EM算法与变分推断

本文主要是介绍EM算法与变分推断，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

符号说明

• $x$：已观测变量的集合 { x 1 , x 2 , x 3 , . . . , x N } \{x_1,x_2,x_3,...,x_N\} {x1​,x2​,x3​,...,xN​}，长度为 $N$
• $z$：隐变量（未观测变量）
• $\theta$：分布参数
• $(x,z)$：完整数据
• $p(x|\theta )$：似然函数

KL散度

• KL散度用于衡量原始分布与近似分布的差异，从公式来看，其计算的是原始分布与近似分布之间的对数差的期望，公式如下
  $$D_{KL}(p||q)=E[\ln p(x)-\ln q(x)]=\sum _{i=1}^{N}p(x_i)\ln \frac{p(x_i)}{q(x_i)}={\int }_{x}p(x_i)\ln \frac{p(x_i)}{q(x_i)}dx$$
• KL散度大于等于0

EM算法

EM算法原理

• EM算法常用于估计参数的隐变量，它是一种迭代式的方法，其基本想法是：如果参数$\theta$已知，则可以根据训练数据推断出最优隐变量$z$的值（$E$步）；反之，若$z$已知，则可以方便地对参数$\theta$做极大似然估计（$M$步）
• 假设我们要对参数$\theta$做极大似然估计，则需要最大化对数似然
  $\ln p(x,z|\theta )$，但由于隐变量$z$是未知的，因此上式无法直接求解，我们可以通过对上式计算关于$z$的期望来最大化已观测数据x的边缘似然，即最大化
  $$\ln p(x,z|\theta )={\int }_z\ln p(x,z|\theta )p(z|x,\theta )dz$$
• 于是，EM算法的原型便是，以初始值${\theta }^0$为起点，对上式可迭代执行以下步骤直至收敛：
  • 基于第$t$步的${\theta }^t$推断隐变量$z$的分布$p(z|x,\theta )$
  • 基于已观测变量$x$和$p(z|x,\theta )$对参数$\theta$做极大似然估计得到${\theta }^{t+1}$
• 由此，我们可以得出EM算法的迭代方程
  $${\theta }^{t+1}=\underset{\theta }{\mathrm{argmax}}{\int }_z\ln p(x,z|{\theta }^t)p(z|x,{\theta }^t)dz$$

变分推断

问题背景

• 通常而言，机器学习中需要解决的问题是由观察到的变量$x$来估计隐变量$z$的分布以及参数$\theta$，也就是求解$p(z|x,\theta )$以及 $\theta$

  用公式来表达，变量集合$x$的联合分布为$$p(x|\theta )=\prod _{i=1}^N{\int }_{z}p(x_i,z|\theta )dz$$
  则其对应的对数似然函数就为
  $$\ln p(x|\theta )=\ln \prod _{i=1}^{N}p(x_i,z|\theta )=\sum _{i=1}^N\ln \left[{\int }_{z}p(x_i,z|\theta )dz\right]$$

• 而概率模型中的参数估计通常以最大化对数似然函数为手段，对上式应用EM算法得到$${\theta }^{t+1}=\underset{\theta }{\mathrm{argmax}}{\int }_z\ln p(x,z|{\theta }^t)p(z|x,{\theta }^t)dz$$当$p(z|x,{\theta }^t)$与隐变量$z$的真实后验分布相等时，${\int }_z\ln p(x,z|{\theta }^t)p(z|x,{\theta }^t)dz$近似于对数似然函数，然而，由于隐变量$z$是未知的，我们很难得知它的真实分布，因此我们实际使用的$p(z|x,{\theta }^t)$未必是隐变量$z$的真实后验分布，而通常只是一个近似分布。

• 因此，如何推断$z$的真实后验分布$p(z|x,{\theta }^t)$成为了一个问题，此时我们便可以借助变分推断。假设我们现在要使用近似分布$q(z)$去逼近真实分布$p(z|x,{\theta }^t)$，我们可以很容易验证以下关系式
  $$\ln p(x|\theta )=L(q)+KL(q||p)$$其中$L(q)={\int }_z\ln \frac{p(x,z|\theta )}{q(z)}q(z)dz$，$KL(q||p)={\int }_z\ln \frac{q(z)}{p(z|x,\theta )}q(z)dz$

• 证明如下，通过将对数似然函数进行变换可以得到
  $$\begin{array}{rl}\ln p(x|\theta )& =\ln p(x,z|\theta )-\ln p(z|x,\theta )\\ & =\ln \frac{p(x,z|\theta )}{q(z)}-\ln \frac{p(z|x,\theta )}{q(z)}\end{array}$$对等式两边同时乘上$q(z)$可得
  $$\ln p(x|\theta )q(z)=\ln \frac{p(x,z|\theta )}{q(z)}q(z)-\ln \frac{p(z|x,\theta )}{q(z)}q(z)$$等式两边同时对$z$求积分，由于$\ln p(x|\theta )$与$z$无关，因此积分后仍得原式，所以有
  $$\begin{array}{rl}\ln p(x|\theta )& ={\int }_z\ln \frac{p(x,z|\theta )}{q(z)}q(z)dz-{\int }_z\ln \frac{p(z|x,\theta )}{q(z)}q(z)dz\\ & ={\int }_z\ln \frac{p(x,z|\theta )}{q(z)}q(z)dz+{\int }_z\ln \frac{q(z)}{p(z|x,\theta )}q(z)dz\end{array}$$令$L(q)={\int }_z\ln \frac{p(x,z|\theta )}{q(z)}q(z)dz$，$KL(q||p)={\int }_z\ln \frac{q(z)}{p(z|x,\theta )}q(z)dz$，则关系式得证。

• 观察我们所得到的关系式，假如我们假设近似分布$q(z)$无限接近于$p(z|x,\theta )$，那么KL散度便无限趋近于0，此时就有$$\ln p(x|\theta )\approx L(q)$$于是，我们就将最大化对数似然的问题就转化为找到一个q(z)能最大化$L(q)$的问题

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