Skip to article frontmatterSkip to article content
Site not loading correctly?

This may be due to an incorrect BASE_URL configuration. See the MyST Documentation for reference.

Wasserstein 距離(EMD)

Wasserstein 距離(ワッサースタイン距離)は、2つの確率分布 P,QP, Q の差を「確率質量を どれだけ・どれだけ遠くへ 移動させれば PP を QQ に変換できるか」 という 最適輸送(Optimal Transport) の観点で定義する距離。

直感的には、分布を「土の山」とみなし、別の分布の形にするために土を運ぶときの 最小の運搬コスト を測る量であり、 Earth Mover’s Distance (EMD) とも呼ばれる。

(自然言語処理における「編集距離」に近いかも?)

定義

もっとも一般化された定義は pp-Wasserstein

pp-Wasserstein 距離

距離空間 (X,∥⋅∥)(\mathcal{X}, \|\cdot\|) 上の確率分布 P,QP, Q に対し、
p≥1p \ge 1 とすると、pp-Wasserstein 距離は次で定義される。

Wp(P,Q)=(inf⁡γ∈Π(P,Q)∫X×X∥x−y∥p dγ(x,y))1/pW_p(P, Q) = \left( \inf_{\gamma \in \Pi(P, Q)} \int_{\mathcal{X} \times \mathcal{X}} \|x - y\|^p \, d\gamma(x, y) \right)^{1/p}
  • Π(P,Q)\Pi(P, Q):周辺分布がそれぞれ P,QP, Q となる結合分布(輸送計画)

  • γ(x,y)\gamma(x, y):点 xx から yy へ運ばれる確率質量

  • ∥x−y∥\|x - y\|:輸送コスト(通常はユークリッド距離)

1次 Wasserstein 距離

実務・理論の両面で最もよく使われるのが 1次 Wasserstein 距離 (Wasserstein-1 distance)。

W1(P,Q)=inf⁡γ∈Π(P,Q)∫∥x−y∥ dγ(x,y)W_1(P, Q) = \inf_{\gamma \in \Pi(P, Q)} \int \|x - y\| \, d\gamma(x, y)
  • 外れ値に比較的ロバスト

  • 分布の平行移動を自然に反映

0.3333333333333333

性質

距離の公理を満たす

Wasserstein 距離は、次の性質をすべて満たす。

  • 非負性:Wp(P,Q)≥0W_p(P, Q) \ge 0

  • 同一性:Wp(P,Q)=0  ⟺  P=QW_p(P, Q) = 0 \iff P = Q

  • 対称性:Wp(P,Q)=Wp(Q,P)W_p(P, Q) = W_p(Q, P)

  • 三角不等式:Wp(P,R)≤Wp(P,Q)+Wp(Q,R)W_p(P, R) \le W_p(P, Q) + W_p(Q, R)

Kantorovich–Rubinstein 双対表現

W1W_1 には重要な双対表現が存在する。

W1(P,Q)=sup⁡∥f∥Lip≤1(EP[f(X)]−EQ[f(X)])W_1(P, Q) = \sup_{\|f\|_{\mathrm{Lip}} \le 1} \left( \mathbb{E}_{P}[f(X)] - \mathbb{E}_{Q}[f(X)] \right)
  • ∥f∥Lip≤1\|f\|_{\mathrm{Lip}} \le 1:1-Lipschitz 条件

  • 期待値差の最大値として表現される

  • Wasserstein GAN (WGAN) の理論的基盤

KL ダイバージェンスとの比較

KL ダイバージェンスは

DKL(P∥Q)=∫p(x)log⁡p(x)q(x) dxD_{\mathrm{KL}}(P \| Q) = \int p(x) \log \frac{p(x)}{q(x)} \, dx

で定義されるが、次のような違いがある。

観点KLWasserstein
台の不一致発散しやすい安定
幾何構造反映しない反映する
距離性なしあり