Grenzwahrscheinlichkeit aus der Gibbs-Ausgabe

Ich reproduziere die Ergebnisse in Abschnitt 4.2.1 von Grund auf

Grenzwahrscheinlichkeit aus der Gibbs-Ausgabe

Siddhartha Chib

Journal of the American Statistical Association, Bd. 90, Nr. 432 (Dez. 1995), S. 1313-1321.

Es ist eine Mischung aus Normalmodellen mit einer bekannten Anzahl von Komponenten. $k\geq 1$

$$f(x\mid w,\mu,\sigma^2) =\prod_{i=1}^n\sum_{j=1}^k \mathrm{N}(x_i\mid\mu_j,\sigma_j^2) \, . \qquad (*)$$

Der Gibbs-Sampler für dieses Modell wird unter Verwendung der Datenerweiterungstechnik von Tanner und Wong implementiert. Eine Menge von Zuordnungsvariablen $z=(z_1,\dots,z_n)$ den Werten $1,\dots,k$ wird eingeführt, und wir geben an, dass $\Pr(z_i=j\mid w)=w_j$ und $f(x_i\mid z,\mu,\sigma^2)=\mathrm{N}(x_i\mid\mu_{z_i},\sigma^2_{z_i})$ . Daraus folgt, dass die Integration über die $z_i$ die ursprüngliche Wahrscheinlichkeit (*) ergibt $(*)$.

Der Datensatz besteht aus Geschwindigkeiten von $82$ Galaxien aus der Corona Borealis-Konstellation.

set.seed(1701)

x <- c(  9.172,  9.350,  9.483,  9.558,  9.775, 10.227, 10.406, 16.084, 16.170, 18.419, 18.552, 18.600, 18.927,
        19.052, 19.070, 19.330, 19.343, 19.349, 19.440, 19.473, 19.529, 19.541, 19.547, 19.663, 19.846, 19.856,
        19.863, 19.914, 19.918, 19.973, 19.989, 20.166, 20.175, 20.179, 20.196, 20.215, 20.221, 20.415, 20.629,
        20.795, 20.821, 20.846, 20.875, 20.986, 21.137, 21.492, 21.701, 21.814, 21.921, 21.960, 22.185, 22.209,
        22.242, 22.249, 22.314, 22.374, 22.495, 22.746, 22.747, 22.888, 22.914, 23.206, 23.241, 23.263, 23.484,
        23.538, 23.542, 23.666, 23.706, 23.711, 24.129, 24.285, 24.289, 24.366, 24.717, 24.990, 25.633, 26.960,
        26.995, 32.065, 32.789, 34.279 )

nn <- length(x)

Wir nehmen an, dass , die 's und die ' s a priori unabhängig sind mit μ j σ 2 j ( w 1 , … , w k ) ∼ D i r ( a 1 , … , a k$w$$\mu_j$$\sigma^2_j$

$$(w_1,\dots,w_k) \sim \mathrm{Dir}(a_1,\dots,a_k) \, , \quad \mu_j \sim \mathrm{N}(\mu_0,\sigma_0^2) \, , \quad \sigma^2_j\sim\mathrm{IG}\!\left(\frac{\nu_0}{2},\frac{\delta_0}{2}\right) \, .$$

k <- 3

mu0 <- 20
va0 <- 100

nu0 <- 6
de0 <- 40

a <- rep(1, k)

Nach dem Bayes-Theorem lauten die vollständigen Bedingungen in der mit

$$\begin{align*} w \mid \mu,\sigma^2,z,x &\sim \mathrm{Dir}(a_1+n_1,\dots,a_k+n_k) \\ \mu_j \mid w, \sigma^2,z,x &\sim \mathrm{N}\!\left( \frac{n_j m_j\sigma_0^2+\mu_0\sigma_j^2}{n_j\sigma^2_0+\sigma^2_j}, \frac{\sigma^2_0\sigma^2_j}{n_j\sigma^2_0+\sigma^2_j}\right) \\ \sigma_j^2 \mid w,\mu,z,x &\sim \mathrm{IG}\!\left( \frac{\nu_0+n_j}{2},\frac{\delta_0+\delta_j}{2}\right) \\ \Pr(z_i=j\mid w,\mu,\sigma^2,x) &\propto w_j \times \frac{1}{\sigma_j}e^{-(x_i-\mu_j)^2/2\sigma_j^2} \end{align*}$$ $$n_j = |L_j| \, , \qquad m_j = \begin{cases}\frac{1}{n_j}\sum_{i\in L_j} x_i &\;\mathrm{if}\; n_j>0 \\ 0 &\;\mathrm{otherwise.} \end{cases}\, , \qquad \delta_j = \sum_{i\in L_j} (x_i-\mu_j)^2 \, ,$$ $L_j=\{i\in\{1,\dots,n\}:z_i=j\}$ .

