EM算法总结

【大道至简】机器学习算法之EM算法(Expectation Maximization Algorithm)详解(附代码)---通俗理解EM算法。 通过上面的分析,我们终于可以总结一下EM算法啦!总的来说,EM算法分为E步和M步:(1)给参数θ即第0步赋初值;(2)如果是第一轮迭代,那么令θ=来计算Q函数;如果是>1轮迭代,则θ的值由上一次M步计算出的θ值决定。由于E步时θ已知,所以只需要计算Q,公式如下:也就是给定θ和已知的观测数据x的条件下,求一下隐变量z的条件概率。(3)根据E步计算出来的Q,按如下公式计算θ:也就是固定Q(z也固定)和已知的观测数据x,算一下θ。(4)重复(3)和(4)直至收敛。 阅读详情

EM算法(Expectation-Maximum)算法。

1,要解决的问题

在一些情况下,我们得到的观察数据有未观察到的隐含数据,此时我们有未知的隐含数据和模型参数,因而无法直接用极大化对数似然函数得到模型分布的参数。怎么办呢?这就是EM算法可以派上用场的地方了。

算法思路

假设未知的隐含数据为z,模型参数为 θ θ 。
已知的输入数据为:
x=(x(1),x(2),...x(m)) x = ( x ( 1 ) , x ( 2 ) , . . . x ( m ) )
联合分布 p(x,z|θ) p ( x , z | θ )
条件分布 p(z|x,θ) p ( z | x , θ )

  1. 随即初始画模型参数 θ θ 的初值 θ0 θ 0 。
  2. for j from 1 to J开始EM算法迭代:
    a. E步:

    Qi(z(i))=P(z(i)|x(i),θj)(1) (1) Q i ( z ( i ) ) = P ( z ( i ) | x ( i ) , θ j )

    ((1)需证明,该等式为何成立)
    L(θ,θj)=∑I=1m∑z(i)Qi(z(i))logP(x(i),z(i)|θ)(2) (2) L ( θ , θ j ) = ∑ I = 1 m ∑ z ( i ) Q i ( z ( i ) ) log ⁡ P ( x ( i ) , z ( i ) | θ )

    ((2)需证明,该等式为何成立)
    b. M步:极大化 L(θ,θj) L ( θ , θ j ) ,得到 θj+1 θ j + 1 :
    θj+1=argmaxθL(θ,θj) θ j + 1 = arg ⁡ max θ L ( θ , θ j )

    c. 如果 θj+1已收敛,则算法结束,不然回到步骤a重复迭代 θ j + 1 已 收 敛 , 则 算 法 结 束 , 不 然 回 到 步 骤 a 重 复 迭 代
    ((3)需证明,为何可以收敛)

    数学证明

    证明步骤中,先证明了为什么(2)是最大似然函数。再证明(1)等式成立。最后证明收敛性。
    对于m个样本观察数据 x=(x(1),x(2),...x(m)) x = ( x ( 1 ) , x ( 2 ) , . . . x ( m ) ) ,m个未观察到的隐含数据 z=(z(1),z(2),...z(m)) z = ( z ( 1 ) , z ( 2 ) , . . . z ( m ) ) ,极大化模型分布的对数似然函数如下:

    θ=argmaxθ∑i=1mlogP(x(i)|θ)=argmaxθ∑i=1mlog∑z(i)P(x(i),z(i)|θ) θ = arg ⁡ max θ ∑ i = 1 m log ⁡ P ( x ( i ) | θ ) = arg ⁡ max θ ∑ i = 1 m log ⁡ ∑ z ( i ) P ( x ( i ) , z ( i ) | θ )

    再对该等式进行缩放,缩放用到Jensen不等式,通过
    log∑jλjyj≥∑jλjlogyj,λj≥0,∑jλj=1 log ⁡ ∑ j λ j y j ≥ ∑ j λ j log ⁡ y j , λ j ≥ 0 , ∑ j λ j = 1

    可以得出:
    ∑i=1mlog∑z(i)P(x(i),z(i)|θ)=∑i=1mlog∑z(i)Qi(z(i))P(x(i),z(i)|θ)Qi(z(i))≥∑i=1m∑z(i)Qi(z(i))logP(x(i),z(i)|θ)Qi(z(i))(755) (755) ∑ i = 1 m log ⁡ ∑ z ( i ) P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) = ∑ i = 1 m log ⁡ ∑ z ( i ) Q i ( z ( i ) ) P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) Q i ( z ( i ) ) ≥ ∑ i = 1 m ∑ z ( i ) Q i ( z ( i ) ) log ⁡ P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) Q i ( z ( i ) )

