高斯分布的乘积与卷积

创始人

2024-02-09 22:52:37

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高斯分布是一个很重要的连续分布形式，频繁出现各种应用场景里也可以导出很多分布，如在典型的线性回归中对误差 $\small \varepsilon$ 的建模就是用的标准正态分布，统计学的学生分布就是从正态分布中导出。随着贝叶斯统计学的广泛应用，相乘的高斯分布（高斯先验）等形式也出现在公式中，例如高斯线性系统，本文就这些形式进行说明。

1. 一元高斯分布的乘积

假设 $\small p(x_1)=\mathcal{N}(x\vert \mu_1,\sigma_1), \, p(x_2)=\mathcal{N}(x\vert \mu_2,\sigma_2)$ ，均是关于变量 $\large x$ 的高斯分布，现计算高斯分布的乘积 $\small p(x_1)p(x_2)$ 的分布形式。

$\large \begin{align*} p(x_1)p(x_2) & = exp\{{-\frac{1}{2\sigma_1^2}\, (x-\mu_1)^2}\}exp\{{-\frac{1}{2\sigma_2^2}\, (x-\mu_2)^2}\} \\ & =exp\{{-\frac{1}{2}\frac{(\sigma_1^2\, +\sigma_2^2)\, \, x^2-2(\mu_1\, \sigma_2^2+\mu_2\, \sigma_1^2)x+\text{constant}}{\sigma_1^2\sigma_2^2}}\}\end{align*}$

得两个高斯分布相乘仍为缩放的高斯分布，通过配方得到缩放的高斯分布参数为：

$\large \begin{align*} \mu & = \frac{\mu_1\sigma_2^2+\mu_2\sigma_1^2}{\sigma_1^2+\sigma_2^2} \\ \sigma & = \sqrt{\frac{\sigma_1^2\sigma_2^2}{\sigma_1^2+\sigma_2^2}} \end{align*}$

上式可写为如下形式，从而推广至 $\large n$ 个一维高斯分布相乘：

$\large \begin{align*} \mu &= (\frac{\mu_1}{\sigma_1^2}+\frac{\mu_2}{\sigma_2^2})\sigma^2 \\ \frac{1}{\sigma^2} &= \frac{1}{\sigma_1^2} + \frac{1}{\sigma_2^2} \end{align*}$

2. 多元高斯分布的乘积

我们熟知的多元高斯分布形式如下：

$\large f(X)=\large \frac{1}{{2\pi}^{\frac{D}{2}}\vert \Sigma\vert^{\frac{1}{2}}}\, e^{-\frac{1}{2}(\mathbf{x}-\mathbf{\mu})^T\Sigma^{-1}\, (\mathbf{x}-\mathbf{\mu})}$

多元高斯分布的另一种形式自然分布形式用到的参数为：

$\large \begin{align*} \Lambda &=\Sigma^{-1} \\ \xi &= \Sigma^{-1}\mu \end{align*}$

带入，得到另一种分布形式表示如下：

$\large f(X)=\large \frac{1}{{2\pi}^{\frac{D}{2}}}\vert \Lambda\vert\ ^{\frac{1}{2}}\, exp\{{-\frac{1}{2}(\mathbf{x}^T\Lambda\mathbf{x}-2\mathbf{x}^T\xi+\xi^T\Lambda^{-1}\, \xi)}\}$

将指数外的系数放入指数部分，得到：

$\large \large exp\{{-\frac{1}{2}\mathbf{x}^T\Lambda\mathbf{x}+\xi^T\mathbf{x}-\zeta}\}$

其中 $\large \zeta\$ 为：

$\large \zeta\ = \frac{1}{2}(\xi^T\Lambda^{-1}\xi+D\log^{2\pi}-\log^{\vert \Lambda \vert})$

在多个多元高斯相乘时，得到的结果如下：

$\large f(X)=\large exp\{{-\frac{1}{2}\mathbf{x}^T(\sum\limits_i^n\Lambda_i)\mathbf{x}+(\sum\limits_i^n\xi_i)^T\mathbf{x}-\sum\limits_i^n\zeta_i}\}$

通过对 $\large \zeta\$ 进行变换可以发现，仍为多元高斯分布。

上述两个式子均是通过配方法来寻找新分布的参数，而其中的normalization项则并不那么重要。

3. 一元高斯分布的卷积

这一部分的内容来自于"Machine Learning A Probabilistic Perspective"一书的第四章p132~p134。假设多元高斯分布的参数μ,Σμ,Σ来自服从Normal-inverse-wishart分布：

$\large \large \begin{align*} \mathcal{N}(\mu\vert m_0,\frac{1}{\kappa_0}\Sigma)\times \text{IW}(\Sigma\vert S_0,v_0)\\ =\frac{1}{\text{Z}_{\text{NIW}}}\vert\Sigma\vert^{-\frac{1}{2}}exp\{{-\frac{\kappa_0}{2}\, (\mu-m_0)^T\Sigma^{-1}\, (\mu-m_0)}\}\times \\ \vert \Sigma \vert^{-\frac{v+D+1}{2}}exp\{{-\frac{1}{2}tr(S_0\Sigma^{-1}\, )}\} \end{align*}$

在观测到一批数据集 $\large \mathcal D$ 后，计算似然为：

$\large \large \vert \Sigma\vert^{-\frac{N}{2}}exp\{{-\frac{N}{2}(\mu-\bar{x})^T\Sigma^{-1}\, (\mu-\bar{x})}\}\times exp\{{-\frac{1}{2}tr(S_{\bar x}\Sigma^{-1}\, )}\}$