Ziel ist es, eine Schätzung für die marginale Wahrscheinlichkeit des Modells zu berechnen. Chibs Methode beginnt mit einem ersten Durchlauf des Gibbs-Samplers unter Verwendung der vollständigen Bedingungen.

burn_in <- 1000
run     <- 15000

cat("First Gibbs run (full):\n")

N <- burn_in + run

w  <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
mu <- matrix(0, nrow = N, ncol = k)
va <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
z  <- matrix(1, nrow = N, ncol = nn)

n <- integer(k)
m <- numeric(k)
de <- numeric(k)

rdirichlet <- function(a) { y <- rgamma(length(a), a, 1); y / sum(y) }

pb <- txtProgressBar(min = 2, max = N, style = 3)
z[1,] <- sample.int(k, size = nn, replace = TRUE)
for (t in 2:N) {
    n <- tabulate(z[t-1,], nbins = k)
    w[t,] <- rdirichlet(a + n)
    m <- sapply(1:k, function(j) sum(x[z[t-1,]==j]))
    m[n > 0] <- m[n > 0] / n[n > 0]
    mu[t,] <- rnorm(k, mean = (n*m*va0+mu0*va[t-1,])/(n*va0+va[t-1,]), sd = sqrt(va0*va[t-1,]/(n*va0+va[t-1,])))
    de <- sapply(1:k, function(j) sum((x[z[t-1,]==j] - mu[t,j])^2))
    va[t,] <- 1 / rgamma(k, shape = (nu0+n)/2, rate = (de0+de)/2)
    z[t,] <- sapply(1:nn, function(i) sample.int(k, size = 1, prob = exp(log(w[t,]) + dnorm(x[i], mean = mu[t,], sd = sqrt(va[t,]), log = TRUE))))
    setTxtProgressBar(pb, t)
}
close(pb)

Aus diesem ersten Lauf erhalten wir einen ungefähren Punkt der maximalen Wahrscheinlichkeit. Da die Wahrscheinlichkeit tatsächlich unbegrenzt ist, ergibt dieses Verfahren wahrscheinlich eine ungefähre lokale MAP.$(w^*,\mu^*,\sigma^{2*})$

w  <- w[(burn_in+1):N,]
mu <- mu[(burn_in+1):N,]
va <- va[(burn_in+1):N,]
z  <- z[(burn_in+1):N,]
N  <- N - burn_in

log_L <- function(x, w, mu, va) sum(log(sapply(1:nn, function(i) sum(exp(log(w) + dnorm(x[i], mean = mu, sd = sqrt(va), log = TRUE))))))

ts <- which.max(sapply(1:N, function(t) log_L(x, w[t,], mu[t,], va[t,])))

ws <- w[ts,]
mus <- mu[ts,]
vas <- va[ts,]

Chibs Log-Schätzung der Grenzwahrscheinlichkeit lautet

$$\begin{align} \log \widehat{f(x)} &= \log L_x(w^*,\mu^*,\sigma^{2*}) + \log \pi(w^*,\mu^*,\sigma^{2*}) \\ &- \log \pi(\mu^*\mid x) - \log \pi(\sigma^{2*}\mid \mu^*,x) - \log \pi(w^*\mid \mu^*,\sigma^{2*},x) \, . \end{align}$$

Wir haben bereits die ersten beiden Semester.

log_prior <- function(w, mu, va) {
    lgamma(sum(a)) - sum(lgamma(a)) + sum((a-1)*log(w))
    + sum(dnorm(mu, mean = mu0, sd = sqrt(va0), log = TRUE))
    + sum((nu0/2)*log(de0/2) - lgamma(nu0/2) - (nu0/2+1)*log(va) - de0/(2*va))
}

chib <- log_L(x, ws, mus, vas) + log_prior(ws, mus, vas)

