ระยะทางของ Earth Mover (EMD) ระหว่างสอง Gaussians


26

มีสูตรแบบปิดสำหรับ (หรือการผูกมัดบางอย่าง) EMD ระหว่างและหรือไม่x1∼N(μ1,Σ1)x2∼N(μ2,Σ2)


2
ตาม en.wikipedia.org/wiki/Earth_mover%27s_distance EMD นั้นเป็นระยะทางเหมือนกับ Mallows หรือ Wasserstein ดังนั้นคุณสามารถลองใช้ Google
— kjetil b halvorsen

2
คุณอาจพบว่าเอกสารนี้มีประโยชน์: vldb.org/pvldb/vol5/p205_brianeruttenberg_vldb2012.pdf
— jojer

คำตอบ:


27

ระยะทางของโลกผู้เสนอญัตติสามารถเขียนเป็นซึ่งค่าน้อยที่สุดจะถูกนำไปรวมการกระจายของXและYที่มีมาร์จินX \ ซิม P , Y \ sim Q นี่เป็นที่รู้จักกันในนามระยะแรกWassersteinซึ่งก็คือW_p = \ inf \ left (\ E \ lVert X - Y \ rVert ^ p \ right) ^ {1 / p} ที่มีค่าเดียวกันEMD⁡(P,Q)=infE⁡‖X−Y‖XYX∼PY∼QWp=inf(E⁡‖X−Y‖p)1/p

Let X∼P=N⁡(μx,Σx) , Y∼Q=N⁡(μy,Σy)Sigma_y)

ขอบเขตล่าง:โดยความไม่สมดุลของเซ่นเนื่องจากบรรทัดฐานมีความนูน

E⁡‖X−Y‖≥‖E⁡(X−Y)‖=‖μx−μy‖,
ดังนั้น EMD จึงเสมอ อย่างน้อยระยะห่างระหว่างค่าเฉลี่ย (สำหรับการแจกแจงใด ๆ )

บนผูกพันอยู่บนพื้นฐานของW2 : อีกครั้งโดยความไม่เท่าเทียมกันของเซ่น, (E⁡‖X−Y‖)2≤E⁡‖X−Y‖2 2 ดังนั้นW1≤W2W_2 แต่Dowson และกุ๊บ (1982)ระบุว่า

W2(P,Q)2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−2(ΣxΣy)1/2),
ให้ขอบเขตบนEMD=W1W_1

ขอบเขตบนที่เข้มงวด: พิจารณาการมีเพศสัมพันธ์ นี่คือแผนที่ที่ได้มาจากKnott และ Smith (1984) , ในการแมปที่เหมาะสมที่สุดของการแจกแจง , วารสารทฤษฎีการเพิ่มประสิทธิภาพและการประยุกต์, 43 (1) pp 39-49เป็นแผนที่ที่ดีที่สุดสำหรับ ; ดูโพสต์บล็อกนี้ด้วย โปรดทราบว่าและ

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,
ดังนั้นการเชื่อมต่อจึงถูกต้อง

ระยะทางคือซึ่งตอนนี้ ซึ่งเป็นเรื่องปกติที่มี ‖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.

ดังนั้นผูกพันบนสำหรับเป็น\ แต่น่าเสียดายที่รูปแบบปิดสำหรับความคาดหวังนี้เป็นที่พอใจที่น่าแปลกใจที่จะเขียนลงสำหรับภาวะปกติหลายตัวแปรโดยทั่วไป: ดูคำถามนี้เช่นเดียวกับคนนี้W1(P,Q)E⁡‖D‖

ถ้าความแปรปรวนของจบลงด้วยการเป็นทรงกลม (เช่นถ้า ,จากนั้นความแปรปรวนของจะกลายเป็น ) คำถามให้คำตอบในแง่ของพหุนาม Laguerre ทั่วไปDΣx=σx2IΣy=σy2ID(σx−σy)2I

โดยทั่วไปเรามีขอบเขตบนอย่างง่ายสำหรับตามความไม่เท่าเทียมของ Jensen ที่ได้มาเช่นในคำถามแรก: 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.
ความเท่าเทียมกันในตอนท้ายเป็นเพราะการฝึกอบรมและมีความคล้ายคลึงกัน ดังนั้นพวกเขาจึงมีค่าลักษณะเดียวกันและทำให้รากที่สองของพวกเขามีร่องรอยเหมือนกันΣxΣyΣx12ΣyΣx12=Σx−12(ΣxΣy)Σx12

ความไม่เท่าเทียมกันนี้เป็นที่เข้มงวดตราบเท่าที่ไม่ได้เป็นคนเลวซึ่งเป็นกรณีส่วนใหญ่เมื่อ\‖D‖Σx≠Σy

การคาดเดา : บางทีขอบเขตบนที่ใกล้กว่านี้ค่อนข้างแน่น จากนั้นอีกครั้งฉันมีขอบเขตบนที่แตกต่างกันที่นี่เป็นเวลานานที่ฉันคาดเดาว่าจะแน่นซึ่งในความเป็นจริงหลวมกว่าหนึ่งดังนั้นบางทีคุณไม่ควรไว้ใจการคาดเดานี้มากเกินไป :)E⁡‖D‖W2

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