Distance de l'engin de terre (EMD) entre deux Gaussiens


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Existe-t-il une formule sous forme fermée pour (ou une sorte de liaison sur) l'EMD entre x1∼N(μ1,Σ1) et x2∼N(μ2,Σ2) ?


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Selon en.wikipedia.org/wiki/Earth_mover%27s_distance, l'EMD est le même que la distance Mallows ou Wasserstein, vous pouvez donc essayer googlin.
— kjetil b halvorsen

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Vous pourriez trouver cet article utile: vldb.org/pvldb/vol5/p205_brianeruttenberg_vldb2012.pdf
— jojer

Réponses:


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La distance du déménageur peut être écrite commeEMD⁡(P,Q)=infE⁡‖X−Y‖ , où l'infimum est pris sur toutes les distributions conjointes deX etY avec marginauxX∼P ,Y∼Q . Ceci est également connu comme la première distance de Wasserstein , qui estWp=inf(E⁡‖X−Y‖p)1/p avec le même infimum.

Soit X∼P=N⁡(μx,Σx) , Y∼Q=N⁡(μy,Σy) .

inférieure: par l'inégalité de Jensen, puisque les normes sont convexes, donc l'EMD est toujours au moins la distance entre les moyens (pour toutes les distributions).

E⁡‖X−Y‖≥‖E⁡(X−Y)‖=‖μx−μy‖,

supérieure basée sur : àW2 nouveau par l'inégalité de Jensen, . Ainsi . Mais Dowson et Landau (1982) établissent que donnant une limite supérieure sur .(E⁡‖X−Y‖)2≤E⁡‖X−Y‖2W1≤W2

W2(P,Q)2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−2(ΣxΣy)1/2),
EMD=W1

Une limite supérieure plus stricte: considérez le couplage Voici la carte dérivée de Knott et Smith (1984) , On the optimal mapping of distributions , Journal of Optimization Theory and Applications, 43 (1) pp 39-49 as the optimal mapping for ; voir aussi cet article de blog . Notez que et

X∼N⁡(μx,Σx)Y=μy+Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12⏟A(X−μx).
W2A=AT
E⁡Y=μy+A(E⁡X−μx)=μyVar⁡Y=AΣxAT=Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12ΣxΣx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12=Σx−12(Σx12ΣyΣx12)Σx−12=Σy,
pour que le couplage soit valide.

La distance est alors , où maintenant qui est normal avec ‖X−Y‖‖D‖

D=X−Y=X−μy−A(X−μx)=(I−A)X−μy+Aμx,
E⁡D=μx−μyVar⁡D=(I−A)Σx(I−A)T=Σx+AΣxA−AΣx−ΣxA=Σx+Σy−Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx12−Σx12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12.

Ainsi, une limite supérieure pour est . Malheureusement, une forme fermée pour cette attente est étonnamment désagréable à écrire pour les normales multivariées générales: voir cette question , ainsi que celle-ci .W1(P,Q)E⁡‖D‖

Si la variance de finit par être sphérique (par exemple, si , , alors la variance de devient ), l'ancien question donne la réponse en termes de polynôme de Laguerre généralisé.DΣx=σx2IΣy=σy2ID(σx−σy)2I

En général, nous avons une borne supérieure simple pour basée sur l'inégalité de Jensen, dérivée par exemple dans cette première question: E⁡‖D‖

(E⁡‖D‖)2≤E⁡‖D‖2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−AΣx−ΣxA)=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx)+tr⁡(Σy)−2tr⁡(Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx12)=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx)+tr⁡(Σy)−2tr⁡((Σx12ΣyΣx12)12)=W2(P,Q)2.
L'égalité à la fin est due au fait que les matrices et sont similaires , donc ils ont les mêmes valeurs propres, et donc leurs racines carrées ont la même trace.ΣxΣyΣx12ΣyΣx12=Σx−12(ΣxΣy)Σx12

Cette inégalité est stricte tant que n'est pas dégénéré, ce qui est généralement le cas lorsque .‖D‖Σx≠Σy

Une conjecture : peut-être que cette limite supérieure plus proche, , est serrée. Là encore, j'avais une limite supérieure différente depuis longtemps que je supposais être serrée, qui était en fait plus lâche que celle de , alors peut-être que vous ne devriez pas trop faire confiance à cette conjecture. :)E⁡‖D‖W2

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