Die Rao-Blackwell-Schätzung von ist und wird leicht erhalten vom ersten Gibbslauf.$\pi(\mu^*\mid x)$

$$\pi(\mu^*\mid x) = \int \prod_{j=1}^k \mathrm{N}\!\left(\mu_j^* \;\Bigg|\; \frac{n_j m_j\sigma_0^2+\mu_0\sigma_j^2}{n_j\sigma^2_0+\sigma^2_j}, \frac{\sigma^2_0\sigma^2_j}{n_j\sigma^2_0+\sigma^2_j}\right)\,p(\sigma^{2},z\mid x)\,d\sigma^2\,dz \, ,$$

pi.mu_va.z.x <- function(mu, va, z) {
    n <- tabulate(z, nbins = k)
    m <- sapply(1:k, function(j) sum(x[z==j]))
    m[n > 0] <- m[n > 0] / n[n > 0]
    exp(sum(dnorm(mu, mean = (n*m*va0+mu0*va)/(n*va0+va), sd = sqrt(va0*va/(n*va0+va)), log = TRUE)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.mu_va.z.x(mus, va[t,], z[t,]))))

Die Rao-Blackwell-Schätzung von ist und wird aus einem zweiten reduzierten Gibbs-Lauf berechnet, in dem die nicht aktualisiert, sondern erstellt werden bei jedem Iterationsschritt gleich .$\pi(\sigma^{2*}\mid \mu^*,x)$

$$\pi(\sigma^{2*}\mid \mu^*,x) = \int \prod_{j=1}^k \mathrm{IG}\!\left( \sigma^{2*}_j \;\Bigg|\; \frac{\nu_0+n_j}{2},\frac{\delta_0+\delta_j}{2}\right) \, p(z\mid\mu^*,x)\,dz \, ,$$ $\mu_j$$\mu^*_j$

cat("Second Gibbs run (reduced):\n")

N <- burn_in + run

w  <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
va <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
z  <- matrix(1, nrow = N, ncol = nn) 

pb <- txtProgressBar(min = 2, max = N, style = 3)
z[1,] <- sample.int(k, size = nn, replace = TRUE)
for (t in 2:N) {
    n <- tabulate(z[t-1,], nbins = k)
    w[t,] <- rdirichlet(a + n)
    de <- sapply(1:k, function(j) sum((x[z[t-1,]==j] - mus[j])^2))
    va[t,] <- 1 / rgamma(k, shape = (nu0+n)/2, rate = (de0+de)/2)
    z[t,] <- sapply(1:nn, function(i) sample.int(k, size = 1, prob = exp(log(w[t,]) + dnorm(x[i], mean = mus, sd = sqrt(va[t,]), log = TRUE))))
    setTxtProgressBar(pb, t)
}
close(pb)

w  <- w[(burn_in+1):N,]
va <- va[(burn_in+1):N,]
z  <- z[(burn_in+1):N,]
N  <- N - burn_in

pi.va_mu.z.x <- function(va, mu, z) {
    n <- tabulate(z, nbins = k)         
    de <- sapply(1:k, function(j) sum((x[z==j] - mu[j])^2))
    exp(sum(((nu0+n)/2)*log((de0+de)/2) - lgamma((nu0+n)/2) - ((nu0+n)/2+1)*log(va) - (de0+de)/(2*va)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.va_mu.z.x(vas, mus, z[t,]))))

In gleicher Weise wird die Rao-Blackwellized Schätzung von ist und wird aus einem dritten reduzierten Gibbs-Lauf berechnet, in dem die 's und die ' s nicht aktualisiert werden, sondern gleich und bei jedem Iterationsschritt.$\pi(w^*\mid \mu^*,\sigma^{2*},x)$

$$\pi(w^*\mid \mu^*,\sigma^{2*},x) = \int \mathrm{Dir}(w^* \mid a_1+n_1,\dots,a_k+n_k) \, p(z\mid\mu^*,\sigma^{2*},x)\,dz \, ,$$ $\mu_j$$\sigma^2_j$$\mu^*_j$$\sigma^{2*}_j$

cat("Third Gibbs run (reduced):\n")

N <- burn_in + run

w  <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
z  <- matrix(1, nrow = N, ncol = nn) 

pb <- txtProgressBar(min = 2, max = N, style = 3)
z[1,] <- sample.int(k, size = nn, replace = TRUE)
for (t in 2:N) {
    n <- tabulate(z[t-1,], nbins = k)
    w[t,] <- rdirichlet(a + n)
    z[t,] <- sapply(1:nn, function(i) sample.int(k, size = 1, prob = exp(log(w[t,]) + dnorm(x[i], mean = mus, sd = sqrt(vas), log = TRUE))))
    setTxtProgressBar(pb, t)
}
close(pb)

w  <- w[(burn_in+1):N,]
z  <- z[(burn_in+1):N,]
N  <- N - burn_in

pi.w_z.x <- function(w, z) {
    n <- tabulate(z, nbins = k)
    exp(lgamma(sum(a+n)) - sum(lgamma(a+n)) + sum((a+n-1)*log(w)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.w_z.x(ws, z[t,]))))

