本节开始,介绍贝叶斯线性回归(Bayesian Linear Regression)。
给定数据集合Data={(x(i),y(i))}i=1N\mathcal Data = \left\{\left(x^{(i)},y^{(i)}\right)\right\}_{i=1}^NData={(x(i),y(i))}i=1N,其中样本x(i)(1=1,2,⋯,N)x^{(i)}(1 = 1,2,\cdots,N)x(i)(1=1,2,⋯,N)是ppp维随机变量,对应的标签信息y(i)y^{(i)}y(i)是一维随机变量:
x(i)∈Rp,y(i)∈Ri=1,2,⋯,NX=(x(1),x(2),⋯,x(N))T=(x1(1),x2(1),⋯,xp(1)x1(2),x2(2),⋯,xp(2)⋮x1(N),x2(N),⋯,xp(N))N×pY=(y(1)y(2)⋮yN×1(N))\begin{aligned} x^{(i)} & \in \mathbb R^p,y^{(i)} \in \mathbb R \quad i=1,2,\cdots,N \\ \mathcal X & = \left(x^{(1)},x^{(2)},\cdots,x^{(N)}\right)^T = \begin{pmatrix} x_1^{(1)},x_2^{(1)},\cdots,x_p^{(1)} \\ x_1^{(2)},x_2^{(2)},\cdots,x_p^{(2)} \\ \vdots \\ x_1^{(N)},x_2^{(N)},\cdots,x_p^{(N)} \\ \end{pmatrix}_{N \times p} \quad \mathcal Y = \begin{pmatrix} y^{(1)} \\ y^{(2)} \\ \vdots \\ y^{(N)}_{N \times 1} \end{pmatrix} \end{aligned}x(i)X∈Rp,y(i)∈Ri=1,2,⋯,N=(x(1),x(2),⋯,x(N))T=⎝⎜⎜⎜⎜⎛x1(1),x2(1),⋯,xp(1)x1(2),x2(2),⋯,xp(2)⋮x1(N),x2(N),⋯,xp(N)⎠⎟⎟⎟⎟⎞N×pY=⎝⎜⎜⎜⎛y(1)y(2)⋮yN×1(N)⎠⎟⎟⎟⎞
给定数据集合DataDataData以及相应拟合直线表示如下:
其中直线的表达式为:
这里‘偏置信息’
bbb忽略掉,
xi(i=1,2,⋯,p)x_i(i=1,2,\cdots,p)xi(i=1,2,⋯,p)表示样本的第
iii维特征信息。
f(X)=WTX=XTW=∑i=1pwi⋅xif(\mathcal X) = \mathcal W^T \mathcal X = \mathcal X^T \mathcal W = \sum_{i=1}^p w_i \cdot x_if(X)=WTX=XTW=i=1∑pwi⋅xi
从概率密度函数角度观察,标签分布可看作是f(x)f(x)f(x)的基础加上均值为0的高斯分布噪声:
X\mathcal XX是包含
ppp维特征的随机变量集合;
Y\mathcal YY是一个一维随机变量;
ϵ\epsilonϵ表示一维高斯分布(它和
Y\mathcal YY的维数相同)。
Y=f(X)+ϵX∈Rp,Y∈R,ϵ∼N(0,σ2)\mathcal Y = f(\mathcal X) + \epsilon \quad \mathcal X \in \mathbb R^p,\mathcal Y \in \mathbb R,\epsilon \sim \mathcal N(0,\sigma^2)Y=f(X)+ϵX∈Rp,Y∈R,ϵ∼N(0,σ2)
关于线性回归问题求解模型参数W\mathcal WW时,使用的是最小二乘估计(Least Square Estimation,LSE):
L(W)=∑i=1N∣∣WTx(i)−y(i)∣∣2\mathcal L(\mathcal W) = \sum_{i=1}^N ||\mathcal W^Tx^{(i)} - y^{(i)}||^2L(W)=i=1∑N∣∣WTx(i)−y(i)∣∣2
并且通过最小二乘估计,求解模型参数W\mathcal WW的矩阵形式表达:
矩阵表达的弊端
:
是一个
p×pp \times pp×p的对称矩阵,它至少是半正定矩阵,但不一定是正定矩阵。从而导致
(XTX)−1(\mathcal X^T\mathcal X)^{-1}(XTX)−1可能是不可求的。
由于
X\mathcal XX是样本集合,如果
X\mathcal XX的样本量较大,会导致
XTX\mathcal X^T\mathcal XXTX的计算代价极高。
从概率密度函数角度观察,最小二乘估计本质是极大似然估计(Maximum Likelihood Estimate,MLE):
给定样本x(i)x^{(i)}x(i)和对应标签y(i)y^{(i)}y(i)之间的关联关系,可以得到P(y(i)∣x(i))\mathcal P(y^{(i)} \mid x^{(i)})P(y(i)∣x(i))的概率分布:
这里先将
μ\muμ写在上面。
