EM算法推导

本文深入解析了EM算法的推导过程,利用Jensen's inequality证明了其收敛性,并详细展示了高斯混合模型(GMM)中EM算法的具体应用,包括Estep和Mstep的迭代公式。

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推导EM算法,并证明收敛性。

Jensen’s inequality

定理:若fff是凸函数,XXX是随机变量,我们有:E[f(X)]≥f(EX)\mathrm{E}[f(X)] \geq f(\mathrm{E} X)E[f(X)]f(EX)

  • fff是严格凸函数,也就是f′′>0f^{''} > 0f>0恒成立,同时X=E[X]X=E[X]X=E[X](也就是概率为1),则等号成立。
  • fff是凹函数,则该定理也成立,只不过将大于等于换成小于等于。

忽略证明,该定理并不直观,可以用一个简单的例子帮助记忆:

image-20190418202130305

收敛性证明

我们想用模型拟合数据,也就是求似然函数:
ℓ(θ)=∑i=1mlog⁡p(x;θ)=∑i=1mlog⁡∑zp(x,z;θ) \begin{aligned} \ell(\theta) &=\sum_{i=1}^{m} \log p(x ; \theta) \\ &=\sum_{i=1}^{m} \log \sum_{z} p(x, z ; \theta) \end{aligned} (θ)=i=1mlogp(x;θ)=i=1mlogzp(x,z;θ)
其中,zzz是隐变量。如果zzz已知,那么直接用MLE求解即可,如果未知,则需要用EM算法迭代求解。

EM算法分为两步:

  1. E step:每次得到似然函数ℓ​\ell​的一个下界。
  2. M step:对该下界进行优化。

我们首先可以假设QQQzzz的分布,也就是满足:∑zQi(z)=1,Qi(z)≥1\sum_{z} Q_{i}(z)=1, Q_{i}(z) \geq 1zQi(z)=1,Qi(z)1

因此可以得到:
∑ilog⁡p(x(i);θ)=∑ilog⁡∑z(i)p(x(i),z(i);θ)=∑ilog⁡∑z(i)Qi(z(i))p(x(i),z(i);θ)Qi(z(i))≥∑i∑z(i)Qi(z(i))log⁡p(x(i),z(i);θ)Qi(z(i)) \begin{aligned} \sum_{i} \log p\left(x^{(i)} ; \theta\right) &=\sum_{i} \log \sum_{z^{(i)}} p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right) \\ &=\sum_{i} \log \sum_{z^{(i)}} Q_{i}\left(z^{(i)}\right) \frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right)}{Q_{i}\left(z^{(i)}\right)} \\ & \geq \sum_{i} \sum_{z^{(i)}} Q_{i}\left(z^{(i)}\right) \log \frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right)}{Q_{i}\left(z^{(i)}\right)} \end{aligned} ilogp(x(i);θ)=ilogz(i)p(x(i),z(i);θ)=ilogz(i)Qi(z(i))Qi(z(i))p(x(i),z(i);θ)iz(i)Qi(z(i))logQi(z(i))p(x(i),z(i);θ)
这里用到了期望就是概率的思想。我们将QQQ函数看成是在随机变量p(x(i),z(i);θ)Qi(z(i))\frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right)}{Q_{i}\left(z^{(i)}\right)}Qi(z(i))p(x(i),z(i);θ)上的概率分布,将函数fff看成是log function。因此,第二个等式可以看作是f(EX)f(EX)f(EX)。而由于fff函数是凹函数,因此根据Jensen’s inequality,可以得到不等式三。

这样,对于任意的分布QQQ,我们给出了似然函数的下界。因此,我们如何选择一个合适的QQQ呢?

