Аппроксимация Лапласа (пример)

Материал из MachineLearning.

Перейти к: навигация, поиск

Аппроксимация Лапласа - способ оценки параметров нормального распределения при апроксимации заданой плотности вероятности.


Содержание

Постановка задачи

Задана выборка — множество X^N=\{{x}_1,\ldots,{x}_N|x\in\R^M\} значений свободных переменных и множество \{y_1,\ldots, y_N| y\in\R\} соответствующих им значений зависимой переменной. Необходимо для выбранной регрессионной модели f(w,x):

3-1 показать зависимость среднеквадратичной ошибки от значений параметров модели: SSE=SSE(w);

3-2 построить график и сделать апроксимацию Лапласа для нее;

3-3 найти расстояния между получеными зависимостями, используя расстояние Кульбака - Лейблера.

Описание алгоритма

При востановлении регрессии рассматривалась следующая гипотеза порождения данных:

y=f(x,w)

В таком случае, при фиксированной модели f плотность вероятности появления данных равняется[1]:

p(y|x,w)=\frac{1}{Z_D}exp(-E_D), где

E_D - это функция регрессионных невязок, т.е. SSE;

Z_D - нормировачный коэффициент.

3-1. В заданной модели f, используя метод наименьших квадратов, находим оптимальное значение вектора параметров \mathcal w_{opt}. Далее, фиксируем все параметры выбранной регрессионной модели (для определенности зададим им оптимальные значения) кроме одного (пусть этот незафиксированный параметр будет w(1)). После чего, варируя значение w(1), строим искомую зависимость SSE=SSE(w(1)) и его график. Таким образом построена зависимость от одного параметра w(1). Аналогично действуя, строится зависимость от большего количества параметров.

3-2. При построении апроксимации Лапласса вначале рассмотрим одномерный случай. Пусть есть распределение p(z):

p(z)=\frac{1}{Z}f(z), где

Z=\int f(z)dz - нормировочный коэффициент.

Первый шаг при построении апроксимации Лапласса, нахождение максимума, т.е. такого z_0, что p'(z_0)=0. Далее, раскладываем lnf(z) в ряд Тейлора в окресности z_0:

lnf(z)=lnf(z_0)-\frac{1}{2}A(z-z_0)^2

где

A=-\frac{d^2}{dz^2}lnf(z)|_{z=z_0}.

Тогда

f(z)=f(z_0)exp(-\frac{A}{2}(z-z_0)^2).

Апроксимация Лапласса примет вид:

q(z)=(\frac{A}{2\pi})^{1/2}exp(-\frac{A}{2}(z-z_0)^2).

В многомерном случае (размерности M), аналогично действуя, придем к:

q(z)=(\frac{|\mathbf{A}|}{(2\pi)^M})^{1/2}exp(-\frac{1}{2}(\mathbf{z}-\mathbf{z_0})^T A (\mathbf{z}-\mathbf{z_0})).

где A Гаусиан, размера M x M, равный:

\mathbf{A}=-\nabla \nabla lnf(\mathbf{z})|_{\mathbf{z}=\mathbf{z_0}}.

3-3. Расстояние Кульбака - Лейблера между двумя распределениями p(z) и q(z) равняется:

D_{kl}(p,q)=\sum\limits_{z\in \mathcal{Z}} p(z) \ln \frac{p(z)}{q(z)}

Вычислительный эксперимент

Обозначим плоность распределения SSE как p_{SSE}, а его апроксимация лапласса p_{lap}.

Во время вычислительного эксперимента SSE принимало достаточно большие значения (порядка 10^3 - 10^4). Как следствие, p(y|x,w) принимало значения порядка 1, и апроксимация Лапласса была некоректной. Поэтому, апроксимация Лапласса применялась не к самому распределению p(y|x,w), а к ln(p(y|x,w)) (т.е. к -SSE c точностью до коэффициента).


Пример 1

Задуманная функция y=x + sin3x. Рассматривается линейная регрессионная модель с двумя параметрами: y(x)=w_1+w_2x. w_1_{opt} и w_2_{opt} - оптимальное значение параметров (при которых SSE минимально).

Фиксируем один параметр w_1=w_1_{opt} и задаем различные значение w_2 (500 случайных значений на отрезке [-1;2]). Строим зависимость:

D_{kl}(p_{SSE},p_{lap})=0.0085.

Повторим эксперимент, только теперь варируем сразу оба параметра w_1 и w_2:

Рис. 1. Зависимость от и
Рис. 1. Зависимость - SSE от w_1 и w_2
Рис. 2. Зависимость от и . Ось log(p) направлена вверх
Рис. 2. Зависимость - SSE от w_1 и w_2. Ось log(p) направлена вверх

апроксимация Лапласса:

Laplace approximation
Laplace approximation

D_{kl}(p_{SSE},p_{lap})=1.2481

На рис.2 наблюдается зависимость между коэффициентами w_1 и w_2. Следовательно, ковариационная матрица cov(w_1,w_2) не будет диагональной.

Смотри также

Литература

  • Bishop, C. Pattern Recognition And Machine Learning. Springer. 2006.

Примечания



Данная статья является непроверенным учебным заданием.
Студент: Евгений Зайцев
Преподаватель: В.В.Стрижов
Срок: 24 декабря 2010

До указанного срока статья не должна редактироваться другими участниками проекта MachineLearning.ru. По его окончании любой участник вправе исправить данную статью по своему усмотрению и удалить данное предупреждение, выводимое с помощью шаблона {{Задание}}.

См. также методические указания по использованию Ресурса MachineLearning.ru в учебном процессе.

Источник — «http://machinelearning.ru/wiki/index.php?title=%D0%90%D0%BF%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%9B%D0%B0%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D1%81%D0%B0_%28%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%29»
Личные инструменты