y(i)=WTx(i)+ϵϵ∼N(μ,σ2)→P(y(i)∣x(i);W)∼N(WTx(i)+μ,σ2)\begin{aligned} & y^{(i)} = \mathcal W^Tx^{(i)} + \epsilon \quad \epsilon \sim \mathcal N(\mu,\sigma^2) \\ & \to \mathcal P(y^{(i)} \mid x^{(i)};\mathcal W) \sim \mathcal N(\mathcal W^Tx^{(i)} + \mu,\sigma^2) \end{aligned}y(i)=WTx(i)+ϵϵ∼N(μ,σ2)→P(y(i)∣x(i);W)∼N(WTx(i)+μ,σ2)
对似然函数L(W)\mathcal L(\mathcal W)L(W)进行构建:
将高斯分布的概率密度函数带入~
L(W)=log∏i=1NP(y(i)∣x(i);W)=∑i=1Nlog[1σ2πexp(−[y(i)−(WTx(i)+μ)]22σ2)]\begin{aligned} \mathcal L(\mathcal W) & = \log \prod_{i=1}^N \mathcal P(y^{(i)} \mid x^{(i)};\mathcal W) \\ & = \sum_{i=1}^N \log \left[\frac{1}{\sigma \sqrt{2 \pi}} \exp \left(- \frac{[y^{(i)} - \left(\mathcal W^Tx^{(i)} + \mu\right)]^2}{2\sigma^2}\right)\right] \end{aligned}L(W)=logi=1∏NP(y(i)∣x(i);W)=i=1∑Nlog[σ2π1exp(−2σ2[y(i)−(WTx(i)+μ)]2)]
使用极大似然估计对最优模型参数W^\hat {\mathcal W}W^进行计算:
其中
∑i=1Nlog1σ2π,12σ2\sum_{i=1}^N \log \frac{1}{\sigma \sqrt{2\pi}},\frac{1}{2\sigma^2}∑i=1Nlogσ2π1,2σ21均是与
x(i)x^{(i)}x(i)无关的量,视作常数。
W^=argmaxWL(W)=argmaxW{∑i=1Nlog[1σ2πexp(−[y(i)−(WTx(i)+μ)]22σ2)]}=argmaxW{∑i=1Nlog1σ2π−∑i=1N[y(i)−(WTx(i)+μ)]22σ2}∝argminW∑i=1N[y(i)−(WTx(i)+μ)]2μ=0→argminW∑i=1N[y(i)−WTx(i)]2\begin{aligned} \hat {\mathcal W} & = \mathop{\arg\max}\limits_{\mathcal W} \mathcal L(\mathcal W) \\ & = \mathop{\arg\max}\limits_{\mathcal W}\left\{\sum_{i=1}^N \log \left[\frac{1}{\sigma \sqrt{2 \pi}} \exp \left(- \frac{[y^{(i)} - \left(\mathcal W^Tx^{(i)} + \mu\right)]^2}{2\sigma^2}\right)\right]\right\} \\ & = \mathop{\arg\max}\limits_{\mathcal W}\left\{\sum_{i=1}^N \log \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}} - \sum_{i=1}^N\frac{[y^{(i)} - \left(\mathcal W^T x^{(i)} + \mu\right)]^2}{2\sigma^2}\right\} \\ & \propto \mathop{\arg\min}\limits_{\mathcal W}\sum_{i=1}^N \left[y^{(i)} - \left(\mathcal W^Tx^{(i)} + \mu\right)\right]^2 \\ \quad & \mu = 0 \to \mathop{\arg\min}\limits_{\mathcal W} \sum_ {i=1}^N \left[y^{(i)} - \mathcal W^Tx^{(i)}\right]^2 \end{aligned}W^=WargmaxL(W)=Wargmax{i=1∑Nlog[σ2π1exp(−2σ2[y(i)−(WTx(i)+μ)]2)]}=Wargmax{i=1∑Nlogσ2π1−i=1∑N2σ2[y(i)−(WTx(i)+μ)]2}∝Wargmini=1∑N[y(i)−(WTx(i)+μ)]2μ=0→Wargmini=1∑N[y(i)−WTx(i)]2
这里令μ=0\mu=0μ=0关于极大似然估计关于W^\hat{\mathcal W}W^的求解公式与最小二乘估计相同。
针对最小二乘估计的过拟合 问题,引入正则化(Regularized)。常见的正则化有两种方式:
从概率密度函数角度考虑基于正则化的最小二乘估计,可将其视作关于W\mathcal WW的最大后验概率估计(Maximum a Posteriori Probability,MAP):