    由于 ∑zQi(z(i))=1, ∑ z Q i ( z ( i ) ) = 1 , 当 P(x(i),z(i)|θ)Qi(z(i))=c P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) Q i ( z ( i ) ) = c ,等号成立
    而从上面两等式中,我们可以得到:
    Qi(z(i))=P(x(i),z(i)|θ)c=P(x(i),z(i)|θ)c×∑zQi(z(i))=P(x(i),z(i)|θ)∑zP(x(i),z(i)|θ)=P(x(i),z(i)|θ)P(x(i)|θ)=P(z(i)|x(i),θ)(756) (756) Q i ( z ( i ) ) = P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) c = P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) c × ∑ z Q i ( z ( i ) ) = P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) ∑ z P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) = P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) P ( x ( i ) | θ ) = P ( z ( i ) | x ( i ) , θ )

    所以(1)中证明成立
    所以当等式成立时, ∑mi=1∑z(i)Qi(z(i))logP(x(i),z(i)|θ)Qi(z(i)) ∑ i = 1 m ∑ z ( i ) Q i ( z ( i ) ) log ⁡ P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) Q i ( z ( i ) ) 是对数似然函数的下界,求该函数的极大下界。有助于极大化 ∑mi=1log∑z(i)P(x(i),z(i)|θ) ∑ i = 1 m log ⁡ ∑ z ( i ) P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) .所以:
    ==argmaxθ∑i=1m∑z(i)Qi(z(i))logP(x(i),z(i)|θ)Qi(z(i))argmaxθ∑i=1m∑z(i)Qi(z(i))(logP(x(i),z(i)|θ)−logQi(z(i)))argmaxθ∑i=1m∑z(i)Qi(z(i))logP(x(i),z(i)|θ)(757) (757) arg ⁡ max θ ∑ i = 1 m ∑ z ( i ) Q i ( z ( i ) ) log ⁡ P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) Q i ( z ( i ) ) = arg ⁡ max θ ∑ i = 1 m ∑ z ( i ) Q i ( z ( i ) ) ( log ⁡ P ( x ( i ) , z ( i ) | θ ) − log ⁡ Q i ( z ( i ) ) ) = arg ⁡ max θ ∑ i = 1 m ∑ z ( i ) Q i ( z ( i ) ) log ⁡ P ( x ( i ) , z ( i ) | θ )

    所以(2)中证明成立
    (3)要求EM算法收敛时,则我们需要证明我们的对数似然函数的值在迭代的过程中一直在增大。 只需证明 ∑mi=1logP(x(i)|θj+1)≥∑mi=1logP(x(i)|θj) ∑ i = 1 m log ⁡ P ( x ( i ) | θ j + 1 ) ≥ ∑ i = 1 m log ⁡ P ( x ( i ) | θ j ) ,这里不做证明。详细可以参考EM算法总结
    以上就是EM算法的整个过程,和数学证明。

代码

#-*-coding:utf-8-*-
import numpy as np 
from scipy.stats import binom

def em_single(priors, observations):
    counts = {"A": {"H": 0, "T": 0}, "B": {"H": 0, "T": 0}}
    theta_A = priors[0]
    theta_B = priors[1]

    for observation in  observations:
        len_observation = len(observation)
        num_head = sum(observation)
        num_tail = len_observation - num_head

        contribution_A = binom.pmf(num_head, len_observation, theta_A)
        contribution_B = binom.pmf(num_head, len_observation, theta_B)

        weight_A = contribution_A/(contribution_A + contribution_B)
        weight_B = contribution_B/(contribution_A + contribution_B)

        counts["A"]["H"] += weight_A * num_head
        counts["A"]["T"] += weight_A * num_tail
        counts["B"]["H"] += weight_B * num_head
        counts["B"]["T"] += weight_B * num_tail

    new_theta_A = counts["A"]["H"] / (counts["A"]["H"] + counts["A"]["T"])
    new_theta_B = counts["B"]["H"] / (counts["B"]["H"] + counts["B"]["T"])
    return (new_theta_A, new_theta_B)


def em(observations, prior, tol = 1e-6, itertions = 10000):
    itertion = 0
    while itertion < itertions:
        new_prior = em_single(prior, observations)
        delta_change = np.abs(prior[0] - new_prior[0])
        if delta_change < tol:
            break
        else:
            prior = new_prior
            itertion += 1
    return ([new_prior, itertion])


def main(argv = None):
    observations = np.array([[1,0,0,0,1,1,0,1,0,1],
                        [1,1,1,1,0,1,1,1,0,1],
                        [1,0,1,1,1,1,1,0,1,1],
                        [1,0,1,0,0,0,1,1,0,0],
                        [0,1,1,1,0,1,1,1,0,1]])
    print em(observations, [0.8, 0.2])

if __name__ == "__main__":
    main()
EM算法的意义 知乎问题讨论,讨论EM算法的意义。知乎问题讨论,讨论EM算法的意义。 立即下载

