Dériver l'algorithme K-means comme limite de maximisation des attentes pour les mélanges gaussiens


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Christopher Bishop définit la valeur attendue de la fonction de vraisemblance du journal des données complètes (c'est-à-dire en supposant que l'on nous donne à la fois les données observables X et les données latentes Z) comme suit:

(1)EZ[ln⁡p(X,Z∣μ,Σ,π)]=∑n=1N∑k=1Kγ(znk){ln⁡πk+ln⁡N(xn∣ μk,Σk)}

où est défini comme:γ(znk)

(2)πkN(xn∣ μk,Σk)∑j=1KπjN(xn∣ μj,Σj)

L'idée, telle que décrite, est de considérer un modèle de mélange gaussien dans lequel les matrices de covariance des composants du mélange sont données par , où est un paramètre de variance qui est partagé par tous les composants, tels que cette:ϵIϵ

(3)p(x∣μk,Σk)=1(2πϵ)M2exp⁡{−12ϵ‖x−μk‖2}

et ainsi, γ(znk) est maintenant défini comme:

(4)πkexp⁡{−‖xn−μk‖2/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{−‖xn−μj‖2/2ϵ}

L' argument est maintenant le suivant:

si l'on considère la limite , on voit que dans le dénominateur le terme pour lequel est le plus petit, ira à zéro le plus lentement, et donc les responsabilités pour le point de données vont toutes à zéro sauf pour le terme j, dont la responsabilité ira à l'unité. Ainsi, dans cette limite, nous obtenons une affectation difficile des points de données aux clusters, tout comme dans l' algorithme moyens, de sorte queϵ→0‖xn−μj‖2γ(znk)xnγ(znk)Kγ(znk)→rnk

où est défini comme:rnk

(5)f(n)={1if k=arg minj‖xn−μj‖20otherwise

Ma question est de savoir comment l'argument ci-dessus tient? A savoir, qu'est-ce que cela signifie pour un terme d'aller à zéro ? Et comment le fait de prendre la limite dans l'équation entraîne-t-il une responsabilité binaire?most slowlyϵ→04


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Lorsque passe à zéro, passe à zéro pour tous les mais à des vitesses différentes selon , la plus petite rassemble alors tout le poids dans la limite. ϵexp⁡{−‖xn−μk‖2/2ϵ}=exp⁡{−δn/ϵ}nδnδn
— Xi'an

1
(explication supplémentaire) Si vous prenez comme le plus petit , vous pouvez réécrire tous les termes en , ce qui signifie que tous les termes vont à zéro avec sauf un, celui pour lequel . δ∗δnexp⁡{(δ∗−δn)/ϵ}ϵδ∗−δn=0
— Xi'an

@ Xi'an Souhaitez-vous fournir plus d'élaboration? Que voulez-vous dire "le plus petit rassemble alors tout le poids dans la limite"? Et comment le terme pour lequel = 0 est-il évalué à l'unité? Je veux dire, le numérateur est 0, non? δnδ∗−δn
— BitRiver

Réponses:


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Ecrivons Alors Si nous prenons nous avons où sauf pour où

‖xn−μk‖2=δk.
πkexp⁡{−‖xn−μk‖2/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{−‖xn−μj‖2/2ϵ}=πkexp⁡{−δk/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{−δj/2ϵ}
δ∗=minnδn,
πkexp⁡{−δk/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{−δj/2ϵ}=πkexp⁡{(δ∗−δk)/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}
δ∗−δk<0k=k∗δ∗−δk∗=0 . Donc, pour tout , puisque, pour , tandis que k≠k∗
limϵ→0πkexp⁡{(δ∗−δk)/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}=limϵ→0πkexp⁡{(δ∗−δk)/2ϵ}πk∗+∑j≠k∗πjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}=0
a>0
limϵ→0exp⁡{−a/ϵ}=0
limϵ→0πk∗exp⁡{(δ∗−δk∗)/2ϵ}∑j=1Kπjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}=limϵ→0πk∗×1πk∗+∑j≠k∗πjexp⁡{(δ∗−δj)/2ϵ}=1
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