W^MAP=argmaxWP(Y∣W)⋅P(W)P(Y)∝argmaxWP(Y∣W)⋅P(W)\begin{aligned} \hat {\mathcal W}_{MAP} & = \mathop{\arg\max}\limits_{\mathcal W} \frac{\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W) \cdot \mathcal P(\mathcal W)}{\mathcal P(\mathcal Y)} \\ & \propto \mathop{\arg\max}\limits_{\mathcal W} P(\mathcal Y \mid \mathcal W) \cdot \mathcal P(\mathcal W) \\ \end{aligned}W^MAP=WargmaxP(Y)P(Y∣W)⋅P(W)∝WargmaxP(Y∣W)⋅P(W)
由于样本间独立同分布,因而有:
增加一个
log\loglog函数,不影响最值的取值结果。
W^MAP∝argmaxW[log∏i=1NP(y(i)∣W)⋅P(W)]\hat {\mathcal W}_{MAP} \propto \mathop{\arg\max}\limits_{\mathcal W} \left[\log \prod_{i=1}^N \mathcal P(y^{(i)} \mid \mathcal W) \cdot \mathcal P(\mathcal W)\right]W^MAP∝Wargmax[logi=1∏NP(y(i)∣W)⋅P(W)]
令先验分布P(W)∼N(μ0,σ02)\mathcal P(\mathcal W) \sim \mathcal N(\mu_0 ,\sigma_0^2)P(W)∼N(μ0,σ02),将P(Y∣W)∼N(WTX,σ2)\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W) \sim \mathcal N(\mathcal W^T \mathcal X,\sigma^2)P(Y∣W)∼N(WTX,σ2)一同代入上式,有:
这里既包含对
W\mathcal WW分布的假设。也包含关于高斯噪声
Y∣W\mathcal Y \mid \mathcal WY∣W的假设。该假设完全写法是
Y∣X;W\mathcal Y \mid \mathcal X;\mathcal WY∣X;W只不过这里
X\mathcal XX是已知量,省略掉了。
W^MAP=argminW∑i=1N[(y(i)−WTx(i))2+σ2σ02(W−μ0)2]\hat {\mathcal W}_{MAP} = \mathop{\arg\min}\limits_{\mathcal W} \sum_{i=1}^N \left[\left(y^{(i)} - \mathcal W^T x^{(i)}\right)^2 + \frac{\sigma^2}{\sigma_0^2}(\mathcal W - \mu_0)^2\right]W^MAP=Wargmini=1∑N[(y(i)−WTx(i))2+σ02σ2(W−μ0)2]
令λ=σ2σ02,μ0=0\lambda = \frac{\sigma^2}{\sigma_0^2},\mu_0 = 0λ=σ02σ2,μ0=0时,上式将转化为:
W^MAP=argminW∑i=1N[(y(i)−WTx(i))2+λ∣∣W∣∣22]\hat {\mathcal W}_{MAP} = \mathop{\arg\min}\limits_{\mathcal W} \sum_{i=1}^N \left[\left(y^{(i)} - \mathcal W^T x^{(i)}\right)^2 + \lambda ||\mathcal W||_2^2\right]W^MAP=Wargmini=1∑N[(y(i)−WTx(i))2+λ∣∣W∣∣22]
上述是关于岭回归W\mathcal WW分布的假设,如果是Lasso回归,将W\mathcal WW分布假设为拉普拉斯分布(Laplace Distribution)。
无论是最小二乘估计还是包含了正则化的最小二乘估计,其本质均是频率派的求解方式,将模型参数W\mathcal WW视作未知常量,通过极大似然估计、最大后验概率估计等方式对W\mathcal WW进行优化,从而使目标函数达到最值。
本质上是‘优化问题’。
并且这种估计方式是点估计(Point Estimation),由于概率模型能够源源不断的生成样本,理论上无法完美地、精确描述概率模型的分布信息,只能通过有限的样本集合来估计模型参数。
也就是说,使用‘统计得到的样本集合’估计总体参数。
假设某概率模型服从高斯分布:N(μ,σ2)\mathcal N(\mu,\sigma^2)N(μ,σ2),这里的μ,σ2\mu,\sigma^2μ,σ2是描述概率分布的参数,是固定的。但是该概率模型可以生成无穷无尽的样本,假设某样本集合X={x(1),x(2),⋯,x(N)}\mathcal X =\left\{x^{(1)},x^{(2)},\cdots ,x^{(N)}\right\}X={x(1),x(2),⋯,x(N)}是生成出的一部分样本,我们通过统计的方式得到该样本的均值、方差μX,σX2\mu_{\mathcal X},\sigma_{\mathcal X}^2μX,σX2去估计真正的参数μ,σ2\mu,\sigma^2μ,σ2。
