第四章:Density Estimation and GMM — 知识点笔记

综合来源:Lecture 04 PDF(56页)、课堂笔记(CSDN)


占位图
在这里插入图片描述

4.1 期望与方差

期望(Expectation)

E[X]=∑xx⋅p(x)\mathbb{E}[X] = \sum_x x \cdot p(x)E[X]=x∑​x⋅p(x)
E[f(X)]=∑xf(x)p(x)\mathbb{E}[f(X)] = \sum_x f(x)p(x)E[f(X)]=x∑​f(x)p(x)

线性性(无需独立性假设):
E[aX+bY+c]=aE[X]+bE[Y]+c\mathbb{E}[aX + bY + c] = a\mathbb{E}[X] + b\mathbb{E}[Y] + cE[aX+bY+c]=aE[X]+bE[Y]+c

条件期望

E[X∣y]=∑xx⋅p(x∣y)\mathbb{E}[X | y] = \sum_x x \cdot p(x|y)E[X∣y]=x∑​x⋅p(x∣y)

方差(Variance)

var[X]=E[(X−E[X])2]=E[X2]−E[X]2\text{var}[X] = \mathbb{E}[(X - \mathbb{E}[X])^2] = \mathbb{E}[X^2] - \mathbb{E}[X]^2var[X]=E[(X−E[X])2]=E[X2]−E[X]2

性质:var[aX+b]=a2var[X]\text{var}[aX + b] = a^2 \text{var}[X]var[aX+b]=a2var[X]

协方差(Covariance)

cov[X,Y]=E[(X−E[X])(Y−E[Y])]=E[XY]−E[X]E[Y]\text{cov}[X, Y] = \mathbb{E}[(X-\mathbb{E}[X])(Y-\mathbb{E}[Y])] = \mathbb{E}[XY] - \mathbb{E}[X]\mathbb{E}[Y]cov[X,Y]=E[(X−E[X])(Y−E[Y])]=E[XY]−E[X]E[Y]


4.2 概率密度函数(连续)

p(x∈[a,b])=∫abp(x)dxp(x \in [a,b]) = \int_a^b p(x)dxp(x∈[a,b])=∫ab​p(x)dx

  • p(x)≥0p(x) \geq 0p(x)≥0 且 ∫−∞∞p(x)dx=1\int_{-\infty}^{\infty} p(x)dx = 1∫−∞∞​p(x)dx=1
  • 累积分布函数:P(z)=p(X≤z)=∫−∞zp(x)dxP(z) = p(X \leq z) = \int_{-\infty}^z p(x)dxP(z)=p(X≤z)=∫−∞z​p(x)dx

4.3 密度估计与MLE ⭐⭐⭐

密度估计

从数据 D={x1,…,xN}\mathcal{D} = \{x_1, \ldots, x_N\}D={x1​,…,xN​} 推断概率分布 p(X)p(X)p(X)。

  • 存在无限多个可能的密度函数→选择是建模决策(归纳偏置!)

两种估计方法

方法目标学派
MLE(最大似然估计)w^MLE=arg⁡max⁡wp(D∣w)\hat{w}_{MLE} = \arg\max_w p(\mathcal{D|}w)w^MLE​=argmaxw​p(D∣w)频率学派
MAP(最大后验估计)w^MAP=arg⁡max⁡wp(D∣w)p(w)\hat{w}_{MAP} = \arg\max_w p(\mathcal{D}|w)p(w)w^MAP​=argmaxw​p(D∣w)p(w)贝叶斯学派

似然函数(IID假设下)

p(D∣w)=∏n=1Np(xn∣w)p(\mathcal{D}|w) = \prod_{n=1}^{N} p(x_n | w)p(D∣w)=n=1∏N​p(xn​∣w)

对数似然

ln⁡p(D∣w)=∑n=1Nln⁡p(xn∣w)\ln p(\mathcal{D}|w) = \sum_{n=1}^{N} \ln p(x_n | w)lnp(D∣w)=n=1∑N​lnp(xn​∣w)

为什么取log:

  1. 连乘→求和:更易求导
  2. 数值稳定性:多个0.01相乘→0,取log后稳定
  3. 单调变换→不改变最优解位置

MLE两步法 ⭐

  1. 建模(Modeling):写出对数似然 ln⁡p(D∣w)\ln p(\mathcal{D}|w)lnp(D∣w)
  2. 优化(Optimization):求导→临界点→验证最大值

4.4 伯努利分布的MLE ⭐

伯努利分布

X∼Bern(x∣μ):p(x∣μ)=μx(1−μ)1−x,x∈{0,1}X \sim \text{Bern}(x|\mu): p(x|\mu) = \mu^x (1-\mu)^{1-x}, \quad x \in \{0,1\}X∼Bern(x∣μ):p(x∣μ)=μx(1−μ)1−x,x∈{0,1}

