KL情報量¶
D(q∥p)=EX[logp(X∣θ)q(X)]=∫Xq(x)logp(X∣θ)q(X)dx≥0 K(θ):=EX[logp(X∣θ)p(X∣θ∗)] 正則性¶
K(θ)=0となるθの集合をΘ∗とする。
以下3つの条件を満たすとき、正則であるという
Θ∗の要素θ∗が単一
θのヘッセ行列
正則性¶
以下2つを満たすときq(x)はp(x∣θ)に対して正則であるという
平均対数損失関数を最小にするパラメータの集合Θ∗={θ∈Θ∣L(θ)が最小値をとる}について、集合Θ∗の要素がθ∗の1つだけである
θ∗のヘッセ行列∇2L(θ∗)が正則(固有値が全て正の値)である
正則でない関数の例¶
f(x)=x4f′(x)=4x3f′′(x)=12x2 f(x)=x4はf′′(0)=0で
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(-1, 1, 100)
y = x**4
plt.plot(x, y)
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(-1, 1, 100)
y = 4*x**3
plt.plot(x, y)
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(-1, 1, 100)
y = 12*x**2
plt.plot(x, y)
正則でない統計モデルの例¶
P(x∣a,b)=(1−a)2π1exp(−2x2)+a2π1exp(−2(x−b)2) で最適解がa∗b∗=0のとき、KL情報量を最小化するθ=(a,b)∈Θが一意に決まらない
正則性を仮定すると得られるもの¶
ニュートン法の確率収束¶
最尤推定のときに使われることが多いニュートン法でヘッセ行列が逆行列を持たず、漸化式が収束しない
θn→θ∗ 漸近正規性¶
p(θ∣x1,…,xn)⟶ 法則収束 N(θ∗+Δn,n1J−1) 法則収束:分布関数Fの連続点xで分布関数Fn(x)がF(x)に収束する(n→∞)
事後平均、事後分散¶
渡辺ベイズで出てくる大事な量
p(x∣θ)の事後平均(予測分布)
r(x∣x1,…,xn)=∫Θ{p(x∣θ)}p(θ∣x1,…,xn)dθ −logp(x∣θ)の事後平均、事後分散
E(x)V(x):=∫Θ{−logp(x∣θ)}p(θ∣x1,…,xn)dθ:=∫Θ{−logp(x∣θ)−E(x)}2p(θ∣x1,…,xn)dθ 汎化損失¶
汎化損失¶
予測分布を負の対数とって期待値とる
Gn:=EX[−logr(X∣x1,…,xn)] 経験損失¶
Tn:=n1i=1∑n{−logr(xi∣x1,…,xn)} 正則性を仮定しなくても、次のようになる¶
GnTn=EX[E(X)]−21EX[V(X)]+oP(n1)=n1i=1∑nE(xi)−2n1i=1∑nV(xi)+oP(n1) WAIC¶
WAIC = 経験損失Tn+事後分散の平均値Vn/n
E(x)=∫Θ{−logp(x∣θ)}p(θ∣x1,…,xn)dθV(x)=∫Θ{−logp(x∣θ)−E(x)}2p(θ∣x1,…,xn)dθVn:=i=1∑nV(xi)WAIC:=Tn+nVn 相対的に有限な分散の範囲内でしかWAICは使えない¶
(100問の本7章)
実現可能¶
D(q∥p)=0となるθが存在するとき、qは{p(⋅∣θ)}θ∈Θで実現可能という
実質的にunique(同質)¶
p(x∣θ)=p(x∣θ′),x∈X,θ,θ′∈Θ∗ 相対的に有限な分散をもつ¶
あるc>0が存在して、EX[{logp(X∣θ)p(X∣θ∗)}2]≤cEX[logp(X∣θ)p(X∣θ∗)],θ∈Θ,θ∗∈Θ∗ 正則でないモデルであってもWAICは使えるが、相対的に有限な分散の範囲内でしかWAICは使えない
正則のとき、AIC≈WAIC¶
正則のとき、漸近正規性から
GnTn=EX[−logp(X∣θ∗)]+21Δn⊤JΔn=n1i=1∑n−logp(xi∣θ∗)−21Δn⊤JΔn AICとの対応
EX[−logp(X∣θ^(x1,…,xn))]i=1∑n−logp(xi∣θ^(x1,…,xn))=EX[−logp(X∣θ∗)]+21Δn⊤JΔn=n1i=1∑n−logp(xi∣θ∗)−21Δn⊤JΔn