改进的迭代尺度法(IIS)详细解析 | 统计学习方法学习笔记 | 数据分析 | 机器学习

IIS是一种最大熵模型学习的最优化算法。最大熵模型:舟晓南:统计学习方法 - 最大熵模型解析 | 数据分析,机器学习,学习历程全记录

已知最大熵模型为:

《统计学习方法》中直接给出对数似然函数为:

现在解释如何得到上式的对数似然函数:

首先根据对数似然函数的一般形式给出:

在上式中,第二行的箭头成立,是因为指数v(x, y)表示x和y确定时的个数,N为总样本数,除以总样本数不改变w,因此成立。

因为

为常数,这对于我们求极大值没有用处,因此忽略,所以:

因为 

所以最终可以得到书中的对数似然函数:

现在求对数似然函数w的极大值,假设最大熵模型当前的参数向量是w,找到一个新的参数向量 \omega +\delta  ,使模型的对数似然函数值增大。如果能有这样一种参数向量更新的方法 \omega \rightarrow \omega +\delta  ,那么就可以不停迭代,直至找到对数似然函数的最大值。

因为:

所以:

利用不等式 -log\alpha \geq 1-\alpha , \alpha >0 (不等式证明可参考:证明 logX < X 对所有 X > 0 成立)可得:

利用

于是:

又因为:

所以有


于是:

我们将等式右端记为:A(\delta |\omega ) ,这是似然函数的下界,于是有: L(\omega +\delta )-L(\omega )\geq A(\delta |\omega )

如果我们能够找到适当的 \delta 使下界提高,那么似然函数也会随之提高。但 \delta 是一个向量,不易同时对每个方向都进行优化,于是固定其它方向,仅优化其中的一个方向,这时我们需要再一次更新下界,使得可以仅优化一个方向。

具体的,我们引入一个量:

表示所有特征在(x,y)中出现的次数。在书中对f#为常数或不为常数的情况做了讨论,不过对于f#什么时候为常数,网络上各有理解。我们首先回顾一下f(x,y)是什么:

首先这个函数f本身代表的是一个规则,即x与y满足某一事实,则为1,否则为0。括号内的x和y是输入值,即每一个数据点的数据,或者说是每一个实例的数据。

那么fi(x, y)中的下标i表示的是不同的规则,比如f1(x, y)在x=1, y=2的情况下为1,否则为0;f2(x, y)在x=2,y=2的情况下为1,否则为0。

对某一个实例而言,我们将其代入f1和f2中,判断这个实例的数据是否符合f1和f2的规则,如果仅符合f1而不符合f2,则f1=1,f2=0。

那么\sum_{}^{}f_{i} (x,y)实际上是对一个特定的实例的数据进行i次不同规则的判断。

举一个例子,如果f1(x, y)为x1=1, y=0则为1,否则为0,f2(x, y)为x2=0,y=0为1,否则为0。那么对于某一个实例(x1=1, x2=0, y=0)来说,它既满足f1也满足f2,所以f1=1, f2=1,那么\sum_{}^{}f_{i} (x,y)=2,i=1,2

那么对于另一个实例(x1=1, x2=1, y=0),它满足f1但不满足f2,所以f1=1,f2=0,那么\sum_{}^{}f_{i} (x,y)=1,i=1,2

这就是为什么在《统计学习方法》中提到f#(x, y)可能为常数,也可能不为常数。在常数的情况下,说明每一个实例的数据符合的规则的数量是一样的,比如有三个规则,实例1符合规则1和规则2,实例2符合规则2和规则3,实例3符合规则1和规则3,尽管它们符合的规则不同,但数量相同,三个实例的f#(x, y)都为2。

当然,f#(x, y)为常数的情况发生的概率很小,因此f#(x, y)在大部分情况下都不是常数。

为了更好的理解,我们再看下标i还出现在权值和权值的更新值上,这说明实际上每一个特征函数fi(x, y)都对应了一个权值wi,对于一个特定的实例来说,如果它符合f1(x, y)的规则,那么权值w1就会作用在这个实例上,也就是说在预测或者分类的时候,模型会考虑f1(x, y)所代表的特征,如果该实例不符合f2(x, y),那么w2就不会作用在这个实例上,毕竟f2(x, y)=0,这样模型在预测或分类时,就不会考虑f2(x, y)所代表的特征,毕竟这个实例都没有这个特征,又为什么要去考虑它呢?

回到IIS算法本身,定义了f#(x, y)后,可以将 A(\delta |\omega ) 改写为:

因为指数函数是凸函数,且对任意i,有

利用琴声不等式(琴声不等式的资料可自行查找)可得:

所以:

于是下界被再一次刷新,此时可以对向量\delta   中的一个方向单独进行优化(求导)了。对其求偏导并令导数为0:

得到:

这样,就可以依次对每一个 \delta _{i} 求解,得到向量 \delta 并对w进行更新迭代了。



我是舟晓南,关注我的同名 公众号 和 知乎,发掘更多内容哦

对机器学习,深度学习,python感兴趣,欢迎关注专栏,学习笔记已原创70+篇,持续更新中~ ^_^

学习笔记:数据分析,机器学习,深度学习

关于 python 二三事

专栏文章举例:

【机器学习】关于逻辑斯蒂回归,看这一篇就够了!解答绝大部分关于逻辑斯蒂回归的常见问题,以及代码实现 - 知乎 (zhihu.com)

记录一下工作中用到的少有人知的pandas骚操作,提升工作效率 - 知乎 (zhihu.com)

关于切片时不考虑最后一个元素以及为什么从0开始计数的问题 - 知乎 (zhihu.com)

关于转行:

舟晓南:如何转行和学习数据分析 | 工科生三个月成功转行数据分析心得浅谈

舟晓南:求职数据分析师岗位,简历应该如何写?|工科生三个月成功转行数据分析心得浅谈

我建了个数据分析,机器学习,深度学习的群~ 需要学习资料,想要加入社群均可私信~

在群里我会不定期分享各种数据分析相关资源,技能学习技巧和经验等等~

详情私信,一起进步吧!

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 217,907评论 6 506
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 92,987评论 3 395
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 164,298评论 0 354
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 58,586评论 1 293
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 67,633评论 6 392
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 51,488评论 1 302
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 40,275评论 3 418
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 39,176评论 0 276
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 45,619评论 1 314
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 37,819评论 3 336
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 39,932评论 1 348
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 35,655评论 5 346
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 41,265评论 3 329
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 31,871评论 0 22
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,994评论 1 269
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 48,095评论 3 370
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 44,884评论 2 354

推荐阅读更多精彩内容