E[X]=μ,var[X]=μ(1−μ)\mathbb{E}[X] = \mu, \quad \text{var}[X] = \mu(1-\mu)E[X]=μ,var[X]=μ(1−μ)

MLE推导

  1. 建模:ln⁡p(D∣μ)=n1ln⁡μ+n0ln⁡(1−μ)\ln p(\mathcal{D}|\mu) = n_1 \ln \mu + n_0 \ln(1-\mu)lnp(D∣μ)=n1​lnμ+n0​ln(1−μ)

    • n1,n0n_1, n_0n1​,n0​:1和0的观测次数(充分统计量)
  2. 优化:∂∂μ=n1μ−n01−μ=0\frac{\partial}{\partial\mu} = \frac{n_1}{\mu} - \frac{n_0}{1-\mu} = 0∂μ∂​=μn1​​−1−μn0​​=0

μML=n1n0+n1=n1N\mu_{ML} = \frac{n_1}{n_0 + n_1} = \frac{n_1}{N}μML​=n0​+n1​n1​​=Nn1​​

即:MLE估计的伯努利参数 = 样本中1的比例!


4.5 高斯分布的MLE ⭐⭐

高斯(正态)分布

X∼N(x∣μ,σ2):p(x∣μ,σ2)=12πσ2exp⁡(−(x−μ)22σ2)X \sim \mathcal{N}(x|\mu, \sigma^2): p(x|\mu,\sigma^2) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}\exp\left(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\right)X∼N(x∣μ,σ2):p(x∣μ,σ2)=2πσ2​1​exp(−2σ2(x−μ)2​)

E[X]=μ,var[X]=σ2\mathbb{E}[X] = \mu, \quad \text{var}[X] = \sigma^2E[X]=μ,var[X]=σ2

MLE推导结果

μML=1N∑n=1Nxn(样本均值)\mu_{ML} = \frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N} x_n \quad \text{(样本均值)}μML​=N1​n=1∑N​xn​(样本均值)

KaTeX parse error: Undefined control sequence: \* at position 75: …2 \quad \text{(\̲*̲有偏\*!)}

偏差分析 ⭐

  • E[μML]=μ\mathbb{E}[\mu_{ML}] = \muE[μML​]=μ → 无偏(Unbiased)
  • E[σML2]=N−1Nσ2≠σ2\mathbb{E}[\sigma^2_{ML}] = \frac{N-1}{N}\sigma^2 \neq \sigma^2E[σML2​]=NN−1​σ2=σ2 → 有偏(Biased)!

Bias(θ^)=E[θ^]−θ\text{Bias}(\hat{\theta}) = \mathbb{E}[\hat{\theta}] - \thetaBias(θ^)=E[θ^]−θ

  • 无偏估计量:E[θ^]=θ\mathbb{E}[\hat{\theta}] = \thetaE[θ^]=θ | 有偏:E[θ^]≠θ\mathbb{E}[\hat{\theta}] \neq \thetaE[θ^]=θ
  • 无偏方差估计:σ^unbiased2=1N−1∑(xn−xˉ)2\hat{\sigma}^2_{unbiased} = \frac{1}{N-1}\sum(x_n - \bar{x})^2σ^unbiased2​=N−11​∑(xn​−xˉ)2(分母N-1)

4.6 多元高斯分布

p(x∣μ,Σ)=1(2π)D/2∣Σ∣1/2exp⁡(−12(x−μ)TΣ−1(x−μ))p(\mathbf{x}|\mu, \Sigma) = \frac{1}{(2\pi)^{D/2}|\Sigma|^{1/2}} \exp\left(-\frac{1}{2}(\mathbf{x}-\mu)^T \Sigma^{-1}(\mathbf{x}-\mu)\right)p(x∣μ,Σ)=(2π)D/2∣Σ∣1/21​exp(−21​(x−μ)TΣ−1(x−μ))

  • μ∈RD\mu \in \mathbb{R}^Dμ∈RD:均值向量
  • Σ∈RD×D\Sigma \in \mathbb{R}^{D \times D}Σ∈RD×D:协方差矩阵

4.7 高斯混合模型(GMM)⭐⭐

定义

p(x∣π,μk,Σk)=∑k=1Kπk⋅N(x∣μk,Σk)p(\mathbf{x} | \pi, \mu_k, \Sigma_k) = \sum_{k=1}^{K} \pi_k \cdot \mathcal{N}(\mathbf{x} | \mu_k, \Sigma_k)p(x∣π,μk​,Σk​)=k=1∑K​πk​⋅N(x∣μk​,Σk​)

