第9章-EM算法-(《统计学习方法》课件).pptx

1、第九章EM期望极大算法问题提出问题提出 绿地、水体、道路、裸地、居民建筑用地等；采用的遥感影像是Quickbird 数据，图像大小为317行x315列，空间分辨率为2.44m，4个波段(蓝光波段、绿光波段、红光波段和近红外波段)。问题提出问题提出 100个男、女身高，分布？男多少？女多少？采用混合高斯模型，假设男和女的分布都是符合高斯分布的，然后给定这个高斯分布一个初始值，这样这个高斯分布就是已知的。用这个已知的高斯分布来估计男的多少人，女的多少人，假设男和女的类别分布为Q(z)，可以求Q(z)的期望，用期望来表示下一次迭代类别的初始值，就知道男和女的所属类别，可用最大似然函数来估新的高斯模型

2、的参数，重复上述步骤直到收敛！三硬币模型 三硬币模型：硬币A、B、C，正面概率，p，q，A正面时选B，反面选C，得到结果：1101001011 问题：只能看结果，不能看中间过程，估算，p，q，解：模型 随机变量Y是观测变量，表示一次试验观测的结果是1或0，随机变量z是隐变量，表示未观测到的掷硬币A的结果，这一模型是以上数据的生成模型。三硬币模型 观测数据：未观测数据：似然函数：即：极大似然估计：该问题没有解析解，EM迭代法：EM方法 选取初值：第i步的估计值：EM算法第i+1次迭代：E步：计算在模型参数 下观测数据yi来自掷硬币B的概率：M步:计算模型参数的新估计值EM方法初值：利用迭代公式，

3、得：继续迭代，得：得到模型参数的极大似然估计：EM方法如果取初值：完全数据 complete-data不完全数据 incomplete-dataEM方法输入：观测变量数据Y,隐变量数据Z，联合分布P(Y,Z|)条件分布P(Z|Y,)输出：模型参数 给定观测数据Y和当前参数估计 EM方法Q函数定义：完全数据的对数似然函数logP(Y,Z|)关于在给定观测数据Y和当前函数(i)下对未观测数据Z的条件概率分布P(Z|Y,(i),的期望称为Q函数，即：EM方法 算法说明：步骤3，完成一次迭代：(i)到(i+1)，将证明每次迭代使似然函数增大或达到局部最大值。步骤4，停止迭代的条件 或EM算法的导出 为

4、什么EM算法能近似实现对观测数据的极大似然估计？极大化(不完全数据)Y关于参数的极大似然函数：难点：有未观测数据，包含和的对数。EM通过迭代逐步近似极大化L(),希望EM算法的导出 考虑二者的差：Jason不等式：EM算法的导出 令：则：选择：EM算法的导出 省去和无关的项：EM算法的解释L()开始EM在非监督学习中的应用 生成模型由联合概率分布P(X,Y)表示，可以认为非监督学习训练数据是联合概率分布产生的数据，X为观测数据，Y为未观测数据。EM算法的收敛性 EM，提供一种近似计算含有隐变量概率模型的极大似然估计的方法，EM，最大优点：简单性和普适性；疑问：1、EM算法得到的估计序列是否收敛

5、？2、如果收敛，是否是全局极大值或局部极大值？EM算法的收敛性 两个收敛定理：定理9.1：设P(Y|)为观测数据的似然函数，(i)(i=1,2.）为EM参数估计序列，为对应的似然函数序列，则P(Y|(i)是单调递增的，即：证明：由 由：EM算法的收敛性 令：则：得：只需证右端非负EM算法的收敛性 前半部分，(i+1)为极大值，所以 后半部分：EM算法的收敛性 定理9.2:设L()=logP(Y|),为观测数据的对数似然函数，(i)(i=1,2.）为EM算法得到的参数估计序列，L(i)为对应的对数似然函数序列，1、如果P(Y|)有上界，则L(i)=logP(Y|(i)收敛到某一值L*；2、在函数

6、Q(,)与L()满足一定条件下，由EM算法得到的参数估计序列(i)的收敛值*是L()的稳定点。EM算法在高斯混合模型学习中的应用 高斯混合模型：概率分布模型；系数：高斯分布密度：第K个分模型：可任意高斯模型高斯混合模型参数估计的EM算法 假设观测数据y1,y2,.yN由高斯混合模型生成：用EM算法估计参数；1、明确隐变量，写出完全数据的对数似然函数：设想观测数据yi是依概率ak选择第k个高斯分模型 生成，隐变量EM算法在高斯混合模型学习中的应用 1、明确隐变量，写出完全数据的对数似然函数：完全数据：似然函数：EM算法在高斯混合模型学习中的应用 1、明确隐变量，写出完全数据的对数似然函数：EM算

7、法在高斯混合模型学习中的应用 2、EM算法的E步，确定Q函数 第j个观测数据来自第k个分模型的概率，称为分模型k对观测数据yj的响应度。EM算法在高斯混合模型学习中的应用 2、EM算法的E步，确定Q函数EM算法在高斯混合模型学习中的应用 2、EM算法的E步，确定Q函数EM算法在高斯混合模型学习中的应用 3、确定EM算法的M步：求：采用求导的方法：高斯混合模型参数估计的EM算法 输入：观测数据y1,y2,yN,高斯混合模型 输出：高斯混合模型参数 1、设定初始值开始迭代 2、E步，响应度计算高斯混合模型参数估计的EM算法 输入：观测数据y1,y2,yN,高斯混合模型 输出：高斯混合模型参数 3、

8、M步，计算新一轮迭代的模型参数：4、重复2，3步直到收敛EM算法的推广 EM算法可以解释为:F函数的极大-极大算法（maximization maximization algorithm)广义期望极大(Generalization Expectation Maximization.GEM)F函数的极大极大算法 F函数：假设隐变量数据Z的概率分布为 ,定义分布 与参数的函数 ：熵：F函数是的连续函数，重要性质：引理9.1：对于固定的，存在唯一的分布 极大化 ：这时的 并且 随 连续变化。证明：对于固定的，拉格朗日函数方法对最优化问题求 ，对 求偏导：令偏导为0：得：分子分母成比例，由：得：F函数

9、的极大极大算法F函数的极大极大算法 引理9.2：定理9.3：设 为观测数据的对数似然数，为EM算法得到的参数估计序列，F函数 ，如果 在 和 有局部极大值，那么L()也在 有 局部极大值，类似地，如果 在 和 达到全局最大值，那么L()也在 达到全局最大值。F函数的极大极大算法证明：由定理9.1,9.2 成立；特别的：，F函数的极大极大算法定理9.4：EM算法的一次迭代可由F函数的极大-极大算法实现。F函数的极大极大算法定理9.4：EM算法的一次迭代可由F函数的极大-极大算法实现。证明：F函数的极大极大算法定理9.4：EM算法的一次迭代可由F函数的极大-极大算法实现。证明：通过以上两步完成了EM算法的一次迭代，由EM算法与F函数的极大-极大算法得到的参数估计序列 是一致的。F函数的极大极大算法问题和方法：通过：找F函数的极大极大算法F函数的极大极大算法 当参数的维数为d大于等于2时，可采用一种特殊的GEM算法，算法的M步分解为d次条件极大化，每次只改变参数向量的一个分量，其余分量不改变。F函数的极大极大算法F函数的极大极大算法ENDQ&R