我们如果对当前的θ\thetaθ有一个估计值,那么很自然的思想就是用这个估计值来得到不等式的下界。根据之前Jensen’s inequality不等式的分析,如果我们的随机变量是一个常量,那么等式一定成立,即:
p(x(i),z(i);θ)Qi(z(i))=c \frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right)}{Q_{i}\left(z^{(i)}\right)}=c Qi(z(i))p(x(i),z(i);θ)=c
因此,我们只需要Qi(z(i))∝p(x(i),z(i);θ)Q_{i}\left(z^{(i)}\right) \propto p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right)Qi(z(i))p(x(i),z(i);θ)即可。同时,由于∑zQi(z(i))=1\sum_{z} Q_{i}\left(z^{(i)}\right)=1zQi(z(i))=1的条件需要满足,因此构造一个QQQ函数为:
Qi(z(i))=p(x(i),z(i);θ)∑zp(x(i),z;θ)=p(x(i),z(i);θ)p(x(i);θ)=p(z(i)∣x(i);θ) \begin{aligned} Q_{i}\left(z^{(i)}\right) &=\frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right)}{\sum_{z} p\left(x^{(i)}, z ; \theta\right)} \\ &=\frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right)}{p\left(x^{(i)} ; \theta\right)} \\ &=p\left(z^{(i)} | x^{(i)} ; \theta\right) \end{aligned} Qi(z(i))=zp(x(i),z;θ)p(x(i),z(i);θ)=p(x(i);θ)p(x(i),z(i);θ)=p(z(i)x(i);θ)
实际上,这个QQQ函数就是我们熟悉的在给定θ\thetaθ下的后验分布。

如何证明收敛性呢?也就是需要证明ℓ(θ(t))≤ℓ(θ(t+1))\ell\left(\theta^{(t)}\right) \leq \ell\left(\theta^{(t+1)}\right)(θ(t))(θ(t+1))始终成立。

由于我们选择的QQQ函数能使得等式成立,因此在第t​t​t次迭代时,有:
ℓ(θ(t))=∑i∑z(i)Qi(t)(z(i))log⁡p(x(i),z(i);θ(t))Qi(t)(z(i)) \ell\left(\theta^{(t)}\right)=\sum_{i} \sum_{z^{(i)}} Q_{i}^{(t)}\left(z^{(i)}\right) \log \frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta^{(t)}\right)}{Q_{i}^{(t)}\left(z^{(i)}\right)} (θ(t))=iz(i)Qi(t)(z(i))logQi(t)(z(i))p(x(i),z(i);θ(t))
在第t+1t+1t+1次时,我们的θ(t+1)\theta^{(t+1)}θ(t+1)是最大化右边的式子的来的,因此:
ℓ(θ(t+1))≥∑i∑z(i)Qi(t)(z(i))log⁡p(x(i),z(i);θ(t+1))Qi(t)(z(i))≥∑i∑z(i)Qi(t)(z(i))log⁡p(x(i),z(i);θ(t))Qi(t)(z(i))=ℓ(θ(t)) \begin{aligned} \ell\left(\theta^{(t+1)}\right) & \geq \sum_{i} \sum_{z^{(i)}} Q_{i}^{(t)}\left(z^{(i)}\right) \log \frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta^{(t+1)}\right)}{Q_{i}^{(t)}\left(z^{(i)}\right)} \\ & \geq \sum_{i} \sum_{z^{(i)}} Q_{i}^{(t)}\left(z^{(i)}\right) \log \frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta^{(t)}\right)}{Q_{i}^{(t)}\left(z^{(i)}\right)} \\ &=\ell\left(\theta^{(t)}\right) \end{aligned} (θ(t+1))iz(i)Qi(t)(z(i))logQi(t)(z(i))p(x(i),z(i);θ(t+1))iz(i)Qi(t)(z(i))logQi(t)(z(i))p(x(i),z(i);θ(t))=(θ(t))
其中,第一个不等式是根据Jensen’s inequality,第二个不等式是根据最大化θ\thetaθ的性质来的。

如果我们定义:
J(Q,θ)=∑i∑z(i)Qi(z(i))log⁡p(x(i),z(i);θ)Qi(z(i)) J(Q, \theta)=\sum_{i} \sum_{z^{(i)}} Q_{i}\left(z^{(i)}\right) \log \frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \theta\right)}{Q_{i}\left(z^{(i)}\right)} J(Q,θ)=iz(i)Qi(z(i))logQi(z(i))p(x(i),z(i);θ)
那么,EM算法也可以看作是在JJJ上进行coordinate ascent

