指数分布族

本文介绍了广义线性模型的基础概念,从指数分布族出发,深入探讨了最大熵原理的应用,并通过具体实例展示了如何在特定条件下求解最大熵模型。此外,还详细解释了高斯分布的指数形式。

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我们都知道logistic回归,softmax回归,线性回归,他们看上去不一样但是他们都属于广义线性模型【Generalized Linear Mode】。这篇博客就来介绍他们。要介绍广义线性模型前,首先介绍指数分布族。

一、指数分布族【The exponential family】

指数分布族具有如下形式:

下面是对指数分布族的一些理解:

下面列出怎么求解参数

二、最大熵的角度理解指数分布族:

2.1、熵的定义

假设离散随机变量X的概率分布是P(X),其熵为

                                                               

2.2、最大熵原理

最大熵原理认为,学习概率模型时,在所有的概率模型中,熵最大的模型是最好的模型。在满足约束条件下,如果没有更多的信息,则那些不确定的部分概率相等时熵最大。

举一个没有已知分布约束条件下的例子。假设随机变量X有5个取值{A,B,C,D,E},要估计各个值的概P(A),P(B),P(C),P(D),

P(E).这些概率值相加为1,则他们的概率值都是五分之一。下面给出证明:

上面给出了没有任何已知条件下,各个概率相等的条件下,熵最大。下面给出了有已知条件下,最大熵模型的求解。

三、高斯分布的指数形式

本来想写成广义线性模型来,可是看了好久的笔记,不知道怎么把这一部分写出来,这个先放下,等以后有时间的时候,在写成广义线性模型。

参考资料:1>机器学习-白板推导系列-指数分布族

                    2>CS229机器学习课件

                    3>李航-统计机器学习

 

 

 

### 关于指数分布族与广义线性模型的关系 在统计学领域,广义线性模型(GLM)提供了一种灵活的方法来建模响应变量 \(y\) 与其预测因子之间的关系。不同于经典的线性回归假定误差项遵循正态分布,在广义线性框架下,\(y\) 可以来自更广泛的概率分布——即所谓的指数分布族[^1]。 #### 定义与特性 指数分布族是一类能够被表达成特定参数化形式的概率密度或质量函数集合。这类分布具有统一的数学结构,允许通过调整自然参数 \(\eta\) 来适应不同的实际应用场景。具体来说,当给定输入特征向量 \(x\) 后,目标变量 \(y| x; \theta\) 被认为是从某个具体的指数型分布中抽取出来的样本[^4]。 对于某些常见的离散和连续数据类型,如计数资料、比例数据以及生存时间等,都存在相应的成员归属于此大家庭之中: - **伯努利分布**用于描述只有两种可能结果的现象; - **泊松分布**适用于处理事件发生次数的数据集; - **高斯/正态分布**则是衡量连续数值型测量值的标准工具之一[^2]; 这些特殊的案例展示了如何利用不同类型的指数分布构建适合各自特点的广义线性模型实例[^3]。 ### 应用场景举例 考虑到上述提到的各种情况,下面给出几个基于指数分布族建立起来的具体应用例子: 1. 对于二分类问题,可以选择逻辑斯特回归作为解决方案,此时所依据的就是伯努利分布。 ```r glm(formula = outcome ~ ., family = binomial(), data = dataset) ``` 2. 当面对的是非负整数计数时,则可采用泊松回归来进行分析,它依赖于泊松分布的特点。 ```r glm(formula = count_variable ~ predictors, family = poisson(link="log"), data=dataset) ``` 3. 若研究对象涉及连续性的度量指标,并且满足近似常态的要求的话,那么传统的最小二乘法下的多元线性回归实际上就是一种特殊情况下的广义线性模型,这里的基础便是高斯分布。 ```r lm(formula = continuous_response ~ covariates, data = dataframe) ``` 综上所述,通过对各种不同类型的实际问题选用恰当的指数分布成员并将其融入到广义线性模型当中去,可以有效地提高模型拟合效果及其解释能力。
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