概括

看李航老师的《统计学习方法》知道,EM是一个对于有隐含随机变量的概率模型的参数的估计方法,它是一种无监督的算法。

只是有些重要的点并没有给出, 比如没有三硬币例子中直接给出的 u(z), π ,p, q的公式,并没有推到过程, 让人使用起来有些迷惑。

通过浏览了一些网上一些优秀的文章,本文把三硬币问题和EM算法的细节重新阐述一下,以补充李航老师书中的内容,从而加深理解 。

三硬币问题

假设有3枚硬币,分别记作A,B,C。这些硬币正面出现的概率分别为  ,  和  。进行如下投掷实验:先投掷硬币A,根据其结果选出硬币B或者硬币C,正面选硬币B,反面选硬币C;然后投掷选出的硬币,投掷硬币的结果,出现正面记作1,出现反面记作0;独立地重复n次实验 (这里n=10)。观测结果如下:

1,1,0,1,0,0,1,0,1,1

假设只能观测到投掷硬币的结果,不能观测投掷硬币的过程。问如何估计三硬币正面出现的概率, 即三硬币模型的参数。

EM 算法 的数学推导

没办法,想要深刻理解EM 算法的原理, 必须理解下面的数学: 静下心来, 是可以看懂的。

如《统计学习方法》所述, 三硬币问题的观测数据不是完全数据, 因为无法看到A的数据,A在本问题里的隐藏事件,按惯例记作 z, 观测数据(结果)记作 y.

观测数据为 y1,y2,...,y10, (取值:1或0, 代表最终看到的硬币(B或C)的正反面), 隐藏数据为z1,z2,...,z10(取值:1或0, 代表A硬币的正反面) .

如果用最大似然的方法估计y概率模型参数,似然函数 是 每个样本的联合概率, 即:

L (y:θ,π) = p(y1,y2,...,y10 :θ,π)

其中, z 和模型参数解释如下 :

对于每一y样本的概率p(yi) 是 A或B投掷结果为yi 关于z 的数学期望, 表示如下:

对于上面的三硬币式样结果, 展开式为:

按照惯例, 对L (y:θ,π)求对数, 将乘法转换成加法。

上式展开后,无法通过求最大值(也就是最大似然)从而获取θ和π的值:所谓最大似然估计就是当似然函数达到最大值时的参数。

可是,因为在上式中,θ和π并不不互相独立 (有乘法关系), 无法通过使偏导为0从而求得θ或π (比如将θ偏导函数置0后,θ依然依赖π)。

下面过程是利用Jensen不等式进行变形 。 引入R(Z;θ,π), 它是z 的一个概率分布, 模型参数等同于L (y:θ,π) ,R(Z;θ,π)> 0 。将它带入 l(y:θ,π) 如下:

EM 算法 的步骤

第一步:选择参数的初始值

选择参数的初始值 

E 步 : 求Expectation 

M 步: Maximization

第四步:反复迭代,直到收敛

三硬币模型中的 EM

参数和z值:

下面的步骤是推导出李航老师书中给出的公式。

E 步 :

M 步:

高斯混合模型中的EM

下图三个二元高斯分布组成的高斯混合模型的有lable观察值。我们可以用最大似然的方法求得三个高斯分布的各自的参数(υk,Σk),每一个分布根据(υk,Σk)都有一个椭圆型的范围, 因此就已对平面上的其他测试点进行分类。

但是对于下面这种这种没有label 的观测数据怎么求得三个高斯分布的各自的参数(υk,Σk) ? 答案是 EM 。

 

参数和z值 :

E 步 :

M 步 :

Jensen不等式:

如果f是凸函数,X是随机变量,那么:

当f为凹函数是:E[f(X)]>=f(E[X])

当f为凸函数是:E[f(X)]>=f(E[X])

特别地,如果f是严格凸(凹)函数,当且仅当X是常量时,上式取等号。

如果用图表示会很清晰:

下面证明为什么当 X常量时,二式相等。

E[f(X)] = ΣP(X)f(X) ; f(E[X]) = f(ΣP(X)X)

X常量, 则

E[f(X)] = ΣP(X)f(c) = f(c) ΣP(X) = f(c); f(E[X]) = f(ΣP(X)c) =f(cΣP(X)) = f(c)

故E[f(X)] =f(E[X])= f(c)

参考

《统计学习方法》 李航

https://ibug.doc.ic.ac.uk/media/uploads/documents/expectation_maximization-1.pdf

https://zhuanlan.zhihu.com/p/32049842

https://www.zhihu.com/question/27976634

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