  • ∑k=1Kπk=1\sum_{k=1}^{K} \pi_k = 1∑k=1K​πk​=1:混合权重(簇的概率分布)
  • 每个分量是一个高斯分布

GMM vs K-Means ⭐

特性K-MeansGMM
聚类类型硬聚类软聚类(概率归属)
簇形状球形任意椭圆(可拉伸、旋转)
输出标签标签 + 归属概率
优化Lloyd’sEM算法
数学本质距离最小化概率密度最大化

GMM = 隐变量模型

p(x,z)⏟联合概率=p(z)⏟πz⋅p(x∣z)⏟N(x∣μz,Σz)\underbrace{p(\mathbf{x}, z)}_{\text{联合概率}} = \underbrace{p(z)}_{\pi_z} \cdot \underbrace{p(\mathbf{x}|z)}_{\mathcal{N}(\mathbf{x}|\mu_z,\Sigma_z)}联合概率p(x,z)​​=πz​p(z)​​⋅N(x∣μz​,Σz​)p(x∣z)​​

p(x)=∑k=1Kp(x,z=k)=∑k=1KN(x∣μk,Σk)πkp(\mathbf{x}) = \sum_{k=1}^{K} p(\mathbf{x}, z=k) = \sum_{k=1}^{K} \mathcal{N}(\mathbf{x}|\mu_k, \Sigma_k) \pi_kp(x)=k=1∑K​p(x,z=k)=k=1∑K​N(x∣μk​,Σk​)πk​

  • zzz:隐变量(latent variable)→"来自哪个簇"
  • GMM是生成模型(可从模型中采样数据)

后验概率(归属概率)

p(z=k∣x)=N(x∣μk,Σk)πk∑k′=1KN(x∣μk′,Σk′)πk′p(z=k | \mathbf{x}) = \frac{\mathcal{N}(\mathbf{x}|\mu_k, \Sigma_k)\pi_k}{\sum_{k'=1}^{K} \mathcal{N}(\mathbf{x}|\mu_{k'}, \Sigma_{k'})\pi_{k'}}p(z=k∣x)=∑k′=1K​N(x∣μk′​,Σk′​)πk′​N(x∣μk​,Σk​)πk​​


4.8 EM算法 ⭐⭐

循环依赖问题

  • 知道参数→可算后验(簇分配)
  • 知道簇分配→可估参数
  • →循环依赖!→EM算法解决

EM算法框架

  1. 初始化参数(通常用K-means + 密度估计)
  2. E-Step(期望步):用当前参数计算后验 γnk=p(zn=k∣xn)\gamma_{nk} = p(z_n=k|\mathbf{x}_n)γnk​=p(zn​=k∣xn​)
  3. M-Step(最大化步):用软标签最大化期望对数似然→更新参数
  4. 重复1-2直到收敛

GMM的EM公式

E-Step:γnk=N(xn∣μk,Σk)πk∑k′N(xn∣μk′,Σk′)πk′\gamma_{nk} = \frac{\mathcal{N}(\mathbf{x}_n|\mu_k,\Sigma_k)\pi_k}{\sum_{k'} \mathcal{N}(\mathbf{x}_n|\mu_{k'},\Sigma_{k'})\pi_{k'}}γnk​=∑k′​N(xn​∣μk′​,Σk′​)πk′​N(xn​∣μk​,Σk​)πk​​

M-Step:
Nk=∑n=1Nγnk,πk=NkNN_k = \sum_{n=1}^{N} \gamma_{nk}, \quad \pi_k = \frac{N_k}{N}Nk​=n=1∑N​γnk​,πk​=NNk​​

μk=1Nk∑n=1Nγnkxn\mu_k = \frac{1}{N_k}\sum_{n=1}^{N} \gamma_{nk} \mathbf{x}_nμk​=Nk​1​n=1∑N​γnk​xn​

Σk=1Nk∑n=1Nγnk(xn−μk)(xn−μk)T\Sigma_k = \frac{1}{N_k}\sum_{n=1}^{N} \gamma_{nk}(\mathbf{x}_n - \mu_k)(\mathbf{x}_n - \mu_k)^TΣk​=Nk​1​n=1∑N​γnk​(xn​−μk​)(xn​−μk​)T


笔记中的图片索引

序号图片内容描述来源位置
图1高斯分布密度函数曲线Lecture 04 第26页
图2GMM三分量示意图Lecture 04 第40-41页
图3生成模型图模型(z→x)Lecture 04 第44页
图4EM算法循环依赖示意图Lecture 04 第48页
图5GMM vs K-Means对比CSDN笔记

笔记整理时间:2026年6月28日

Logo

汇聚全球AI编程工具,助力开发者即刻编程。

更多推荐