区别于频率派的点估计方式,贝叶斯派使用的是贝叶斯估计(Bayesian Estimation)。此时的参数W\mathcal WW不再是一个未知的常量,而是一个随机变量。
对于W\mathcal WW的估计过程中,需要通过给定数据估计出W\mathcal WW的后验概率分布P(W∣Data)\mathcal P(\mathcal W \mid Data)P(W∣Data)。
在变分推断——基本介绍中介绍过贝叶斯学派角度认识问题。其核心是:不同于频率派将模型参数W\mathcal WW看作未知的常量,而是将W\mathcal WW看作随机变量,从而求解W\mathcal WW的后验概率分布P(W∣Data)\mathcal P(\mathcal W \mid Data)P(W∣Data),基于该分布,对新样本进行预测:
令新样本为
x^\hat xx^,预测任务可表示为
P(x^∣Data)\mathcal P(\hat x \mid Data)P(x^∣Data).
P(x^∣Data)=∫W∣DataP(x^,W∣Data)dW=∫W∣DataP(W∣X)⋅P(x^∣W)dW=EW∣Data[P(x^∣W)]\begin{aligned} \mathcal P(\hat x \mid Data) & = \int_{\mathcal W \mid Data} \mathcal P(\hat x,\mathcal W \mid Data) d \mathcal W \\ & = \int_{\mathcal W \mid Data} \mathcal P(\mathcal W \mid \mathcal X) \cdot \mathcal P(\hat x \mid \mathcal W) d\mathcal W \\ & = \mathbb E_{\mathcal W \mid Data} \left[\mathcal P(\hat x \mid \mathcal W)\right] \end{aligned}P(x^∣Data)=∫W∣DataP(x^,W∣Data)dW=∫W∣DataP(W∣X)⋅P(x^∣W)dW=EW∣Data[P(x^∣W)]
针对上述贝叶斯方法的描述,在线性回归中的任务包含以下两个:
后验概率P(W∣Data)\mathcal P(\mathcal W \mid Data)P(W∣Data)表示如下:
数据集合
DataDataData包含样本集合
X\mathcal XX和对应标签集合
Y\mathcal YY.
P(W∣Data)=P(W∣X,Y)=P(W,Y∣X)P(Y∣X)=P(Y∣W,X)⋅P(W)∫WP(Y∣W,X)⋅P(W)dW\begin{aligned} \mathcal P(\mathcal W \mid Data) & = \mathcal P(\mathcal W \mid \mathcal X,\mathcal Y) \\ & = \frac{\mathcal P(\mathcal W,\mathcal Y \mid \mathcal X)}{\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal X)} \\ & = \frac{\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X) \cdot \mathcal P(\mathcal W)}{\int_{\mathcal W} \mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X) \cdot \mathcal P(\mathcal W) d\mathcal W} \end{aligned}P(W∣Data)=P(W∣X,Y)=P(Y∣X)P(W,Y∣X)=∫WP(Y∣W,X)⋅P(W)dWP(Y∣W,X)⋅P(W)
其中P(Y∣W,X)\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X)P(Y∣W,X)是似然(Likelihood),P(W)\mathcal P(\mathcal W)P(W)是先验分布(Piror Distribution)。
P(W)\mathcal P(\mathcal W)P(W)实际上是
P(W∣X)\mathcal P(\mathcal W \mid \mathcal X)P(W∣X),由于
X\mathcal XX不对
W\mathcal WW产生影响,这里省略。这个先验分布是推断之前给定的某一种分布。
由于样本之间独立同分布,因而似然P(Y∣W,X)\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X)P(Y∣W,X)可表示为如下形式:
根据上面介绍的线性回归模型,样本
x(i)x^{(i)}x(i)和对应标签
y(i)y^{(i)}y(i)之间是‘包含均值为0高斯噪声的线性关系’
:
