em算法 c语言,EM算法

EM算法

作者:罗维

初稿:2011年1月15日

修正:2012年1月14日

很碰巧,时隔一年了。面对经典的EM算法,我有了新的认识。经常有人谈到它就是"鸡生蛋,蛋生鸡"的解法,这个很通俗,但是只了解到这一层,是远不够的……

EM算法的全名是Expectation Maximization,中文名叫期望最大化算法。它是一个在含有隐变量的模型中常用的算法,在最大似然估计(MLE)和最大后验估计(MAP)中常用。在GMM、HMM、PCFG、IBM 5个对齐模型以及K-Means聚类方法中均有它的影子。下面会以MLE估计来介绍它,随后给出其两种证明方法,最后以实际模型中的应用为例,以期达到融会贯通的目的。

1. EM因什么而存在?

定义:观测变量X,针对X所获得的n个观测样本为(

33370807_1.jpg) (数学上为了计算方便,一般认为它们之间满足独立同分布(independent and identically distributed, i.i.d)分布),随机变量Z,是与观测变量对应的隐含变量,在所取n个样本中对应的取值为(

33370807_2.jpg) (同样认为它们满足i.i.d分布)。参数变量

33370807_3.jpg为模型的一系列参数(注意,k的大小与n的大小没有关系)。因为我们在MLE估计中来讨论EM算法,所以这里,

33370807_4.jpg不是随机变量,而是普通的变量。

依照最大似然估计(Maximum Likelihood Estimation, MLE),形式化定义为:

33370807_5.jpg

33370807_6.jpg (1)

在某些问题中由于存在隐含的随机变量Z,故由边缘分布的概念知道有:

33370807_7.jpg (2)

(2)式在很多时候是intractable(可以回顾HMM和PCFG中的情形)。这时需要另辟蹊径,而EM正是解决这类问题的有力武器。

1.1问题诠释

*** 为什么会有隐含变量?

存在隐含变量,是EM不同于一般的MLE问题的本质。隐含变量,可能是模型中真正存在的(如HMM,PCFG中的参数求解),也可能是为了求解方便而引入的。

2.EM收敛到最大似然的2种证明

以最大似然为目标函数,EM能收敛吗?下面我们将给出两种证明。第一种证明是通过不断提高下界的思路来证,更能表达EM的本质;而第二种证明却是我们常在实际中应用EM的思路。

2.1 优化下界的证法

先做一些基础的推导:

(1) 拆分

33370807_8.jpg:

33370807_9.jpg

(2) 等式两边同乘以q(Z),并对Z求和:

33370807_10.jpg

(3) 由于Z与

33370807_11.jpg独立,且

33370807_12.jpg,于是,

33370807_13.jpg

(4) 引入两个函数:

33370807_14.jpg

33370807_15.jpg

这时,

33370807_8.jpg可以简化为:

33370807_16.jpg

注意,

33370807_17.jpg,等号在p=q时成立。所以

33370807_18.jpg是

33370807_8.jpg的下界。而EM算法的思路就是靠不断的提高下界

33370807_18.jpg,来找到

33370807_8.jpg的最大值。再回顾一下,直接计算

33370807_8.jpg有时候是件困难/复杂的事情。不过计算

33370807_18.jpg是比较容易的。那么如何提高下界呢?EM算法的E步和M步正是来实现这个目标的。

E步:假设当前的参数为

33370807_19.jpg,固定

33370807_19.jpg,找一个分布q(Z),使得

33370807_18.jpg最大。但是注意到

33370807_20.jpg与Z无关,所以使

33370807_18.jpg最大,等价于使

33370807_21.jpg最小(=0),也就是说

33370807_22.jpg。

M步:固定q(Z),找新参数

33370807_23.jpg,使得

33370807_24.jpg最大。当然,

33370807_8.jpg的增大可能来自于两部分:

33370807_24.jpg和

33370807_21.jpg,毕竟此时

33370807_25.jpg和

33370807_22.jpg一般是不同的,所以

33370807_17.jpg。

2.2 常规思路的证法

同样我们先做一些基础的推导:

回到

33370807_26.jpg,我们知道

33370807_27.jpg

那么等式两边去对数,得到

33370807_28.jpg

等式两边都加上对关于Z的条件概率分布

33370807_29.jpg的积分,我们得到:

33370807_30.jpg

(注意:对比前一个证法,这里是与那有相似之处的。那里是引入了q(Z),而这里是直接将

33370807_31.jpg,同时这边少了可以消掉的lnq(Z)项)

引入两个函数来分别表示上式右边的两项:

33370807_32.jpg (4)

33370807_33.jpg (5)

这样,

33370807_34.jpg就可以表示为:

33370807_35.jpg (6)

(注意:(4)(5)(6)式都是关于

33370807_4.jpg的函数)

好,如果对

33370807_34.jpg,在迭代求解中有

33370807_36.jpg,那么就有理由说EM收敛是可能的。那如何从

33370807_37.jpg构造

33370807_38.jpg,才能使得

33370807_36.jpg成立?

