高斯混合模型的EM算法

本文通过Python实现混合高斯分布的参数估计,采用EM算法进行迭代优化。首先定义了高斯分布及混合高斯分布函数,然后生成了由三个不同高斯分布组成的样本数据集。接着,使用EM算法迭代更新混合高斯分布的参数,包括均值、协方差矩阵和混合系数,最终实现了对原始分布的有效逼近。

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使用python模拟混合高斯分布的参数估计。
导入必要的软件包

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np 
from numpy.linalg import inv, det

定义高斯分布以及高斯混合分布

# 多维高斯分布
def gaussion(x, mu, Sigma):
    dim = len(x)
    constant = (2*np.pi)**(-dim/2) * det(Sigma)**(-0.5)
    return constant * np.exp(-0.5*(x-mu).dot(inv(Sigma)).dot(x-mu))
# 高斯混合分布
def gaussion_mixture(x, Pi, mu, Sigma):
    z = 0
    for idx in range(len(Pi)):
        z += Pi[idx]* gaussion(x, mu[idx], Sigma[idx])
    return z


定义数据集生成函数(手动模拟数据集),从三个高斯分布中采样

# 权重
Pi = np.array([ 0.3, 0.3, 0.4 ])
# 均值
mu = np.array([
    [-6, 3],
    [3, 6],
    [0, -6]
])
# 协方差矩阵
Sigma = np.array([
    [[4,0], [0,4]],
    [[4,1], [1,4]],
    [[6,2], [2,6]]
])

def sampling(Pi, mean, cov, N):
    samples = np.array([])
    for idx in range(len(Pi)):
        _sample = np.random.multivariate_normal(mean[idx], cov[idx], int(N*Pi[idx]))
        samples = np.append(samples, _sample)
    return samples.reshape((-1, mean[0].shape[0]))

数据分布如下图:
在这里插入图片描述
绘制高斯分布等高线图,用来展示拟合的高斯分布

# 绘制混合高斯分布等高线图
def plot_gaussion(Pi, mu, Sigma):
    x = np.linspace(-10, 10, 100)
    y = np.linspace(-10, 10, 100)
    x, y = np.meshgrid(x, y)
    X = np.array([x.ravel(), y.ravel()]).T
    z = [ gaussion_mixture(x, Pi, mu, Sigma) for x in X ]
    z = np.array(z).reshape(x.shape)
    return plt.contour(x, y, z)

定义EM算法的一次迭代过程

def EM_step(X, Pi, mu, Sigma):
    N = len(X); K = len(Pi)
    gamma = np.zeros((N, K))

    # E-step
    for n in range(N):
        p_xn = 0
        for k in range(K):
            t = Pi[k]*gaussion(X[n], mu[k], Sigma[k]) 
            p_xn += t
            gamma[n, k] = t
        gamma[n] /= p_xn

    # M-step
    for k in range(K):
        _mu = np.zeros(mu[k].shape)
        _Sigma = np.zeros(Sigma[k].shape)
        N_k = np.sum(gamma[:,k])

        # 更新均值
        for n in range(N):
            _mu += gamma[n,k]*X[n]
        mu[k] = _mu / N_k

        # 更新方差
        for n in range(N):
            delta = np.matrix(X[n]- mu[k]).T
            _Sigma += gamma[n, k]*np.array( delta.dot(delta.T) )
        Sigma[k] = _Sigma / N_k

        # 更新权重
        Pi[k] = N_k / N
    return Pi, mu, Sigma

开始EM算法迭代过程,并显示每次迭代过程

if __name__ == '__main__':
    # 参数初始值
    _Pi = np.array([
        0.33, 
        0.33, 
        0.34
    ])
    _mu = np.array([
        [0, -1],
        [1, 0],
        [-1, 0]
    ])
    _Sigma = np.array([
        [[1,0], [0,1]],
        [[1,0], [0,1]],
        [[1,0], [0,1]]
    ])

    n_iter = 3
    samples = sampling(Pi, mu, Sigma, 200)
    