Nach alledem erhalten wir eine logarithmische Schätzung die größer ist als die von Chib gemeldete: mit Monte-Carlo-Fehler .$-217.9199$$-224.138$$.086$

Um zu überprüfen, ob ich die Gibbs-Sampler irgendwie durcheinander gebracht habe, habe ich das Ganze mit RJAGS neu implementiert. Der folgende Code gibt die gleichen Ergebnisse.

x <- c( 9.172,  9.350,  9.483,  9.558,  9.775, 10.227, 10.406, 16.084, 16.170, 18.419, 18.552, 18.600, 18.927, 19.052, 19.070, 19.330,
       19.343, 19.349, 19.440, 19.473, 19.529, 19.541, 19.547, 19.663, 19.846, 19.856, 19.863, 19.914, 19.918, 19.973, 19.989, 20.166,
       20.175, 20.179, 20.196, 20.215, 20.221, 20.415, 20.629, 20.795, 20.821, 20.846, 20.875, 20.986, 21.137, 21.492, 21.701, 21.814,
       21.921, 21.960, 22.185, 22.209, 22.242, 22.249, 22.314, 22.374, 22.495, 22.746, 22.747, 22.888, 22.914, 23.206, 23.241, 23.263,
       23.484, 23.538, 23.542, 23.666, 23.706, 23.711, 24.129, 24.285, 24.289, 24.366, 24.717, 24.990, 25.633, 26.960, 26.995, 32.065,
       32.789, 34.279 )

library(rjags)

nn <- length(x)

k <- 3

mu0 <- 20
va0 <- 100

nu0 <- 6
de0 <- 40

a <- rep(1, k)

burn_in <- 10^3

N <- 10^4

full <- "
    model {
        for (i in 1:n) {
            x[i] ~ dnorm(mu[z[i]], tau[z[i]])
            z[i] ~ dcat(w[])
        }
        for (i in 1:k) {
            mu[i] ~ dnorm(mu0, 1/va0)
            tau[i] ~ dgamma(nu0/2, de0/2)
            va[i] <- 1/tau[i]
        }
        w ~ ddirich(a)
    }
"
data <- list(x = x, n = nn, k = k, mu0 = mu0, va0 = va0, nu0 = nu0, de0 = de0, a = a)
model <- jags.model(textConnection(full), data = data, n.chains = 1, n.adapt = 100)
update(model, n.iter = burn_in)
samples <- jags.samples(model, c("mu", "va", "w", "z"), n.iter = N)

mu <- matrix(samples$mu, nrow = N, byrow = TRUE)
    va <- matrix(samples$va, nrow = N, byrow = TRUE)
w <- matrix(samples$w, nrow = N, byrow = TRUE)
    z <- matrix(samples$z, nrow = N, byrow = TRUE)

log_L <- function(x, w, mu, va) sum(log(sapply(1:nn, function(i) sum(exp(log(w) + dnorm(x[i], mean = mu, sd = sqrt(va), log = TRUE))))))

ts <- which.max(sapply(1:N, function(t) log_L(x, w[t,], mu[t,], va[t,])))

ws <- w[ts,]
mus <- mu[ts,]
vas <- va[ts,]

log_prior <- function(w, mu, va) {
    lgamma(sum(a)) - sum(lgamma(a)) + sum((a-1)*log(w))
    + sum(dnorm(mu, mean = mu0, sd = sqrt(va0), log = TRUE))
    + sum((nu0/2)*log(de0/2) - lgamma(nu0/2) - (nu0/2+1)*log(va) - de0/(2*va))
}

chib <- log_L(x, ws, mus, vas) + log_prior(ws, mus, vas)

cat("log-likelihood + log-prior =", chib, "\n")

pi.mu_va.z.x <- function(mu, va, z, x) {
    n <- sapply(1:k, function(j) sum(z==j))
    m <- sapply(1:k, function(j) sum(x[z==j]))
    m[n > 0] <- m[n > 0] / n[n > 0]
    exp(sum(dnorm(mu, mean = (n*m*va0+mu0*va)/(n*va0+va), sd = sqrt(va0*va/(n*va0+va)), log = TRUE)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.mu_va.z.x(mus, va[t,], z[t,], x))))

