本节将介绍高斯网络
在概率图模型——背景介绍中介绍了条件独立性,条件独立性的核心思想是:给定某随机变量集合
X
A
\mathcal X_{\mathcal A}
XA的条件下,可能存在随机变量集合
X
B
,
X
C
\mathcal X_{\mathcal B},\mathcal X_{\mathcal C}
XB,XC内部结点之间存在关联,但
X
B
,
X
C
\mathcal X_{\mathcal B},\mathcal X_{\mathcal C}
XB,XC之间不存在关联:
X
B
⊥
X
C
∣
X
A
\mathcal X_{\mathcal B} \perp \mathcal X_{\mathcal C} \mid \mathcal X_{\mathcal A}
XB⊥XC∣XA
并且
X
A
,
X
B
,
X
C
\mathcal X_{\mathcal A},\mathcal X_{\mathcal B},\mathcal X_{\mathcal C}
XA,XB,XC是三个不相交的特征集合。
在概率图模型——背景介绍中介绍了概率图模型(Probabilisitc Graphical Model,PGM)。从图的表示角度观察,它可以分为有向图和无向图两种:
基于有向图的概率图模型又称贝叶斯网络(Bayesian Network),也称信念网络(Belief Network)。
从条件独立性的角度观察,贝叶斯网络的条件独立性表达包含三种经典情况:
基于无向图的概率图模型又称马尔可夫网络(Markov Network),也称马尔可夫随机场(Markov Random Field)。
相比于贝叶斯网络,马尔可夫随机场中描述变量之间的依赖关系 仅包含一种格式:
该结构表现的现象是:给定
i
1
i_1
i1结点的条件下,结点
i
2
,
i
3
i_2,i_3
i2,i3相互独立。
i
2
⊥
i
3
∣
i
1
i_2 \perp i_3 \mid i_1
i2⊥i3∣i1
高斯网络(Gaussian Network),又称高斯概率图模型(Gaussian Probabilistic Graphical Model)。它同样也是一种概率图模型。
从随机变量的类型角度观察,将随机变量分为离散型随机变量核连续型随机变量两种。已经介绍的随机变量是离散型随机变量的有:
而高斯网络是随机变量是连续型随机变量 的一种代表模型,其核心思想是:随机变量都是连续型随机变量,并且随机变量服从高斯分布。同上,根据图的表示,高斯网络同样分为有向图和无向图两种表达形式:
假设一个高斯图模型表示如下:
这只是一个简单的马尔可夫网络,并且每个结点都是一个一维随机变量。这里的随机变量均是连续型随机变量,并且均服从高斯分布:
x
i
∼
N
(
μ
i
,
Σ
i
)
x_i \sim \mathcal N(\mu_i,\Sigma_i)
xi∼N(μi,Σi)
假设随机变量集合的维数是
p
p
p,整个高斯图模型中所有随机变量对应的概率密度函数
P
(
X
)
\mathcal P(\mathcal X)
P(X)表示为:
X
=
(
x
1
,
x
2
,
⋯
,
x
p
)
T
P
(
X
)
=
1
(
2
π
)
p
2
∣
Σ
∣
1
2
exp
[
−
1
2
(
x
−
μ
)
T
Σ
−
1
(
x
−
μ
)
]
X=(x1,x2,⋯,xp)TP(X)=1(2π)p2|Σ|12exp[−12(x−μ)TΣ−1(x−μ)]
XP(X)=(x1,x2,⋯,xp)T=(2π)2p∣Σ∣211exp[−21(x−μ)TΣ−1(x−μ)]
这明显是一个多元高斯分布。一个高斯图模型和一个多元高斯分布存在映射关系。其中
μ
\mu
μ表示多元高斯分布的期望,
Σ
\Sigma
Σ表示多元高斯分布的协方差矩阵。
其中,期望
μ
\mu
μ表示为:
μ
=
[
μ
i
]
p
×
1
=
(
μ
1
μ
2
⋮
μ
p
)
p
×
1
\mu = [\mu_i]_{p \times 1} = (μ1μ2⋮μp)_{p \times 1}
μ=[μi]p×1=⎝⎜⎜⎜⎛μ1μ2⋮μp⎠⎟⎟⎟⎞p×1
协方差矩阵
Σ
\Sigma
Σ表示为:
Σ
=
[
σ
i
j
]
p
×
p
=
(
σ
11
,
σ
12
,
⋯
,
σ
1
p
σ
21
,
σ
22
,
⋯
,
σ
2
p
⋮
σ
p
1
,
σ
p
2
,
⋯
,
σ
p
p
)
p
×
p
