高斯推断推导

高斯推断(联合高斯概率密度函数,分解与推断) 对于⼀对服从多元正态分布的变量 (x, y),可以写出它们的联合概率密度函数: 根据Bay's rule,,能不能得到条件概率和边缘概率的高斯分布? 高斯推断告诉我们是可以的! 是左边被拆分成两个部分的形式,因此努力方向是怎么对左边进行差分 根据舒尔补理论:舒尔补理论Schur Compliment,这简单理解就是一个矩阵分解的方法 两边求逆: 我们只需关注高斯分布的指数部分,代入上式: 这样指数部分就被拆分为两个部分的和,实际可以理解为 与单个变量的多... 阅读详情

设有一对服从多元正态分布的变量 (x,y)(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y})(x,y),可以写出他们的联合概率密度函数:

p(x,y)=N([μxμy],[ΣxxΣxyΣyxΣyy]) p(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y})=\mathcal{N}\left(\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{\mu}_{x} \\\boldsymbol{\mu}_{y}\end{array}\right],\left[\begin{array}{ll}\boldsymbol{\Sigma}_{x x} & \boldsymbol{\Sigma}_{x y} \\\boldsymbol{\Sigma}_{y x} & \boldsymbol{\Sigma}_{y y}\end{array}\right]\right) p(x,y)=N([μx​μy​​],[Σxx​Σyx​​Σxy​Σyy​​])

其中,Σyx=ΣxyT\boldsymbol{\Sigma}_{y x}=\boldsymbol{\Sigma}_{x y}^{\mathrm{T}}Σyx​=ΣxyT​。

由舒尔补有:

[ΣxxΣxyΣyxΣyy]=[1ΣxyΣyy−101][Σxx−ΣxyΣyy−1Σyx00Σyy][10Σyy−1Σyx1] \left[\begin{array}{cc}\boldsymbol{\Sigma}_{x x} & \boldsymbol{\Sigma}_{x y} \\\boldsymbol{\Sigma}_{y x} & \boldsymbol{\Sigma}_{y y}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathbf{1} & \boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \\\mathbf{0} & \mathbf{1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\boldsymbol{\Sigma}_{x x}-\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \boldsymbol{\Sigma}_{y x} & \mathbf{0} \\\mathbf{0} & \boldsymbol{\Sigma}_{y y}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\mathbf{1} & \mathbf{0} \\\boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \boldsymbol{\Sigma}_{y x} & \mathbf{1}\end{array}\right] [Σxx​Σyx​​Σxy​Σyy​​]=[10​Σxy​Σyy−1​1​][Σxx​−Σxy​Σyy−1​Σyx​0​0Σyy​​][1Σyy−1​Σyx​​01​]

对两边同时求逆有:

[ΣxxΣxyΣyxΣyy]−1=[10−Σyy−1Σyx1][(Σxx−ΣxyΣyy−1Σyx)−100Σyy−1][1−ΣxyΣyy−101] {\left[\begin{array}{cc}\boldsymbol{\Sigma}_{x x} & \boldsymbol{\Sigma}_{x y} \\\boldsymbol{\Sigma}_{y x} & \boldsymbol{\Sigma}_{y y}\end{array}\right]^{-1}= \left[\begin{array}{cc}\mathbf{1} & \mathbf{0} \\-\boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \boldsymbol{\Sigma}_{y x} & \mathbf{1}\end{array}\right]} \left[\begin{array}{cc}\left(\boldsymbol{\Sigma}_{x x}-\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \boldsymbol{\Sigma}_{y x}\right)^{-1} & \boldsymbol{0} \\\boldsymbol{0} & \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\mathbf{1} & -\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \\\mathbf{0} & \mathbf{1}\end{array}\right] [Σxx​Σyx​​Σxy​Σyy​​]−1=[1−Σyy−1​Σyx​​01​][(Σxx​−Σxy​Σyy−1​Σyx​)−10​0Σyy−1​​][10​−Σxy​Σyy−1​1​]

因此,联合概率密度函数 p(x,y)p(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y})p(x,y) 指数部分的二次项为:

([xy]−[μxμy])T[ΣxxΣxyΣyxΣyy]−1([xy]−[μxμy])=([xy]−[μxμy])T[10−Σyy−1Σyx1][(Σxx−ΣxyΣyy−1Σyx)−100Σyy−1]×[1−ΣxyΣyy−101]([xy]−[μxμy])=(x−μx−ΣxyΣyy−1(y−μy))T(Σxx−ΣxyΣyy−1Σyx)−1×(x−μx−ΣxyΣyy−1(y−μy))+(y−μy)TΣyy−1(y−μy) \begin{aligned}&\left(\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{x} \\\boldsymbol{y}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{\mu}_{x} \\\boldsymbol{\mu}_{y}\end{array}\right]\right)^{\mathrm{T}}\left[\begin{array}{ll}\boldsymbol{\Sigma}_{x x} & \boldsymbol{\Sigma}_{x y} \\\boldsymbol{\Sigma}_{y x} & \boldsymbol{\Sigma}_{y y}\end{array}\right]^{-1}\left(\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{x} \\\boldsymbol{y}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{\mu}_{x} \\\boldsymbol{\mu}_{y}\end{array}\right]\right) \\=&\left(\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{x} \\\boldsymbol{y}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{\mu}_{x} \\\boldsymbol{\mu}_{y}\end{array}\right]\right)^{\mathrm{T}}\left[\begin{array}{cc}\boldsymbol{1} & \boldsymbol{0} \\-\boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \boldsymbol{\Sigma}_{y x} & \boldsymbol{1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\left(\boldsymbol{\Sigma}_{x x}-\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \boldsymbol{\Sigma}_{y x}\right)^{-1} & \boldsymbol{0} \\\mathbf{0} & \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1}\end{array}\right] \\& \times\left[\begin{array}{cc}\mathbf{1} & -\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \\\mathbf{0} & \mathbf{1}\end{array}\right]\left(\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{x} \\\boldsymbol{y}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{l}\boldsymbol{\mu}_{x} \\\boldsymbol{\mu}_{y}\end{array}\right]\right) \\=&\left(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{\mu}_{x}-\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1}\left(\boldsymbol{y}-\boldsymbol{\mu}_{y}\right)\right)^{\mathrm{T}}\left(\boldsymbol{\Sigma}_{x x}-\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \boldsymbol{\Sigma}_{y x}\right)^{-1} \\& \times\left(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{\mu}_{x}-\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1}\left(\boldsymbol{y}-\boldsymbol{\mu}_{y}\right)\right)+\left(\boldsymbol{y}-\boldsymbol{\mu}_{y}\right)^{\mathrm{T}} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1}\left(\boldsymbol{y}-\boldsymbol{\mu}_{y}\right)\end{aligned} ==​([xy​]−[μx​μy​​])T[Σxx​Σyx​​Σxy​Σyy​​]−1([xy​]−[μx​μy​​])([xy​]−[μx​μy​​])T[1−Σyy−1​Σyx​​01​][(Σxx​−Σxy​Σyy−1​Σyx​)−10​0Σyy−1​​]×[10​−Σxy​Σyy−1​1​]([xy​]−[μx​μy​​])(x−μx​−Σxy​Σyy−1​(y−μy​))T(Σxx​−Σxy​Σyy−1​Σyx​)−1×(x−μx​−Σxy​Σyy−1​(y−μy​))+(y−μy​)TΣyy−1​(y−μy​)​

很明显可以看出,这是两个二次项的和。

又由贝叶斯公式有:

p(x,y)=p(x∣y)p(y) p(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y})=p(\boldsymbol{x} \mid \boldsymbol{y}) p(\boldsymbol{y}) p(x,y)=p(x∣y)p(y)

并且:

p(y)=N(μy,Σyy) p(\boldsymbol{y}) =\mathcal{N}\left(\boldsymbol{\mu}_{y}, \boldsymbol{\Sigma}_{y y}\right) p(y)=N(μy​,Σyy​)

因此,由幂运算中同底数幂相乘,底数不变、指数相加的性质,可以得到:

p(x∣y)=N(μx+ΣxyΣyy−1(y−μy),Σxx−ΣxyΣyy−1Σyx) p(\boldsymbol{x} \mid \boldsymbol{y}) =\mathcal{N}\left(\boldsymbol{\mu}_{x}+\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1}\left(\boldsymbol{y}-\boldsymbol{\mu}_{y}\right), \boldsymbol{\Sigma}_{x x}-\boldsymbol{\Sigma}_{x y} \boldsymbol{\Sigma}_{y y}^{-1} \boldsymbol{\Sigma}_{y x}\right) p(x∣y)=N(μx​+Σxy​Σyy−1​(y−μy​),Σxx​−Σxy​Σyy−1​Σyx​)

这便是高斯推断中最重要的部分:从状态的先验概率分布出发,然后基于一些观测值来缩小这个范围。

机器人学中的状态估计(七):线性高斯系统离散时间的贝叶斯推断推导卡尔曼滤波 时刻的先验高斯概率密度,即计算。(4)根据(2)、(3)求目标。(2)根据运动方程求。(3)根据观测方程求。​ 由(2)知。​ 由(3)知。 阅读详情

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