Expectation-Maximum（EM算法）

EM算法原理：

首先它是解决含隐变量（latent variable）情况下的参数估计问题，而求模型的参数时一般采用最大似然估计，由于含有了隐含变量，所以对似然函数参数求导是求不出来的，虽然通过梯度下降等优化方法也可以求解，但如果隐变量个数太多，将会带来指数级的运算。不过我们能知道在隐变量能观察到的情况下，最大似然法很简单，或者在知道参数的情况下，计算它的期望值也很容易。那么自然而然可以想到：

1.固定一组参数，计算该参数下的隐变量的期望值（E步）
2.结合E步求出的隐含变量条件概率，用最大似然法来估计参数（M步）。

重复上面2步直至收敛。可以从上面开篇的图片上快速理解。
公式如下所示：

Expectation-Maximum（EM算法）

一起来推导一遍吧：
首先是Jensen不等式：

如 果 f (x) 是 凸 函 数 ， 则 有 ： E (f (x)) \geq f (E (x))

对于m个数据x的参数θ的极大对数似然为：

θ = a r g max θ \sum i = 1 m l o g P (x (i) | θ)

对于隐变量z，似然函数可改写为：

θ = a r g max θ \sum i = 1 m l o g \sum z (i) P (x (i) ， z (i) | θ)

引入Qi(z(i)表示隐含变量z的某种分布，它满足的条件是

\sum z Q i (z (i)) = 1 ， Q i (z (i)) \geq 0

那么似然函数可变换为：

\sum i = 1 m l o g \sum z (i) P (x (i) ， z (i) | θ) = \sum i = 1 m l o g \sum z (i) Q i (z (i)) P (x (i) ， z (i) | θ) Q i (z (i))) Q i (z (i))

观察到∑z(i)Qi(z(i))P(x(i)，z(i)|θ)Qi(z(i))就是P(z(i)|x(i)，θ))的期望，所以利用Jensen不等式可得：

\sum i = 1 m l o g \sum z (i) P (x (i) ， z (i) | θ) = \sum i = 1 m l o g \sum z (i) Q i (z (i)) P (x (i) ， z (i) | θ) Q i (z (i)) \geq \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g P (x (i) ， z (i) | θ) Q i (z (i))

到这里，相当于求出了一个下界，但是Qi(z(i)的选择可能会有多种，怎么样才算是最好的下界呢？即是当这个大于等于变成等于的时候！根据Jensen不等式，想要等式成立需要满足条件：

P (x (i) ， z (i) | θ) Q i (z (i)) = c, c 为 常 数

考虑到Qi(z(i)本身的分布性质，可得：

Q i (z (i)) = P (x (i) ， z (i) | θ) \sum z P (x (i) ， z (i) | θ) = P (x (i) ， z (i) | θ) P (x (i) | θ) = P (z (i) | x (i) ， θ))

所以可以看出在固定了参数θ后，Qi(z(i)求出后验概率，解决它的选择问题，确定了下界，即E步。然后那么如果能极大化这个下界，不就极大化了对数似然，解决了问题吗？即M步求解下式：

a r g max θ \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g P (x (i) ， z (i) | θ)

EM算法能保证收敛吗？
证明极大似然单调增加就行了。再次的一起推导吧，即要证明：

\sum i = 1 m l o g P (x (i) | θ j + 1) \geq \sum i = 1 m l o g P (x (i) | θ j)

因为：

\sum i = 1 m l o g P (x (i) | θ) = \sum i = 1 m \sum z (i) P (z (i) | x (i) ， θ j)) l o g P (x (i) ， z (i) | θ) - \sum i = 1 m \sum z (i) P (z (i) | x (i) ， θ j)) l o g P (z (i) | x (i) ， θ))

然后对上式取θj和θj+1再相减，对于前半函数∑i=1m∑z(i)P(z(i)|x(i)，θj))logP(x(i)，z(i)|θ)是我们M步要优化的部分，一定是增大的。后半部分相减可得：

\sum i = 1 m \sum z (i) P (z (i) | x (i) ， θ j) l o g P (z (i) | x (i) ， θ j + 1) P (z (i) | x (i) ， θ j)