接下来,我们寻找一种办法来构造

33370807_4.jpg:

对

33370807_36.jpg,应用(6)有:

33370807_39.jpg

在这,我们首先尝试去证明

33370807_40.jpg,然后尝试去最大化

33370807_41.jpg。

首先证明

33370807_40.jpg。

33370807_33.jpg是关于

33370807_4.jpg的函数,且在

33370807_37.jpg处取得函数的最大值,即当

33370807_42.jpg时,

33370807_43.jpg。

而实际上

33370807_44.jpg

(中间对上凸函数

33370807_45.jpg应用了Jensen不等式)

证毕。

所以只要我们保证

33370807_41.jpg成立,那么就能保证

33370807_36.jpg成立。当然这点很容易保证,即我们选择

33370807_38.jpg为使

33370807_46.jpg取最大值的

33370807_4.jpg,即

33370807_47.jpg。

======================================

以上面的思路就已经证明了可以选出一个

33370807_38.jpg,它使得

33370807_36.jpg,也就是我们已经找到一个迭代求解的方法(这种方法就叫EM)使得

33370807_34.jpg收敛。总结EM算法如下:

=================================

E步:计算关于

33370807_4.jpg的函数(其形式本质上是期望)

33370807_32.jpg

M步:

33370807_47.jpg

(循环做E步和M步)

=================================

总结来说,EM算法就是通过迭代地最大化完整数据的对数似然函数的期望,来最大化不完整数据的对数似然函数。

2.3 两种证法的等价性

关于两种证法在最大化目标的解释,第一种方法是在最大化

33370807_14.jpg,当然在E步得出

33370807_22.jpg。

第二种方法是在最大化

33370807_32.jpg。

其实两个是等价的,把

33370807_22.jpg代入

33370807_18.jpg得到:

33370807_48.jpg

注意到,第一种方法,M步是固定

33370807_22.jpg寻找

33370807_23.jpg,因此上式的后一项

33370807_49.jpg是常数。所以最大化

33370807_14.jpg,等价于在最大化上式的前一项

33370807_50.jpg,从形式上看,就是

33370807_32.jpg。所以两种证法是等价的。

3.EM应用场景

3.1 IBM Model

(1) 隐变量确实是对齐吗?

答:是的,确实是词与词之间的对齐。

(2) EM是算似然概率的(指

33370807_26.jpg,

33370807_51.jpg),那么在IBM模型中哪里体现了似然概率?

答:分别在P(F|E), P(F,A|E)中。参数

33370807_4.jpg是融于公式中的词汇翻译概率、位置扭曲概率以及繁殖概率等等。

(3) E步在算谁?

答:以Model 1为例,E步算的就是:

33370807_52.jpg

33370807_53.jpg

形式上仍是log-likelihood在关于隐藏变量的某种概率分布下的期望。

(对比

33370807_54.jpg)

3.2 GMM、HMM、PCFG

对于它们以及词语对齐模型,隐变量都是辅助描述模型的某种"结构",如对于HMM,隐变量是状态转移序列这种结构,参数是状态转移概率和发射概率;对于GMM,隐变量是样本点所属的类别这种结构,参数是这些高斯分布的相关参数;对于PCFG,隐变量是指句法分析树这种结构,参数是规则概率。

4. EM变种

4.1 Variational EM

有些时候,

33370807_22.jpg是不能显式的计算出来,这个时候最大化

33370807_18.jpg就显得相当困难。这个时候,可以考虑不一定保证Jensen不等式一定要取等号,如果给定

33370807_55.jpg某种形式,就得到variational EM算法。

4.2 EM for MAP

上面讲的是针对MLE估计的EM算法,其实也有针对MAP估计的EM算法。

4.2 Online EM

上面讲的是EM可以归于batch EM一类,还有文献介绍关于online EM的论述。可以在文献[2]中阅读到有关online EM的内容。

5. 总结

EM算法就是通过迭代地最大化完整数据的对数似然函数的期望,来最大化不完整数据的对数似然函数。当然,针对各种EM的变形,它们又有各自的应用场景。

参考文献

[1]Bishop, C.M. Pattern Recognition and Machine Learning.

[2] Neal, R.M. and Hinton, G.E. A view of the EM algorithm that justifies incremental, sparse, and other variants.

转载请注明出处:http://luowei828.blog.163.com/

EM算法c和matlab程序 采用c语言和matlab编程,使用K_means分裂法求初值,在用EM算法进行聚类 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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柯南大夫
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