การเชื่อมต่อระหว่างตัวชี้วัดฟิชเชอร์และเอนโทรปีสัมพัทธ์


20

บางคนสามารถพิสูจน์การเชื่อมต่อต่อไปนี้ระหว่างตัวชี้วัดข้อมูลฟิชเชอร์กับเอนโทรปีสัมพัทธ์ (หรือ KL divergence) อย่างเคร่งครัดทางคณิตศาสตร์อย่างหมดจด?

D(p(⋅,a+da)∥p(⋅,a))=12gi,jdaidaj+(O(‖da‖3)
= ( 1 , ... , n ) , วันที่= ( วันที่1 , ... , วันที่n ) กรัมฉัน, J = ∫ ∂ ฉัน ( เข้าสู่ระบบP ( x ; a ) ) ∂ j ( บันทึกpa=(a1,…,an),da=(da1,…,dan)
gi,j=∫∂i(log⁡p(x;a))∂j(log⁡p(x;a)) p(x;a) dx
gi,jdaidaj:=∑i,jgi,jdaidaj

ฉันพบข้างต้นในบล็อกของJohn Baezที่ Vasileios Anagnostopoulos พูดเกี่ยวกับสิ่งนั้นในความคิดเห็น


1
เรียน Kumara: สำหรับการชี้แจงก็จะช่วยในการอธิบายที่ดีกว่าโน้ตของคุณโดยเฉพาะความหมายของgi,jj} นอกจากนี้ฉันคิดว่านิพจน์ของคุณขาดปัจจัยคงที่1/2ต่อหน้าเทอมแรกของด้านขวามือของสมการการแสดงผล โปรดทราบว่าสิ่งที่ Kullback เรียกว่าdivergence (การใช้สัญลักษณ์J(⋅,⋅) ) เป็นเวอร์ชันสมมาตรของสิ่งที่รู้ว่าเรียกว่า KL divergence คือJ(p,q)=D(p‖q)+D(q‖p)P) ความแตกต่าง KL ถูกแสดงว่าI(⋅,⋅)ในงานเขียนของ Kullback นี่จะอธิบายถึงปัจจัย1/2เช่นกัน ไชโย
— พระคาร์ดินัล

คำตอบ:


19

ในปี 1946 นักธรณีฟิสิกส์และนักสถิติเบย์แฮโรลด์เจฟฟรีส์ได้แนะนำสิ่งที่เราเรียกกันว่า Kullback-Leibler divergence และค้นพบว่าสำหรับการแจกแจงสองครั้งที่ "ไม่สิ้นสุด" (หวังว่าพวกคณิตศาสตร์ SE จะไม่เห็นสิ่งนี้ ;-) ความแตกต่างของ Kullback-Leibler ของพวกเขาเป็นรูปแบบสมการกำลังสองซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์ได้รับจากองค์ประกอบของเมทริกซ์ข้อมูลฟิชเชอร์ เขาตีความรูปแบบสมการกำลังสองนี้เป็นองค์ประกอบของความยาวของท่อร่วม Riemannian กับข้อมูลชาวประมงเล่นบทบาทของตัวชี้วัด Riemannian จากรูปแบบเชิงสถิติของรูปทรงเรขาคณิตนี้เขาได้รับ Jeffreys ของเขาก่อนหน้านี้เป็นมาตรการที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติโดย Riemannian metric และการวัดนี้สามารถตีความได้ว่าเป็นการกระจายชุดที่แท้จริงภายในท่อร่วมแม้ว่าโดยทั่วไปแล้วมันไม่ได้เป็นขอบเขตแน่นอน

ในการเขียนหลักฐานที่เข้มงวดคุณจะต้องระบุเงื่อนไขทั้งหมดและดูแลลำดับของข้อผิดพลาดในการขยายเทย์เลอร์ นี่คือภาพร่างสั้น ๆ ของการโต้แย้ง

สมมาตร Kullback-Leibler divergence ระหว่างความหนาแน่นสองค่าและถูกกำหนดให้เป็นfg

D[f,g]=∫(f(x)−g(x))log⁡(f(x)g(x))dx.

หากเรามีครอบครัวของความหนาแน่นที่กำหนดพารามิเตอร์โดยดังนั้นθ=(θ1,…,θk)