P(y(i)∣W,x(i))∼N(WTx(i),σ2)P(Y∣W,X)=∏i=1NP(y(i)∣W,x(i))=∏i=1NN(WTx(i),σ2)\mathcal P(y^{(i)} \mid \mathcal W,x^{(i)}) \sim \mathcal N(\mathcal W^Tx^{(i)},\sigma^2)\\ \begin{aligned}\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X) & = \prod_{i=1}^N \mathcal P(y^{(i)} \mid \mathcal W,x^{(i)}) \\ & = \prod_{i=1}^N \mathcal N(\mathcal W^T x^{(i)},\sigma^2) \end{aligned}P(y(i)∣W,x(i))∼N(WTx(i),σ2)P(Y∣W,X)=i=1∏NP(y(i)∣W,x(i))=i=1∏NN(WTx(i),σ2)
关于先验分布P(W)\mathcal P(\mathcal W)P(W),我们同样假设它是一个 均值为0的高斯分布:
其中
Σprior\Sigma_{prior}Σprior表示先验高斯分布的‘协方差矩阵’,由于
W\mathcal WW和
X\mathcal XX维度相同,因而
[Σprior]p×p[\Sigma_{prior}]_{p \times p}[Σprior]p×p.
P(W)∼N(0,Σpiror)\mathcal P(\mathcal W) \sim \mathcal N(0,\Sigma_{piror})P(W)∼N(0,Σpiror)
至此,关于W\mathcal WW的后验概率分布P(W∣Data)\mathcal P(\mathcal W \mid Data)P(W∣Data)可表示为:
贝叶斯定理的分母部分称作’证据‘(Evidence),它可看作关于数据集合
DataDataData的一个常量(因为数据集合是已知的),和参数
W\mathcal WW无关。
P(W∣Data)=P(Y∣W,X)⋅P(W)∫WP(Y∣W,X)⋅P(W)dW∝P(Y∣W,X)⋅P(W)\begin{aligned} \mathcal P(\mathcal W \mid Data) & = \frac{\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X) \cdot \mathcal P(\mathcal W)}{\int_{\mathcal W} \mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X) \cdot \mathcal P(\mathcal W) d\mathcal W} \\ & \propto \mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X) \cdot \mathcal P(\mathcal W) \end{aligned}P(W∣Data)=∫WP(Y∣W,X)⋅P(W)dWP(Y∣W,X)⋅P(W)∝P(Y∣W,X)⋅P(W)
观察,由于似然P(Y∣W,X)\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X)P(Y∣W,X)服从高斯分布,并且先验分布同样假设为高斯分布,因而后验分布P(W∣Data)\mathcal P(\mathcal W \mid Data)P(W∣Data)同样服从高斯分布。
这里用到了
指数族分布的共轭性质,具体描述是:似然
P(Y∣W,X)\mathcal P(\mathcal Y \mid \mathcal W,\mathcal X)P(Y∣W,X)存在一个共轭的先验分布
P(W)\mathcal P(\mathcal W)P(W),对应效果是:后验分布
P(W∣Data)\mathcal P(\mathcal W \mid Data)P(W∣Data)与先验分布形成相同的分布形式。
并且高斯分布是一个包含’自共轭性质‘的指数族分布。即高斯分布是高斯分布自身的’共轭分布‘。
定义后验的高斯分布为N(μW,ΣW)\mathcal N(\mu_{\mathcal W},\Sigma_{\mathcal W})N(μW,ΣW),具体表示如下:
N(μW,ΣW)∝[∏i=1NN(y(i)∣WTx(i),σ2)]⋅N(0,Σpiror)\mathcal N(\mu_{\mathcal W},\Sigma_{\mathcal W}) \propto \left[\prod_{i=1}^N \mathcal N(y^{(i)} \mid \mathcal W^Tx^{(i)},\sigma^2)\right] \cdot \mathcal N(0,\Sigma_{piror})N(μW,ΣW)∝[i=1∏NN(y(i)∣WTx(i),σ2)]⋅N(0,Σpiror)
下一节将介绍μW,ΣW\mu_{\mathcal W},\Sigma_{\mathcal W}μW,ΣW的求解过程。
相关参考:
机器学习-贝叶斯线性回归(1)-背景介绍
机器学习-贝叶斯线性回归(2)-推导介绍