максимального правдоподобия для многомерного гауссова


Примеры:

Эти лекционные заметки (стр. 11) о линейном дискриминантном анализе или те, которые используют результаты и предполагают наличие предшествующих знаний.

Есть также несколько постов, на которые частично ответили или закрыли:

Ответы:


24

Вывод оценок максимального правдоподобия

Предположим, что у нас есть случайных векторов, каждый из которых имеет размер : где каждый случайный вектор может быть интерпретируется как наблюдение (точка данных) через переменных. Если каждый указан как многовариантный гауссовский вектор:р Х ( 1 ) , Х ( 2 ) , . , , , X ( m ) p X ( i )mpX(1),X(2),...,X(m)pX(i)

X(i)∼Np(μ,Σ)

Где параметры неизвестны. Чтобы получить их оценку, мы можем использовать метод максимального правдоподобия и максимизировать функцию логарифмического правдоподобия.μ,Σ

Обратите внимание, что в силу независимости случайных векторов общая плотность данных является произведением отдельных плотностей. , то есть . Взятие логарифма дает функцию правдоподобияΠ м я = 1 ф X ( я ) ( х ( я ) ; М , Е ){X(i),i=1,2,...,m}∏i=1mfX(i)(x(i);μ,Σ)

l(μ,Σ|x(i))=log⁡∏i=1mfX(i)(x(i)|μ,Σ)=log⁡ ∏i=1m1(2π)p/2|Σ|1/2exp⁡(−12(x(i)−μ)TΣ−1(x(i)−μ))=∑i=1m(−p2log⁡(2π)−12log⁡|Σ|−12(x(i)−μ)TΣ−1(x(i)−μ))

l(μ,Σ;)=−mp2log⁡(2π)−m2log⁡|Σ|−12∑i=1m(x(i)−μ)TΣ−1(x(i)−μ)

Деривацияμ^

Чтобы взять производную по и приравнять к нулю, мы будем использовать следующий тождество матричного исчисления:μ

wAA∂wTAw∂w=2Aw если не зависит от и симметричен.wAA

∂∂μl(μ,Σ|x(i))=∑i=1mΣ−1(μ−x(i))=0Since Σ is positive definite0=mμ−∑i=1mx(i)μ^=1m∑i=1mx(i)=x¯

Который часто называют вектором выборки .

ДеривацияΣ^

Вывод MLE для ковариационной матрицы требует больше работы и использования следующих свойств линейной алгебры и исчисления:

  • След инвариантен относительно циклических перестановок матричных произведений:tr[ACB]=tr[CAB]=tr[BCA]
  • Поскольку является скалярным, мы можем взять его след и получить то же значение:x t A x = t r [ x T A x ] = t r [ x t x A ]xTAxxtAx=tr[xTAx]=tr[xtxA]
  • ∂∂Atr[AB]=BT
  • ∂∂Alog⁡|A|=A−T

Объединение этих свойств позволяет нам рассчитать

∂∂AxtAx=∂∂Atr[xTxA]=[xxt]T=xTTxT=xxT

Который является внешним произведением вектора с самим собой.x

Теперь мы можем переписать функцию логарифмического правдоподобия и вычислить производную по (примечание постоянно) СΣ−1C

l(μ,Σ|x(i))=C−m2log⁡|Σ|−12∑i=1m(x(i)−μ)TΣ−1(x(i)−μ)=C+m2log⁡|Σ−1|−12∑i=1mtr[(x(i)−μ)(x(i)−μ)TΣ−1]∂∂Σ−1l(μ,Σ|x(i))=m2Σ−12∑i=1m(x(i)−μ)(x(i)−μ)T  Since ΣT=Σ

Приравнивая к нулю и решая дляΣ

0=mΣ−∑i=1m(x(i)−μ)(x(i)−μ)TΣ^=1m∑i=1m(x(i)−μ^)(x(i)−μ^)T

источники


Альтернативные доказательства, более компактные формы или интуитивное толкование приветствуются!
— Ксавье Бурре Сикотт

В выводе для , почему должен быть положительно определенным? Достаточно ли кажется, что обратима? Для обратимой матрицы , только тогда , когда ? Σ Σ A A x = 0 x = 0μΣΣAAx=0x=0
— Том Беннетт

Чтобы уточнить, - это матрица которая может иметь конечные диагональные и недиагональные компоненты, указывающие на корреляцию между векторами, верно? Если это так, то в каком смысле эти векторы независимы? Кроме того, почему совместная функция вероятности равна вероятности? Разве плотность соединения, , не должна быть равна вероятности, умноженной на предыдущую, то есть ? m × m f ( x , y ) f ( x | y ) f ( y )Σm×mf(x,y)f(x|y)f(y)
— Mathews24

1
@ TomBennett сигма-матрица положительно определена по определению - см. Stats.stackexchange.com/questions/52976/… для доказательства. Тождество матричного исчисления требует, чтобы матрица была симметричной, а не положительно определенной. Но поскольку положительно определенные матрицы всегда симметричны, это работает
— Ксавье Бурре Сикотт

1
Да, действительно - независимость между наблюдениями позволяет получить вероятность - формулировка может быть недостаточно ясной, - это многовариантная версия вероятности.
— Предшествующий по-

5

Альтернативное доказательство для которое напрямую принимает производную по :Σ^Σ

Подобрать логарифмическую вероятность, как указано выше: где и мы использовали циклические и линейные свойства . Чтобы вычислить мы сначала заметим, что

ℓ(μ,Σ)=C−m2log⁡|Σ|−12∑i=1mtr[(x(i)−μ)TΣ−1(x(i)−μ)]=C−12(mlog⁡|Σ|+∑i=1mtr[(x(i)−μ)(x(i)−μ)TΣ−1])=C−12(mlog⁡|Σ|+tr[SμΣ−1])
Sμ=∑i=1m(x(i)−μ)(x(i)−μ)Ttr∂ℓ/∂Σ
∂∂Σlog⁡|Σ|=Σ−T=Σ−1
по четвертому свойству выше. Чтобы взять производную от второго слагаемого, нам понадобится свойство, которое (из Матрицы поваренной книги , уравнение 63). Применяя это с мы получаем, что потому что и симметричны. потом
∂∂Xtr(AX−1B)=−(X−1BAX−1)T.
B=I
∂∂Σtr[SμΣ−1]=−(Σ−1SμΣ−1)T=−Σ−1SμΣ−1
ΣSμ
∂∂Σℓ(μ,Σ)∝mΣ−1−Σ−1SμΣ−1.
Установка этого значения в 0 и перестановка дает Σ =1
Σ^=1mSμ.

Этот подход более сложен, чем стандартный, использующий производные по , и требует более сложной идентификации трассы. Я нашел это полезным только потому, что в настоящее время мне нужно взять производные от модифицированной функции правдоподобия, для которой гораздо сложнее использовать, чем .Λ=Σ−1∂/∂Σ−1∂/∂Σ

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.