在此利用Jensen不等式，该式

\leq \sum i = 1 m l o g (\sum z (i) P (z (i) | x (i) ， θ j) P (z (i) | x (i) ， θ j + 1) P (z (i) | x (i) ， θ j))

= \sum i = 1 m l o g (\sum z (i) P (z (i) | x (i) ， θ j + 1)) = 0

至此得证。不过正因为EM算法是自收敛的分类算法，所以既不需要事先设定类别也不需要数据见的两两比较合并等操作。只不过缺点是当所要优化的函数不是凸函数时，EM算法容易给出局部最佳解，而不是最优解。

采用EM算法求解的模型有哪些，为什么不用牛顿法或梯度下降法？
蒙特卡罗算法，混合高斯、协同过滤、k-means。
因为梯度下降虽然算法一定会收敛，但是可能会收敛到局部最优，而且求和的项数会随着隐变量的数目指数上升，会给梯度计算带来麻烦。相对来说，EM算法是一种非梯度优化算法。

如何判断函数凸或非凸？
为了得到全局最优，函数的凹凸性很重要。但可惜这是一个NP难问题。
可以通过Disciplined Convex Programming（DCP）：基本的凸函数原子库（atom library）和凸性演算规则（convexity calculus rules）

非凸优化问题转化为凸优化问题的方法：
1）修改目标函数，使之转化为凸函数
2）抛弃一些约束条件，使新的可行域为凸集并且包含原可行域
3）狭义的和广义的蒙特卡罗，在足够多的尝试后，几乎一定返回的是全局最优，或至少离全局最优“不那么远”。

用EM算法推导解释Kmeans
k-means是两个步骤交替进行:确定中心点，对每个样本选择最近中心点–> E步和M步。
* E步中将每个点选择最近的类优化目标函数，分给中心距它最近的类(硬分配)，可以看成是EM算法中E步(软分配)的近似。
*M步中更新每个类的中心点，可以认为是在「各类分布均为单位方差的高斯分布」的假设下，最大化似然值。

实际上k-means是hard EM算法，而普通上一般说的EM算法是soft EM。所谓hard就是0-1二分抉择。而Soft是一个概率，从这里可以再次看出为什么EM用于隐变量说明隐变量是服从某种存在的分布（隐分布）的。

广义EM算法
在上面求下界的推导中，通过观察到∑z(i)Qi(z(i))P(x(i)，z(i)|θ)Qi(z(i))就是P(z(i)|x(i)，θ))的期望，所以利用Jensen不等式可得的：

\sum i = 1 m l o g \sum z (i) P (x (i) ， z (i) | θ) = \sum i = 1 m l o g \sum z (i) Q i (z (i)) P (x (i) ， z (i) | θ) Q i (z (i)) \geq \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g P (x (i) ， z (i) | θ) Q i (z (i)) = \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g (P (x (i) ， z (i) | θ)) - \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g (Q i (z (i)) = \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g (P (x (i) ， z (i) | θ)) + H (Q i)

这样不等式的右边就变成了自由能！那么E步的理解可以变为固定参数，优化隐分布， M步是固定隐分布，优化参数，即广义EM算法。
上面的式子当然还可以换种变化:

\geq \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g P (x (i) ， z (i) | θ) Q i (z (i))

= \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g P (x (i) | z (i), θ) P (z (i) | θ) Q i (z (i))

= \sum i = 1 m \sum z (i) Q i (z (i)) l o g P (z (i) | θ) - K L [Q i (x i) | | P (x i | z i ， θ)]

没错，可以发现自由能于KL距离的关系，所以固定参数的情况下最优化KL距离，可以知道引入Qi(z(i)满足的条件只能是∑zQi(z(i))=1，Qi(z(i))≥0的P(xi|zi,θk−1)分布，而这是最初推导时给出的隐函数条件。即可以知道广义EM的最优分布情况就是EM算法！！

广义EM的引申特例–VBEM算法
隐分布可不是那么好算的！有限制的隐分布情况。如果隐分布有了先验分布，计算限制等的时候，E步不可能做到无限制的最优，也就是说KL距离是无法为0。此时引入变分思想，即VBEM。

广义EM的引申特例–Wake-Sleep算法

广义EM的引申特例–Gibbs Sampling

WS算法是VAE和GAN组合的简化版

KL距离的统一

Expectation-Maximum（EM算法）

相关推荐