Ableiten des K-Mittelwert-Algorithmus als Grenze der Erwartungsmaximierung für Gaußsche Gemische


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Christopher Bishop definiert den erwarteten Wert der Likelihood-Funktion für das vollständige Datenprotokoll (dh unter der Annahme, dass wir sowohl die beobachtbaren Daten X als auch die latenten Daten Z erhalten) wie folgt:

(1)EZ[ln⁡p(X,Z∣μ,Σ,π)]=∑n=1N∑k=1Kγ(znk){ln⁡πk+ln⁡N(xn∣ μk,Σk)}

Dabei ist γ(znk) definiert als:

(2)πkN(xn∣ μk,Σk)∑j=1KπjN(xn∣ μj,Σj)

Wie beschrieben, besteht die Idee darin, ein Gaußsches Mischungsmodell zu betrachten, bei dem die Kovarianzmatrizen der Mischungskomponenten durch ϵI , wobei ϵ ein Varianzparameter ist, der von allen Komponenten gemeinsam genutzt wird, wie z Das:

(3)p(x∣μk,Σk)=1(2πϵ)M2exp⁡{−12ϵ‖x−μk‖2}

und so ist γ(znk) jetzt definiert als:

(4)πkexp⁡{−‖xn−μk‖2/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{−‖xn−μj‖2/2ϵ}

Das Argument ist jetzt das folgende:

Wenn wir die Grenze , sehen wir im Nenner den Term, für den ist am kleinsten, geht am auf Null, und daher gehen die Verantwortlichkeiten für den Datenpunkt bis auf Term j alle auf Null. für die die Verantwortung zur Einheit geht. Somit erhalten wir in dieser Grenze eine harte Zuordnung von Datenpunkten zu Clustern, genau wie im Mittel-Algorithmus, so dassϵ→0‖xn−μj‖2γ(znk)xnγ(znk)Kγ(znk)→rnk

Dabei ist definiert als:rnk

(5)f(n)={1if k=arg minj‖xn−μj‖20otherwise

Meine Frage ist, wie das obige Argument gilt? Was bedeutet es nämlich, wenn ein Begriff auf Null geht ? Und wie führt das Setzen des Limits in Gleichung zu einer binären Verantwortung?most slowlyϵ→04


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Wenn auf Null geht, wird geht für alle auf Null , jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, abhängig von , dem kleinsten sammelt dann das gesamte Gewicht im Limit. ϵexp⁡{−‖xn−μk‖2/2ϵ}=exp⁡{−δn/ϵ}nδnδn
— Xi'an

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(weitere Erklärung) Wenn Sie als kleinstes , können Sie alle Begriffe als , was bedeutet, dass alle Begriffe mit auf Null gehen außer einem, für den . δ∗δnexp⁡{(δ∗−δn)/ϵ}ϵδ∗−δn=0
— Xi'an

@ Xi'an Möchtest du mehr Ausarbeitung geben? Was meinst du mit "das kleinste sammelt dann das gesamte Gewicht im Limit"? Und wie wird der Term, für den = 0 ist, zur Einheit ausgewertet? Ich meine, der Zähler ist 0, oder? δnδ∗−δn
— BitRiver

Antworten:


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Schreiben wir Dann Wenn wir , haben wir where Ausnahme von wobei

‖xn−μk‖2=δk.
πkexp⁡{−‖xn−μk‖2/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{−‖xn−μj‖2/2ϵ}=πkexp⁡{−δk/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{−δj/2ϵ}
δ∗=minnδn,
πkexp⁡{−δk/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{−δj/2ϵ}=πkexp⁡{(δ∗−δk)/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}
δ∗−δk<0k=k∗δ∗−δk∗=0 . Also, für alle , , da für , , während k≠k∗
limϵ→0πkexp⁡{(δ∗−δk)/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}=limϵ→0πkexp⁡{(δ∗−δk)/2ϵ}πk∗+∑j≠k∗πjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}=0
a>0
limϵ→0exp⁡{−a/ϵ}=0
limϵ→0πk∗exp⁡{(δ∗−δk∗)/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}=limϵ→0πk∗×1πk∗+∑j≠k∗πjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}=1
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