Earth Mover's Distance (EMD) zwischen zwei Gaußschen


26

Gibt es eine geschlossene Formel für die EMD zwischen x1∼N(μ1,Σ1) und x2∼N(μ2,Σ2) ?


2
Laut en.wikipedia.org/wiki/Earth_mover%27s_distance ist der EMD derselbe wie der Malven- oder Wasserstein-Abstand, also können Sie versuchen, das zu googeln.
— kjetil b halvorsen

2
Sie finden dieses Dokument
— jojer

Antworten:


27

Die Entfernung des Erdbewegers kann als , wobei das Infimum über alle gemeinsamen Verteilungen von X und übernommen wird Y Rn X \ sim P , Y \ sim Q . Dies ist auch als der erste Wasserstein-Abstand bekannt , der W_p = \ inf \ left (\ E \ lVert X - Y \ rVert ^ p \ right) ^ {1 / p} mit demselben Infimum ist.EMD⁡(P,Q)=infE⁡‖X−Y‖XYX∼PY∼QWp=inf(E⁡‖X−Y‖p)1/p

Sei X∼P=N⁡(μx,Σx) , Y∼Q=N⁡(μy,Σy) .

Untergrenze: Nach Jensens Ungleichung ist die EMD , da die Normen konvex sind, immer

E⁡‖X−Y‖≥‖E⁡(X−Y)‖=‖μx−μy‖,
mindestens der Abstand zwischen den Mitteln (für etwaige Verteilungen).

Obere Schranke basierend auf W2 : Wiederum durch Jensens Ungleichung (E⁡‖X−Y‖)2≤E⁡‖X−Y‖2 . Also W1≤W2 . Aber Dowson und Landau (1982) stellen fest, dass

W2(P,Q)2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−2(ΣxΣy)1/2),
mit einer Obergrenze für EMD=W1 .

Eine engere obere Schranke: Betrachten Sie die Kopplung Dies ist die von Knott und Smith (1984) abgeleitete Karte. , Zur optimalen Abbildung von Verteilungen , Journal of Optimization Theory and Applications, 43 (1), S. 39-49 als optimale Abbildung für ; Siehe auch diesen Blog-Beitrag . Beachten Sie, dass und

X∼N⁡(μx,Σx)Y=μy+Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12⏟A(X−μx).
W2A=ATEYW2A=AT
E⁡Y=μy+A(E⁡X−μx)=μyVar⁡Y=AΣxAT=Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12ΣxΣx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12=Σx−12(Σx12ΣyΣx12)Σx−12=Σy,
damit die Kopplung gültig ist.

Der Abstand ist dann , wobei nun was normal ist mit ‖X−Y‖‖D‖

D=X−Y=X−μy−A(X−μx)=(I−A)X−μy+Aμx,
E⁡D=μx−μyVar⁡D=(I−A)Σx(I−A)T=Σx+AΣxA−AΣx−ΣxA=Σx+Σy−Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx12−Σx12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12.

Somit gebunden ein oberes für ist . Leider ist eine geschlossene Form für diese Erwartung überraschend unangenehm für die allgemeinen multivariate Normale aufzuschreiben: siehe diese Frage , aber auch diese ein .W1(P,Q)E⁡‖D‖

Wenn die Varianz von endet sphärisch (zB wenn , , dann ist die Varianz von wird ), der ehemaligen Frage gibt die Antwort in Bezug auf ein verallgemeinertes Laguerre-Polynom.DΣx=σx2IΣy=σy2ID(σx−σy)2I

Im Allgemeinen haben wir eine einfache obere Schranke für basierend auf Jensens Ungleichung, abgeleitet zB aus der ersten Frage: E⁡‖D‖

(E⁡‖D‖)2≤E⁡‖D‖2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−AΣx−ΣxA)=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx)+tr⁡(Σy)−2tr⁡(Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx12)=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx)+tr⁡(Σy)−2tr⁡((Σx12ΣyΣx12)12)=W2(P,Q)2.
Die Gleichheit am Ende ist, weil die Matrizen und ähnlich sind Sie haben also die gleichen Eigenwerte, und daher haben ihre Quadratwurzeln die gleiche Spur.ΣxΣyΣx12ΣyΣx12=Σx−12(ΣxΣy)Σx12

Diese Ungleichung ist streng, solange nicht entartet ist, was in den meisten Fällen bei .‖D‖Σx≠Σy

Eine Vermutung : Vielleicht ist diese engere obere Schranke, , eng. ich hier lange Zeit eine andere Obergrenze, von der ich vermutete, dass sie enger war als die , also sollten Sie dieser Vermutung vielleicht nicht zu sehr vertrauen. :)E⁡‖D‖W2

Durch die Nutzung unserer Website bestätigen Sie, dass Sie unsere Cookie-Richtlinie und Datenschutzrichtlinie gelesen und verstanden haben.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.