cat("log-likelihood + log-prior - log-pi.mu_ =", chib, "\n")

fixed.mu <- "
    model {
        for (i in 1:n) {
            x[i] ~ dnorm(mus[z[i]], tau[z[i]])
            z[i] ~ dcat(w[])
        }
        for (i in 1:k) {
            tau[i] ~ dgamma(nu0/2, de0/2)
            va[i] <- 1/tau[i]
        }
        w ~ ddirich(a)
    }
"
data <- list(x = x, n = nn, k = k, nu0 = nu0, de0 = de0, a = a, mus = mus)
model <- jags.model(textConnection(fixed.mu), data = data, n.chains = 1, n.adapt = 100)
update(model, n.iter = burn_in)
samples <- jags.samples(model, c("va", "w", "z"), n.iter = N)

va <- matrix(samples$va, nrow = N, byrow = TRUE)
    w <- matrix(samples$w, nrow = N, byrow = TRUE)
z <- matrix(samples$z, nrow = N, byrow = TRUE)

pi.va_mu.z.x <- function(va, mu, z, x) {
    n <- sapply(1:k, function(j) sum(z==j))
    de <- sapply(1:k, function(j) sum((x[z==j] - mu[j])^2))
    exp(sum(((nu0+n)/2)*log((de0+de)/2) - lgamma((nu0+n)/2) - ((nu0+n)/2+1)*log(va) - (de0+de)/(2*va)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.va_mu.z.x(vas, mus, z[t,], x))))

cat("log-likelihood + log-prior - log-pi.mu_ - log-pi.va_ =", chib, "\n")

fixed.mu.and.va <- "
    model {
        for (i in 1:n) {
            x[i] ~ dnorm(mus[z[i]], 1/vas[z[i]])
            z[i] ~ dcat(w[])
        }
        w ~ ddirich(a)
    }
"
data <- list(x = x, n = nn, a = a, mus = mus, vas = vas)
model <- jags.model(textConnection(fixed.mu.and.va), data = data, n.chains = 1, n.adapt = 100)
update(model, n.iter = burn_in)
samples <- jags.samples(model, c("w", "z"), n.iter = N)

w <- matrix(samples$w, nrow = N, byrow = TRUE)
    z <- matrix(samples$z, nrow = N, byrow = TRUE)

pi.w_z.x <- function(w, z, x) {
    n <- sapply(1:k, function(j) sum(z==j))
    exp(lgamma(sum(a)+nn) - sum(lgamma(a+n)) + sum((a+n-1)*log(w)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.w_z.x(ws, z[t,], x))))

cat("log-likelihood + log-prior - log-pi.mu_ - log-pi.va_ - log-pi.w_ =", chib, "\n")

Meine Frage ist, ob es in der obigen Beschreibung irgendwelche Missverständnisse der Methode von Chib oder irgendwelche Fehler in ihrer Implementierung gibt.

Im vorherigen Abschnitt ist ein kleiner Programmierfehler aufgetreten

log_prior <- function(w, mu, va) {
    lgamma(sum(a)) - sum(lgamma(a)) + sum((a-1)*log(w))
    + sum(dnorm(mu, mean = mu0, sd = sqrt(va0), log = TRUE))
    + sum((nu0/2)*log(de0/2) - lgamma(nu0/2) - (nu0/2+1)*log(va) - de0/(2*va))
}

wie es stattdessen sein sollte

log_prior <- function(w, mu, va) {
    lgamma(sum(a)) - sum(lgamma(a)) + sum((a-1)*log(w)) +
      sum(dnorm(mu, mean = mu0, sd = sqrt(va0), log = TRUE)) +
      sum((nu0/2)*log(de0/2) - lgamma(nu0/2) - (nu0/2+1)*log(va) - de0/(2*va))
}

Das erneute Ausführen des Codes auf diese Weise führt zu

> chib
[1] -228.194

Das ist nicht der Wert, der in Chib (1995) für diesen Fall erzeugt wurde! In Neals (1999) Reanalyse des Problems erwähnt er dies jedoch

Einem anonymen JASA-Schiedsrichter zufolge ist die Zahl -224.138 für das Protokoll der Grenzwahrscheinlichkeit für das Dreikomponentenmodell mit ungleichen Abweichungen, die in Chibs Papier angegeben wurde, ein "Tippfehler" mit der korrekten Zahl -228.608.

Dies löst also das Diskrepanzproblem.