MCMC算法--多元高斯分布Gibbs采样(Python代码)

这篇博客介绍了如何利用Gibbs Sampling进行多元高斯分布的采样,特别是在Bayesian inference中遇到的复杂分布问题。文章详细阐述了Gibbs Sampler的工作原理,并给出了在Python中实现的代码,通过10000次采样展示了从二元高斯分布中获取样本的过程。实验结果对比了实际分布和Gibbs Sampling的采样结果。
1. Introduction:

Gibbs Sampling is a MCMC method to draw samples from a potentially complicated, high dimensional distribution, where analytically, it’s hard to draw samples from it. The usual suspect would be those nasty integrals when computing the normalizing constant of the distribution, especially in Bayesian inference.
Gibbs Sampler can draw samples from any distribution, provided you have all of the conditional distributions of the joint distribution analytically.

2. Psudo-code:

这里写图片描述

3. Problem:

To use Gibbs Sampler to draw 10000 samples from a Bivariate Gaussian Distribution with

μ=[5,5],
### MCMC算法中的新算法 MCMC(马尔科夫链蒙特卡洛)方法是一类用于从复杂分布中生成样本的算法。除了经典的MH(Metropolis-Hastings)算法Gibbs采样外,近年来出现了许多新颖且高效的MCMC算法。这些新算法在处理高维问题、复杂分布以及与现代计算技术结合方面表现出色。 #### Slice Sampling Slice Sampling是一种无需显式定义提议分布的MCMC方法。其核心思想是通过引入辅助变量将目标分布转化为一个更高维度的均匀分布,并通过水平切割的方式生成样本[^3]。这种方法的优点在于避免了对提议分布的选择,从而减少了调参的工作量。 #### Elliptical Slice Sampling Elliptical Slice Sampling特别适用于具有先验为高斯分布的问题。它通过椭圆轨迹来探索参数空间,避免了传统MH算法中可能存在的低接受率问题[^3]。该算法尤其适合于贝叶斯推断中的某些场景,例如稀疏信号重建。 #### Generalized Elliptical Slice Sampling 作为Elliptical Slice Sampling的扩展版本,Generalized Elliptical Slice Sampling可以处理非高斯先验的情况,进一步拓宽了其应用范围[^3]。这种方法通过灵活调整椭圆轨迹的方向和形状,提高了采样的效率。 #### BPS (Bouncy Particle Sampler) BPS是一种基于动力学原理的MCMC方法,其灵感来源于物理中的粒子运动模型。与传统的随机游走不同,BPS通过模拟粒子在势能场中的反弹行为来生成样本。这种方法在高维空间中表现尤为出色,因为它能够有效减少样本间的相关性。 #### Forward Event Chain Monte Carlo Forward Event Chain Monte Carlo是一种无拒绝采样方法,通过预先计算事件链的方式来避免传统MH算法中的拒绝步骤[^3]。这种方法在特定类型的分布上可以显著提高采样效率。 #### NNGHMC (Neural Network Guided Hamiltonian Monte Carlo) NNGHMC将神经网络与Hamiltonian Monte Carlo相结合,利用神经网络学习目标分布的结构特征,从而指导更高效的采样过程[^3]。这种方法展示了如何将深度学习技术融入传统统计方法中,以应对更加复杂的实际问题。 #### A-Nice-MC A-Nice-MC是一种基于对抗生成网络(GAN)的MCMC算法,通过训练生成器网络来自适应地设计提议分布。这种方法不仅保留了MCMC的理论保证,还通过神经网络的强大表达能力提升了采样性能。 #### Stochastic Gradient HMC (SGHMC) 和 Stochastic Gradient Langevin Dynamics (SGLD) 这两种方法都是为了应对大数据集下的高效采样需求而提出的。它们通过引入随机梯度估计来近似目标分布的梯度信息,从而实现快速收敛[^3]。这些方法特别适合于机器学习中的大规模优化问题。 ```python # 示例代码:简单的SGHMC实现 import numpy as np def sghmc(U_grad, x0, n_samples, epsilon, M, C, B): """ U_grad: 负对数目标分布的梯度函数 x0: 初始点 n_samples: 采样数量 epsilon: 步长 M: 质量矩阵 C: 摩擦系数 B: 噪声项 """ d = len(x0) x = x0.copy() v = np.zeros(d) samples = [] for _ in range(n_samples): g = U_grad(x) + np.random.normal(0, np.sqrt(B), size=d) v = v - epsilon * g - epsilon * C * v + np.random.normal(0, np.sqrt(2 * epsilon * (C - B)), size=d) x = x + epsilon * v samples.append(x.copy()) return np.array(samples) ``` ###
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