D[p(⋅∣θ),p(⋅∣θ+Δθ)]=∫(p(x,∣θ)−p(x∣θ+Δθ))log⁡(p(x∣θ)p(x∣θ+Δθ))dx,
Δ θ = ( Δ θ 1 , ... , Δ θ k ) Δ P ( x | θ ) = P ( x ที่theta_k) แนะนำสัญกรณ์ พีชคณิตง่าย ๆ ให้ เราใช้การขยายเทย์เลอร์สำหรับลอการิทึมธรรมชาติเรามี Δθ=(Δθ1,…,Δθk)
Δp(x∣θ)=p(x∣θ)−p(x∣θ+Δθ),
D[p(⋅∣θ),p(⋅∣θ+Δθ)]=∫Δp(x∣θ)p(x∣θ)log⁡(1+Δp(x∣θ)p(x∣θ))p(x∣θ)dx.
log⁡(1+Δp(x∣θ)p(x∣θ))≈Δp(x∣θ)p(x∣θ),
และดังนั้น แต่ ดังนั้น ซึ่ง
D[p(⋅∣θ),p(⋅∣θ+Δθ)]≈∫(Δp(x∣θ)p(x∣θ))2p(x∣θ)dx.
Δp(x∣θ)p(x∣θ)≈1p(x∣θ)∑i=1k∂p(x∣θ)∂θiΔθi=∑i=1k∂log⁡p(x∣θ)∂θiΔθi.
D[p(⋅∣θ),p(⋅∣θ+Δθ)]≈∑i,j=1kgijΔθiΔθj,
gij=∫∂log⁡p(x∣θ)∂θi∂log⁡p(x∣θ)∂θjp(x∣θ)dx.

นี่คือกระดาษต้นฉบับ:

Jeffreys, H. (1946) รูปแบบคงที่สำหรับความน่าจะเป็นก่อนหน้านี้ในปัญหาการประมาณค่า พร สคช. of London, ซีรี่ส์ A, 186, 453–461


1
ขอบคุณมากสำหรับการเขียนที่ดี มันจะดีหากคุณสามารถช่วยนี้เช่นกัน
— Kumara

ใช่คุณพูดถูกต้อง ฉันต้องออกมาจาก "สิ่งที่เป็นนามธรรม" นี้
— Kumara

@zen คุณกำลังใช้การขยายตัวแบบลอการิทึมของ Taylor ภายใต้อินทิกรัลทำไมจึงใช้ได้
— Sus20200

1
ดูเหมือนว่าคุณจะต้องเริ่มต้นด้วยการแยก KL แบบสมมาตรเมื่อเทียบกับการเบี่ยงเบนมาตรฐานของ KL บทความ Wikipedia ไม่ได้กล่าวถึงรุ่นสมมาตรดังนั้นอาจเป็นไปได้ที่ไม่ถูกต้อง en.wikipedia.org/wiki/Kullback%E2%80%93Leibler_divergence
— ผู้บัญชาการผ่าตัด

11

พิสูจน์การเบี่ยงเบน KL แบบปกติ (ไม่สมมาตร)

คำตอบของ Zen ใช้การกระจาย KL แบบสมมาตร แต่ผลลัพธ์นั้นยังคงอยู่ในรูปแบบปกติเช่นกันเนื่องจากมันจะกลายเป็นสมมาตรสำหรับการแจกแจงแบบใกล้ชิดแบบไม่สิ้นสุด

ต่อไปนี้เป็นข้อพิสูจน์สำหรับการกระจายแบบไม่ต่อเนื่องที่กำหนดพารามิเตอร์โดย scalar (เพราะฉันขี้เกียจ) แต่สามารถเขียนใหม่ได้อย่างง่ายดายสำหรับการแจกแจงแบบต่อเนื่องหรือเวกเตอร์ของพารามิเตอร์:θ

D(pθ,pθ+dθ)=∑pθlog⁡pθ−∑pθlog⁡pθ+dθ .
เทย์เลอร์ - ขยายคำสุดท้าย: สมมติว่าเป็นกฎปกติฉันได้ใช้ทั้งสองผลลัพธ์:
=∑pθlog⁡pθ−∑pθlog⁡pθ⏟= 0−dθ∑pθddθlog⁡pθ⏟= 0 †−12dθ2∑pθd2dθ2log⁡pθ⏟=−∑pθ(ddθlog⁡pθ)2 ‡+O(dθ3)=12dθ2∑pθ(ddθlog⁡pθ)2⏟Fisher information+O(dθ3).
†:∑pθddθlog⁡pθ=∑ddθpθ=ddθ∑pθ=0,

‡:∑pθd2dθ2log⁡pθ=∑pθddθ(1pθdpθdθ)=∑pθ[1pθd2pθdθ−(1pθdpθdθ)2]=∑d2pθdθ2−∑pθ(1pθdpθdθ)2=d2dθ2∑pθ⏟= 0−∑pθ(ddθlog⁡pθ)2.

4

คุณสามารถค้นหาความสัมพันธ์ที่คล้ายกัน (สำหรับพารามิเตอร์หนึ่งมิติ) ในสมการ (3) ของบทความต่อไปนี้

D. Guo (2009), Entropy สัมพัทธ์และฟังก์ชั่นคะแนน: ข้อมูลใหม่ - การประมาณความสัมพันธ์ผ่านการรบกวนเพิ่มโดยพลการในProc การประชุมวิชาการนานาชาติ IEEE เรื่องทฤษฎีสารสนเทศ 814–818 ( ลิงก์มั่นคง )

ผู้เขียนอ้างถึง

เอส Kullback, ทฤษฎีสารสนเทศและข้อมูลสถิติ นิวยอร์ก: โดเวอร์, 2511

เพื่อพิสูจน์ผลลัพธ์นี้


1
1/2
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.