斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型

斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型EM算法(Expection-Maximizationalgorithm,EM)是一种迭代算法,通过E步和M步两大迭代步骤,每次迭代都使极大似然函数增加。但是,由于初始值的不同,可能会使似然函数陷入局部最优。下面来谈谈EM算法以及其在求解高斯混合模型中的作用。

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EM算法(Expection-Maximizationalgorithm,EM)是一种迭代算法,通过E步和M步两大迭代步骤,每次迭代都使极大似然函数增加。但是,由于初始值的不同,可能会使似然函数陷入局部最优。下面来谈谈EM算法以及其在求解高斯混合模型中的作用。

一、   高斯混合模型(Gaussian MixtureModel, GMM)

之前写过高斯判别分析模型,利用参数估计的方法用于解决二分类问题。下面介绍GMM,它是对高斯判别模型的一个推广,也能借此引入EM算法。

假设样本集为斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型并且样本和标签满足联合分布斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型 。这里:斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型服从多项式分布,即斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型 ),且斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型 ;在斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型给定的情况下,斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型服从正态分布,即斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型。这样的模型称为高斯混合模型。

该模型的似然函数为:

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如果直接令斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的各变量偏导为0,试图分别求出各参数,我们会发现根本无法求解。但如果变量斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型是已知的,求解便容易许多,上面的似然函数可以表示为:

斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型

利用偏导求解上述式,可分别得到参数斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的值:

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其中,#{ }为指示函数,表示满足括号内条件的数目。

那么,变量斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型无法通过观察直接得到,斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型就称为隐变量,就需要通过EM算法,求解GMM了。下面从Jensen不等式开始,介绍下EM算法:

二、   Jensen不等式(Jensen’s inequality)

引理:如果函数f的定义域为整个实数集,并且对于任意x或斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型存在斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型或函数的Hessian矩阵斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,那么函数f称为凹函数。斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型或函数的Hessian矩阵H>0,那么函数f严格凹函数。

存在斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型或函数的Hessian矩阵斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,那么函数f称为凸函数;如果斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型或函数的Hessian矩阵 H<0,那么函数f严格凸函数。)

定理:如果函数f是凹函数,X为随机变量,那么:

斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型

不幸的是很多人都会讲Jensen不等式记混,我们可以通过图形的方式帮助记忆。下图中,横纵坐标轴分别为X和f(X),f(x)为一个凹函数,a、b分别为变量X的定义域,E[X]为定义域X的期望。图中清楚的看到各个量的位置和他们间的大小关系。反之,如果函数f是凸函数,X为随机变量,那么:

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Jensen不等式等号成立的条件为:斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,即X为一常数。

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三、   EM算法

假设训练集斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型是由m个独立的样本构成。我们的目的是要对斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型概率密度函数进行参数估计。它的似然函数为:

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然而仅仅凭借似然函数,无法对参数进行求解。因为这里的随机变量斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型是未知的。

EM算法提供了一种巧妙的方式,可以通过逐步迭代逼近最大似然值。下面就来介绍下EM算法:

假设对于所有i,斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型皆为随机变量斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的分布函数。即:斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型。那么:

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其中第(2)步至第(3)步的推导就使用了Jensen不等式。其中:f(x)=log x,斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,因此为凸函数;斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型表示随机变量为斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型概率分布函数为斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的期望。因此有:

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这样,对于任意分布斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,(3)都给出了斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的一个下界。如果我们现在通过猜测初始化了一个斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的值,我们希望得到在这个特定的斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型下,更紧密的下界,也就是使等号成立。根据Jensen不等式等号成立的条件,当斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型为一常数时,等号成立。即:

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由上式可得斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,又斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,因此斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型。再由上式可得:

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上述等式最后一步使用了贝叶斯公示。

EM算法有两个步骤:

(1)通过设置初始化斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型值,求出使似然方程最大的斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型值,此步骤称为E-步(E-step)

(2)利用求出的斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型值,更新斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型。此步骤称为M-步(M-step)。过程如下:

repeat until convergence{

   (E-step) for each i, set

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      (M-step) set

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那么,如何保证EM算法是收敛的呢?下面给予证明:

假设斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型是EM算法第t次和第t+1次迭代所得到的参数斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的值,如果有斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,即每次迭代后似然方程的值都会增大,通过逐步迭代,最终达到最大值。以下是证明:

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不等式(4)是由不等式(3)得到,对于任意斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型值都成立;得到不等式(5)是因为我们需要选择特定的斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型使得方程斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型处的值大于在斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型处的值;等式(6)是找到特定的斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的值,使得等号成立。

最后我们通过图形的方式再更加深入细致的理解EM算法的特点:

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由上文我们知道有这样的关系:斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,EM算法就是不断最大化这个下界,逐步得到似然函数的最大值。如下图所示:

首先,初始化斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,调整斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型使得斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型相等,然后求出斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型使得到最大值的斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型;固定斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,调整斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,使得斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型相等,然后求出使斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型得到最大值的斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型;……;如此循环,使得斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的值不断上升,直到k次循环后,求出了斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的最大值斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型

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四、   EM算法应用于混合高斯模型(GMM)

再回到GMM:上文提到由于隐变量斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的存在,无法直接求解参数,但可以通过EM算法进行求解:

E-Step:

 
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M-Step:

 
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(1)参数斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型
对期望斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型的每个分量斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型求偏导:

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令上式为0,得:

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(2)参数 

观察M-Step,可以看到,跟斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型相关的变量仅仅有斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型。因此,我们仅仅需要最大化下面的目标函数:

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又由于斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型,为约束条件。因此,可以构造拉格朗日算子求目标函数:

斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型

求偏导:

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斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型得:

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斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型带入上式得:

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最后将斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型带入得:

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(3)参数斯坦福大学机器学习——EM算法求解高斯混合模型

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令上式为零,解得:

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五、   总结

EM算法利用不完全的数据,进行极大似然估计。通过两步迭代,逐渐逼近最大似然值。而GMM可以利用EM算法进行参数估计。

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