    # 绘制初始状态
    plt.subplot(2, 2, 1)
    plt.title('Initialization')
    plt.scatter(*samples.T)
    plot_gaussion(_Pi, _mu, _Sigma)

    for i in range(n_iter):
        # EM算法迭代
        _Pi, _mu, _Sigma = EM_step(samples, _Pi, _mu, _Sigma)
        # 绘制每轮迭代结果
        plt.subplot(2, 2, i+2)
        plt.title('Iteration = $%d$' % (i+1))
        plt.scatter(*samples.T)
        plot_gaussion(_Pi, _mu, _Sigma)
    plt.show()

实验结果

选取隐变量zz的状态有三种,经过33轮迭代之后的实验结果如下图:
在这里插入图片描述
Reference:
https://www.cnblogs.com/luchu/articles/8647028.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/30483076

内容概要:本文档详细介绍了在三台CentOS 7服务器(IP地址分别为192.168.0.157、192.168.0.158和192.168.0.159)上安装和配置Hadoop、Flink及其他大数据组件(如Hive、MySQL、Sqoop、Kafka、Zookeeper、HBase、Spark、Scala)的具体步骤。首先,文档说明了环境准备,包括配置主机名映射、SSH免密登录、JDK安装等。接着,详细描述了Hadoop集群的安装配置,包括SSH免密登录、JDK配置、Hadoop环境变量设置、HDFS和YARN配置文件修改、集群启动与测试。随后,依次介绍了MySQL、Hive、Sqoop、Kafka、Zookeeper、HBase、Spark、Scala和Flink的安装配置过程,包括解压、环境变量配置、配置文件修改、服务启动等关键步骤。最后,文档提供了每个组件的基本测试方法,确保安装成功。 适合人群:具备一定Linux基础和大数据组件基础知识的运维人员、大数据开发工程师以及系统管理员。 使用场景及目标:①为大数据平台建提供详细的安装指南,确保各组件能够顺利安装和配置;②帮助技术人员快速掌握Hadoop、Flink等大数据组件的安装与配置,提升工作效率;③适用于企业级大数据平台的建与维护,确保集群稳定运行。 其他说明:本文档不仅提供了详细的安装步骤,还涵盖了常见的配置项解释和故障排查建议。建议读者在安装过程中仔细阅读每一步骤,并根据实际情况调整配置参数。此外,文档中的命令和配置文件路径均为示例,实际操作时需根据具体环境进行适当修改。
在无线通信领域,天线阵列设计对于信号传播方向和覆盖范围的优化至关重要。本题要求设计一个广播电台的天线布局,形成特定的水平面波瓣图,即在东北方向实现最大辐射强度,在正东到正北的90°范围内辐射衰减最小且无零点;而在其余270°范围内允许出现零点,且正西和西南方向必须为零。为此,设计了一个由4个铅垂铁塔组成的阵列,各铁塔上的电流幅度相等,相位关系可自由调整,几何布置和间距不受限制。设计过程如下: 第一步:构建初级波瓣图 选取南北方向上的两个点源,间距为0.2λ(λ为电磁波波长),形成一个端射阵。通过调整相位差,使正南方向的辐射为零,计算得到初始相位差δ=252°。为了满足西南方向零辐射的要求,整体相位再偏移45°,得到初级波瓣图的表达式为E1=cos(36°cos(φ+45°)+126°)。 第二步:构建次级波瓣图 再选取一个点源位于正北方向,另一个点源位于西南方向,间距为0.4λ。调整相位差使西南方向的辐射为零,计算得到相位差δ=280°。同样整体偏移45°,得到次级波瓣图的表达式为E2=cos(72°cos(φ+45°)+140°)。 最终组合: 将初级波瓣图E1和次级波瓣图E2相乘,得到总阵的波瓣图E=E1×E2=cos(36°cos(φ+45°)+126°)×cos(72°cos(φ+45°)+140°)。通过编程实现计算并绘制波瓣图,可以看到三个阶段的波瓣图分别对应初级波瓣、次级波瓣和总波瓣,最终得到满足广播电台需求的总波瓣图。实验代码使用MATLAB编写,利用polar函数在极坐标下绘制波瓣图,并通过subplot分块显示不同阶段的波瓣图。这种设计方法体现了天线阵列设计的基本原理,即通过调整天线间的相对位置和相位关系,控制电磁波的辐射方向和强度,以满足特定的覆盖需求。这种设计在雷达、卫星通信和移动通信基站等无线通信系统中得到了广泛应用。
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