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B. Palm", title = "Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data", year = "2012",}```Contact: rasmusbergpalm at gmail dot comDirectories included in the toolbox-----------------------------------`NN/` - A library for Feedforward Backpropagation Neural Networks`CNN/` - A library for Convolutional Neural Networks`DBN/` - A library for Deep Belief Networks`SAE/` - A library for Stacked Auto-Encoders`CAE/` - A library for Convolutional Auto-Encoders`util/` - Utility functions used by the libraries`data/` - Data used by the examples`tests/` - unit tests to verify toolbox is workingFor references on each library check REFS.mdSetup-----1. Download.2. addpath(genpath('DeepLearnToolbox'));Example: Deep Belief Network---------------------```matlabfunction test_example_DBNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit RBM and visualize its weightsrand('state',0)dbn.sizes = [100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);figure; visualize(dbn.rbm{1}.W'); % Visualize the RBM weights%% ex2 train a 100-100 hidden unit DBN and use its weights to initialize a NNrand('state',0)%train dbndbn.sizes = [100 100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);%unfold dbn to nnnn = dbnunfoldtonn(dbn, 10);nn.activation_function = 'sigm';%train nnopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.10, 'Too big error');```Example: Stacked Auto-Encoders---------------------```matlabfunction test_example_SAEload mnist_uint8;train_x = double(train_x)/255;test_x = double(test_x)/255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit SDAE and use it to initialize a FFNN% Setup and train a stacked denoising autoencoder (SDAE)rand('state',0)sae = saesetup([784 100]);sae.ae{1}.activation_function = 'sigm';sae.ae{1}.learningRate = 1;sae.ae{1}.inputZeroMaskedFraction = 0.5;opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;sae = saetrain(sae, train_x, opts);visualize(sae.ae{1}.W{1}(:,2:end)')% Use the SDAE to initialize a FFNNnn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm';nn.learningRate = 1;nn.W{1} = sae.ae{1}.W{1};% Train the FFNNopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.16, 'Too big error');```Example: Convolutional Neural Nets---------------------```matlabfunction test_example_CNNload mnist_uint8;train_x = double(reshape(train_x',28,28,60000))/255;test_x = double(reshape(test_x',28,28,10000))/255;train_y = double(train_y');test_y = double(test_y');%% ex1 Train a 6c-2s-12c-2s Convolutional neural network %will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error. %With 100 epochs you'll get around 1.2% errorrand('state',0)cnn.layers = { struct('type', 'i') %input layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 6, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %sub sampling layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 12, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %subsampling layer};cnn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);opts.alpha = 1;opts.batchsize = 50;opts.numepochs = 1;cnn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);%plot mean squared errorfigure; plot(cnn.rL);assert(er<0.12, 'Too big error');```Example: Neural Networks---------------------```matlabfunction test_example_NNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);% normalize[train_x, mu, sigma] = zscore(train_x);test_x = normalize(test_x, mu, sigma);%% ex1 vanilla neural netrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samples[nn, L] = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.08, 'Too big error');%% ex2 neural net with L2 weight decayrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.weightPenaltyL2 = 1e-4; % L2 weight decayopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex3 neural net with dropoutrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.dropoutFraction = 0.5; % Dropout fraction opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex4 neural net with sigmoid activation functionrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm'; % Sigmoid activation functionnn.learningRate = 1; % Sigm require a lower learning rateopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex5 plotting functionalityrand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]);opts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through datann.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex6 neural net with sigmoid activation and plotting of validation and training error% split training data into training and validation datavx = train_x(1:10000,:);tx = train_x(10001:end,:);vy = train_y(1:10000,:);ty = train_y(10001:end,:);rand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]); nn.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, tx, ty, opts, vx, vy); % nntrain takes validation set as last two arguments (optionally)[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');```[![Bitdeli Badge](https://d2weczhvl823v0.cloudfront.net/rasmusbergpalm/deeplearntoolbox/trend.png)](https://bitdeli.com/free "Bitdeli Badge")

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