\Sigma = [\sigma_{ij}]_{p \times p} = (σ11,σ12,⋯,σ1pσ21,σ22,⋯,σ2p⋮σp1,σp2,⋯,σpp)_{p \times p}
Σ=[σij]p×p=⎝⎜⎜⎜⎛σ11,σ12,⋯,σ1pσ21,σ22,⋯,σ2p⋮σp1,σp2,⋯,σpp⎠⎟⎟⎟⎞p×p
其中
σ
i
j
\sigma_{ij}
σij表示随机变量
x
i
,
x
j
x_i,x_j
xi,xj的协方差结果:
这里没有写成
(
x
i
−
μ
i
)
(
x
j
−
μ
j
)
T
(x_i - \mu_i)(x_j - \mu_j)^T
(xi−μi)(xj−μj)T因为已经设定的一维随机变量。
σ
i
j
=
C
o
v
(
x
i
,
x
j
)
=
E
[
(
x
i
−
μ
i
)
(
x
j
−
μ
j
)
]
\sigma_{ij} = Cov(x_i,x_j) = \mathbb E\left[(x_i - \mu_i)(x_j - \mu_j)\right]
σij=Cov(xi,xj)=E[(xi−μi)(xj−μj)]
根据协方差的定义,如果在同一物理量纲(基准)的条件下,
C
o
v
(
x
i
,
x
j
)
=
0
Cov(x_i,x_j) = 0
Cov(xi,xj)=0,那个称随机变量
x
i
,
x
j
x_i,x_j
xi,xj是不相关的。从独立性的角度观察,即
x
i
,
x
j
x_i,x_j
xi,xj相互独立:
这个相互独立意味着
x
i
x_i
xi和
x
j
x_j
xj在不观察其他变量的条件下是‘边缘独立/绝对独立’的,这种独立在现实世界的问题中并不常见。
σ
i
j
=
0
⇒
x
i
⊥
x
j
σ
i
j
=
0
⇒
P
(
x
i
,
x
j
)
=
P
(
x
i
)
P
(
x
j
)
σij=0⇒xi⊥xjσij=0⇒P(xi,xj)=P(xi)P(xj)
σij=0σij=0⇒xi⊥xj⇒P(xi,xj)=P(xi)P(xj)
如果两个随机变量之间的基准存在差异,对应的
σ
i
j
\sigma_{ij}
σij也可能存在很大差异。为此可以引入相关系数(Correlation Coefficient):
ρ
i
j
=
C
o
v
(
x
i
,
x
j
)
D
(
x
i
)
D
(
x
j
)
=
σ
i
j
σ
i
i
σ
j
j
ρij=Cov(xi,xj)√D(xi)√D(xj)=σij√σiiσjj
ρij=D(xi)D(xj)Cov(xi,xj)=σiiσjjσij
如果相关系数
ρ
i
j
=
0
\rho_{ij} = 0
ρij=0称
x
i
,
x
j
x_i,x_j
xi,xj不相关。
条件独立性本质上是为了简化运算提出的一种假设,从而在概率图模型中得到映射。
关于高斯网络的条件独立性,引入一个概念:精度矩阵(Precision Matrix),也称作 信息矩阵(Information Matrix)。它是协方差矩阵的逆矩阵:
第一次遇到‘精度矩阵’是在
推断任务之边缘概率分布与条件概率分布,记录一下时间点~
Λ
=
Σ
−
1
=
(
λ
11
,
λ
12
,
⋯
,
λ
1
p
λ
21
,
λ
22
,
⋯
,
λ
2
p
⋮
λ
p
1
,
λ
p
2
,
⋯
,
λ
p
p
)
p
×
p
\Lambda = \Sigma^{-1} = (λ11,λ12,⋯,λ1pλ21,λ22,⋯,λ2p⋮λp1,λp2,⋯,λpp)_{p \times p}
Λ=Σ−1=⎝⎜⎜⎜⎛λ11,λ12,⋯,λ1pλ21,λ22,⋯,λ2p⋮λp1,λp2,⋯,λpp⎠⎟⎟⎟⎞p×p
关于精度矩阵
Λ
\Lambda
Λ与条件独立性的关联关系表示如下:
其中
x
−
i
−
j
x_{-i-j}
x−i−j表示随机变量集合
X
\mathcal X
X中除去
x
i
,
x
j
x_i,x_j
xi,xj之外的其他随机变量。
λ
i
j
=
0
⇔
x
i
⊥
x
j
∣
x
−
i
−
j
\lambda_{ij} = 0 \Leftrightarrow x_i \perp x_j \mid x_{-i-j}
λij=0⇔xi⊥xj∣x−i−j
精度矩阵的核心在于:精度矩阵中的元素与条件独立性(概率图的映射)紧密结合在一起。
下一节将介绍高斯贝叶斯网络。
相关参考:
高斯图模型、精度矩阵、偏相关系数、贝叶斯估计(利用贝叶斯做数据融合)、Wishart分布和逆Wishart分布
协方差——百度百科
概率图模型(四):经典概率图模型
机器学习-高斯网络(1)-总体介绍