EM算法也称期望最大化(Expectation-Maximum,简称EM)算法,它是一个基础算法,是很多机器学习领域算法的基础,比如隐式马尔科夫算法(HMM), LDA主题模型的变分推断,混合高斯模型GMM,基于概率统计的pLSA模型。

EM算法概述(原文)

    我们经常会从样本观察数据中,找出样本的模型参数。 最常用的方法就是极大化模型分布的对数似然函数。

    但是在一些情况下,我们得到的观察数据有未观察到的隐含数据,此时我们未知的有隐含数据和模型参数,因而无法直接用极大化对数似然函数得到模型分布的参数。这时可以使用EM算法。

    EM算法解决这个的思路是使用启发式的迭代方法,既然我们无法直接求出模型分布参数,那么我们可以先猜想隐含数据(EM算法的E步),接着基于观察数据和猜测的隐含数据一起来极大化对数似然,求解我们的模型参数(EM算法的M步)。由于我们之前的隐藏数据是猜测的,所以此时得到的模型参数一般还不是我们想要的结果。不过没关系,我们基于当前得到的模型参数,继续猜测隐含数据(EM算法的E步),然后继续极大化对数似然,求解我们的模型参数(EM算法的M步)。以此类推,不断的迭代下去,直到模型分布参数基本无变化,算法收敛,找到合适的模型参数。

    从上面的描述可以看出,EM算法是迭代求解最大值的算法,同时算法在每一次迭代时分为两步,E步和M步。一轮轮迭代更新隐含数据和模型分布参数,直到收敛,即得到我们需要的模型参数。

    一个最直观了解EM算法思路的是K-Means算法。在K-Means聚类时,每个聚类簇的质心是隐含数据。我们会假设K个初始化质心,即EM算法的E步;然后计算得到每个样本最近的质心,并把样本聚类到最近的这个质心,即EM算法的M步。重复这个E步和M步,直到质心不再变化为止,这样就完成了K-Means聚类。

    当然,K-Means算法是比较简单的,实际中的问题往往没有这么简单。上面对EM算法的描述还很粗糙,我们需要用数学的语言精准描述。

EM算法的推导

    对于m个样本观察数据x=(x(1),x(2),...x(m))中,找出样本的模型p(x,z)参数θ, 对数似然函数如下:

                  

    模型中存在隐函数z=(z(1),z(2),...z(m))随机变量,不方便直接找到参数估计,所以这时候引入Q(Z(i)),注意不是随便引入一个函数的,这个函数是Z的一个分布,且Q(Z(i))≥0,这时为了让原来的对数似然函数不变,我们可以作出如下(2)变换公式:

        

第(3)步利用了Jensen不等式。

    Jensen不等式:若f是凸函数:

    

对于第(3)步中不等式中,若要满足相等的情况,需要满足条件:

      

c为常数,又因为:

所以可以推出:

如果Qi(z(i))=P(z(i)|x(i);θ)), 则第(3)式是我们的包含隐藏数据的对数似然的一个下界。如果我们能极大化这个下界,则也在尝试极大化我们的对数似然。即我们需要最大化下式:

    

去掉上式中为常数的部分,则我们需要极大化的对数似然下界为:

上式也就是我们的EM算法的M步,那E步呢?注意到上式中Qi(z(i))是一个分布,因此可以理解为logP(x(i),z(i);θ)基于条件概率分布Qi(z(i))的期望。

EM算法的流程总结:

EM算法的流程:

    输入:观察数据x=(x(1),x(2),...x(m)),联合分布p(x,z;θ), 条件分布p(z|x;θ), 最大迭代次数J。

    1) 随机初始化模型参数θ的初值θ0。

    2) for j  from 1 to J开始EM算法迭代:

      a) E步:计算联合分布的条件概率期望:

        Qi(z(i))=P(z(i)|x(i),θj)

        

      b) M步:极大化L(θ,θj),得到θj+1:

         

      c) 如果θj+1已收敛,则算法结束。否则继续回到步骤a)进行E步迭代。

    输出:模型参数θ。

关于EM算法的收敛性可以参照此博文的EM算法的收敛性思考。

补充:

如果我们从算法思想的角度来思考EM算法,我们可以发现我们的算法里已知的是观察数据,未知的是隐含数据和模型参数,在E步,我们所做的事情是固定模型参数的值,优化隐含数据的分布,而在M步,我们所做的事情是固定隐含数据分布,优化模型参数的值。

    

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