Choi H. I. Lecture 4: Exponential family of distributions and generalized linear model (GLM).
定义
定义: 一个分布具有如下形式的密度函数:
fθ(x)=1Z(θ)h(x)e⟨T(x),θ⟩,
则该分布属于指数族分布.
其中x∈Rm, T(x)=(T1(x),T2(x),⋯,Tk(x))∈Rk, θ=(θ1,θ2,⋯,θk)为未知参数, Z(θ)=∫h(x)e⟨T(x),θ⟩dx为配平常数.
若令C(x)=logh(x), A(θ)=logZ(θ), 则
fθ(x)=exp(⟨T(x),θ⟩−A(θ)+C(x)).
指数族分布还有一种更一般的形式:
fθ(x)=exp(⟨T(x),θ⟩−A(θ)ϕ+C(x,ϕ)),
更甚者
fθ(x)=exp(⟨T(x),λ(θ)⟩−A(θ)ϕ+C(x,ϕ)),
ϕ控制分布的形状.
性质
A(θ)
Proposition 1:
∇θA(θ)=∫fθ(x)T(x)dx=E[T(X)].
proof:
已知:
∫fθ(x)dx=∫exp(⟨T(x),θ⟩−A(θ)ϕ+C(x,ϕ))dx=1.
两边关于θ求梯度得:
∫fθ(x)T(x)−∇θA(θ)ϕdx=0⇒∇θA(θ)=E[T(X)].
Proposition 2:
D2θA=(∂2A∂θi∂θj)=1ϕCov(T(X),T(X))=1ϕCov(T(X)).
proof:
∂A∂θi=∫exp(⟨T(x),θ⟩−A(θ)ϕ+C(x,ϕ))Ti(x)dx.
∂2A∂θi∂θj=∫fθ(x)Tj(x)−∂A∂θjϕTi(x)dx=1ϕ∫fθ(x)(Tj(x)−∂A∂θj)(Ti(x)−∂A∂θi)dx=Cov(Ti(X),Tj(X)).
Corollary 1: A(θ)关于θ是凸函数.
既然其黑塞矩阵半正定.
极大似然估计
设有{xi}ni=1个样本, 则对数似然函数为
l(θ)=1θ[⟨θ,n∑i=1T(xi)−nA(θ)]+n∑i=1C(xi,ϕ),
因为A(θ)是凸函数, 所以上述存在最小值点, 且
∇θl(θ)=1ϕ[n∑i=1T(xi)−n∇θA(θ)],
故该最小值点在
∇θA(θ)=1nn∑i=1T(xi),
处达到.
最大熵
最大熵原理-科学空间
指数族分布实际上满足最大熵分布, 这是在没有任何偏爱的尺度下的分布.
即
maxfH(f)=−∫f(x)logf(x)dx.
等价于最小化
minf∫f(x)logf(x)dx.
往往, 我们会有一些已知的统计信息, 通常以期望的形式表示:
∫f(x)hi(x)dx=ci,i=1,2⋯,s.
则我们的目标实际上是:
minf∫f(x)logf(x)dxs.t.∫f(x)hi(x)dx=ci,i=0,2⋯,s.
其中h0=1,c0=1, 即密度函数需满足∫f(x)dx=1.
利用拉格朗日乘数得:
J(f,λ)=∫f(x)logf(x)dx+λ0(1−∫f(x)dx)+s∑i=1λi[ci−∫f(x)hi(x)dx].
最优条件, J关于f的变分为0, 即
1+logf(x)−λ0−s∑i=1λihi(x)=0.
即
f(x)=1Zexp(s∑i=1λihi(x)).
属于指数分布族.
例子
Bernoulli
P(x)=px(1−p)1−x=exp[xlogp1−p+log(1−p)].
θ=logp1−p,T(x)=x,A(θ)=log(1+eθ),h(x)=0.
指数分布
p(x)=λ⋅e−λx=exp[−λx+logλ],x≥0.
θ=λ,T(x)=−x,A(θ)=log1λ,h(x)=I(x≥0).
正态分布
p(x)=1√2πσ2exp[−(x−μ)22σ2].
σ视作已知参数:
p(x)=exp[−12x2+xμ−12μ2σ2−12log(2πσ2)].
θ=(μ,1),T(x)=(x,−12x2),ϕ=σ2,A(θ)=12μ2,C(x,ϕ)=12log(2πσ2).
σ视作未知参数:
p(x)=exp[−12σ2y2+μσ2x−12σ2μ2−logσ−12log2π].
T(x)=(x,12x2),θ=(μσ2,−1σ2),A(θ)=μ22σ2+logσ,C(x)=−12log(2π).
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