在计算参数后验的分布时，用到了多元高斯分布相乘的方法。现假设：

$\large \begin{align*} \Lambda_1&=\kappa_0\Sigma^{-1}\\ \Lambda_2&=N\Sigma^{-1}\\ \xi_1&=\kappa_0\Sigma^{-1}m_0\\ \xi_2&=N\Sigma^{-1}\bar{x}\\ \end{align*}$

利用相同的方法，可以得到

$\large \begin{align*} \Lambda&=(\kappa_0+N)\Sigma^{-1}\\ m_N&=\Lambda^{-1}(\xi_1+\xi_2)\\ &=\frac{\kappa_0m_0+N\bar{x}}{\kappa_0+N} \end{align*}$

4. 高斯线性系统

这一部分的内容来自于"Machine Learning A Probabilistic Perspective"一书的第四章。这部分的内容可能与前面所述的不一致（多个均为同一变量 $\large x$ 分布的分布）。高斯线性系统如下：

$\large \begin{align*} p(x)=\mathcal{N}(\mathbf{\mu_0,\Sigma_0})\\ p(y\vert x)=\mathcal{N}(A\mathcal{x}+b,\Sigma_y) \end{align*}$

$\large y$ 由 $\large x$ 产生，在观测到 $\large y$ 后可以对 $\large x$ 进行更新：

$\large p(x\vert y) = \mathcal{N}(\mu_{x\vert y},\Sigma_{x\vert y})$

下面对 $\large \mu_{x\vert y},\Sigma_{x\vert y}$ 进行计算。已知p $\large p(x,y)=p(y\vert x)p(x)$ ， $\large p(x,y)=p(y\vert x)p(x)$ 的指数部分为：

$\large \large \begin{align*} x^T(\Sigma_0^{-1}+& A^T\Sigma_y^{-1}A)x -2x^T(\Sigma_0^{-1}\mu_{0}+A^T\Sigma_y^{-1}(y-b)) +\\ & (y-b)^T\Sigma_y^{-1}(y-b) + \mu_0^{T}\Sigma_0^{-1}\mu_0 \end{align*}$

通过配方可以得到：

$\large \large \begin{align*} \Sigma_{x\vert y}^{-1} & = \Sigma_{0}^{-1}+A^T\Sigma_{y}^{-1}A\\ \mu_{x \vert y}& = \Sigma_{x\vert y}(\Sigma_0^{-1}\mu_0+A^T\Sigma_{y}^{-1}(y-b)) \end{align*}$

下面对 $\large p(y)$ 进行求解，我们知道

$\large p(y)=\int p(y\vert x)p(x) dx$

$\large p(x)p(y\vert x)=p(y)p(x\vert y)$

通过上述的式子，如果对上式求积分或者配方会有些复杂。实际上，通过上式可以得到 $\large p(x,y)$ 逆协方差矩阵：

$\large \Lambda=\begin{bmatrix} \Sigma_0^{-1}+A^T\Sigma_y^{-1}A & -A^T\Sigma_y^{-1} \\ -\Sigma_y^{-1}A & \Sigma_y^{-1} \end{bmatrix}$

利用联合高斯分布的推断结论，可以得到：

$\large \begin{align*} \mu_{x\vert y} &= \Sigma_{x\vert y}(\Sigma_{x\vert y}^{-1}\mu_0-\Lambda_{12}(y-\mu_y))\\ &=\Sigma_{x\vert y}(\Sigma_0^{-1}\mu_0+A^T\Sigma_{y}^{-1}A\mu_0+A^T\Sigma_{y}^{-1}(y-\mu_y))\\ &=\Sigma_{x\vert y}(\Sigma_0^{-1}\mu_0+A^T\Sigma_{y}^{-1}(y-b)) \end{align*}$

可以推知：

$\large \mu_y=A\mu_0+b$

再对 $\large \Sigma_y'$ （这里 $\large \Sigma_y'$ 表示 $\large p(y)$ 的协方差矩阵）进行计算：

$\large \begin{align*} \Sigma&=\begin{bmatrix} \Sigma_x & \Sigma_{xy}\\ \Sigma_{xy}^T & \Sigma_{y} \end{bmatrix}\\ &=\Lambda^{-1} \end{align*}$

$\large \begin{align*} \begin{bmatrix} \rm{I} & A^T\\ 0 & \rm{I} \end{bmatrix}\Lambda \begin{bmatrix} \rm{I} & 0 \\ A & \rm{I} \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} \Sigma_0^{-1} & 0 \\ 0 & \Sigma_y^{-1} \end{bmatrix}\\ \Lambda^{-1}&= \begin{bmatrix} \rm{I} & 0 \\ A & \rm{I} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \Sigma_0 & 0 \\ 0 & \Sigma_y \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \rm{I} & A^T\\ 0 & \rm{I} \end{bmatrix}\\ & = \begin{bmatrix} \Sigma_0 & \Sigma_0A^T\\ A\Sigma_0 & \Sigma_y+A\Sigma_0A^T \end{bmatrix} \end{align*}$

因此:

$\large \Sigma_y'=\Sigma_y+A\Sigma_0 A^T\$

$\large p(y)$ 的分布参数如下：

$\large \begin{align*} \mu &= A\mu_0 +b \\ \Sigma &= \Sigma_y+A\Sigma_0A^T \end{align*}$

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3. 一元高斯分布的卷积

4. 高斯线性系统

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