  1. E step 时,固定θ\thetaθ,根据QQQ最大化JJJ
    • 实际上是通过Jensen’s inequality的性质,定义QQQ函数为后验概率满足等式)
  2. M step 时,固定QQQ,根据θ\thetaθ最大化JJJ
    • 实际上是通过MLE进行最大化

GMM revisited

GMM的思想不再阐述,这里主要进行推导closed form。

E step

E step相对容易一些,我们对于当前步估计的所有参数值,计算zzz的后验分布:
wj(i)=Qi(z(i)=j)=P(z(i)=j∣x(i);ϕ,μ,Σ) w_{j}^{(i)}=Q_{i}\left(z^{(i)}=j\right)=P\left(z^{(i)}=j | x^{(i)} ; \phi, \mu, \Sigma\right) wj(i)=Qi(z(i)=j)=P(z(i)=jx(i);ϕ,μ,Σ)

M step

根据上一步得到的zzz的分布,我们最大化ℓ\ell的下界:
∑i=1m∑z(i)Qi(z(i))log⁡p(x(i),z(i);ϕ,μ,Σ)Qi(z(i))=∑i=1m∑j=1kQi(z(i)=j)log⁡p(x(i)∣z(i)=j;μ,Σ)p(z(i)=j;ϕ)Qi(z(i)=j)=∑i=1m∑j=1kwj(i)log⁡1(2π)n/2∣Σj∣1/2exp⁡(−12(x(i)−μj)TΣj−1(x(i)−μj))⋅ϕjwj(i) \begin{aligned} \sum_{i=1}^{m} & \sum_{z^{(i)}} Q_{i}\left(z^{(i)}\right) \log \frac{p\left(x^{(i)}, z^{(i)} ; \phi, \mu, \Sigma\right)}{Q_{i}\left(z^{(i)}\right)} \\ &=\sum_{i=1}^{m} \sum_{j=1}^{k} Q_{i}\left(z^{(i)}=j\right) \log \frac{p\left(x^{(i)} | z^{(i)}=j ; \mu, \Sigma\right) p\left(z^{(i)}=j ; \phi\right)}{Q_{i}\left(z^{(i)}=j\right)} \\ &=\sum_{i=1}^{m} \sum_{j=1}^{k} w_{j}^{(i)} \log \frac{\frac{1}{(2 \pi)^{n / 2}\left|\Sigma_{j}\right|^{1 / 2}} \exp \left(-\frac{1}{2}\left(x^{(i)}-\mu_{j}\right)^{T} \Sigma_{j}^{-1}\left(x^{(i)}-\mu_{j}\right)\right) \cdot \phi_{j}}{w_{j}^{(i)}}\end{aligned} i=1mz(i)Qi(z(i))logQi(z(i))p(x(i),z(i);ϕ,μ,Σ)=i=1mj=1kQi(z(i)=j)logQi(z(i)=j)p(x(i)z(i)=j;μ,Σ)p(z(i)=j;ϕ)=i=1mj=1kwj(i)logwj(i)(2π)n/2Σj1/21exp(21(x(i)μj)TΣj1(x(i)μj))ϕj
我们只需要分别对三个参数进行求导,即可得到:
μl:=∑i=1mwl(i)x(i)∑i=1mwl(i)ϕj:=1m∑i=1mwj(i)Σj:=∑i=1mwj(i)(x(i)−μj)(x(i)−μj)T∑i=1mwj(i) \mu_{l} :=\frac{\sum_{i=1}^{m} w_{l}^{(i)} x^{(i)}}{\sum_{i=1}^{m} w_{l}^{(i)}}\\ \phi_{j} :=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} w_{j}^{(i)}\\ \Sigma_{j} :=\frac{\sum_{i=1}^{m} w_{j}^{(i)}\left(x^{(i)}-\mu_{j}\right)\left(x^{(i)}-\mu_{j}\right)^{T}}{\sum_{i=1}^{m} w_{j}^{(i)}} μl:=i=1mwl(i)i=1mwl(i)x(i)ϕj:=m1i=1mwj(i)Σj:=i=1mwj(i)i=1mwj(i)(x(i)μj)(x(i)μj)T
这也就是我们上一个博客给出的EM算法的迭代过程。

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