【機器學習】EM算法詳細推導和講解
今天不太想學習，炒個冷飯，講講機器學習十大算法里有名的EM算法，文章里面有些個人理解，如有錯漏，還請讀者不吝賜教。
眾所周知，極大似然估計是一種應用很廣泛的參數估計方法。例如我手頭有一些東北人的身高的數據，又知道身高的概率模型是高斯分布，那么利用極大化似然函數的方法可以估計出高斯分布的兩個參數，均值和方差。這個方法基本上所有概率課本上都會講，我這就不多說了，不清楚的請百度。
然而現在我面臨的是這種情況，我手上的數據是四川人和東北人的身高合集，然而對於其中具體的每一個數據，並沒有標定出它來自“東北人”還是“四川人”，我想如果把這個數據集的概率密度畫出來，大約是這個樣子：
好了不要吐槽了，能畫成這個樣子我已經很用心了= =
其實這個雙峰的概率密度函數是有模型的，稱作高斯混合模型（GMM），寫作：
話說往博客上加公式真是費勁= =這模型很好理解，就是k個高斯模型加權組成，α是各高斯分布的權重，Θ是參數。對GMM模型的參數估計，就要用EM算法。更一般的講，EM算法適用於帶有隱變量的概率模型的估計，什么是隱變量呢？就是觀測不到的變量，對於上面四川人和東北人的例子，對每一個身高而言，它來自四川還是東北，就是一個隱變量。
為什么要用EM，我們來具體考慮一下上面這個問題。如果使用極大似然估計——這是我們最開始最單純的想法，那么我們需要極大化的似然函數應該是這個：
然而我們並不知道p(x;θ)的表達式，有同學說我知道啊，不就是上面那個混個高斯模型？不就是參數多一點麽。
仔細想想，GMM里的θ可是由四川人和東北人兩部分組成喲，假如你要估計四川人的身高均值，直接用GMM做似然函數，會把四川人和東北人全考慮進去，顯然不合適。
另一個想法是考慮隱變量，如果我們已經知道哪些樣本來自四川，哪些樣本來自東北，那就好了。用Z=0或Z=1標記樣本來自哪個總體，則Z就是隱變量，需要最大化的似然函數就變為：
然而並沒有卵用，因為隱變量確實不知道。要估計一個樣本是來自四川還是東北，我們就要有模型參數，要估計模型參數，我們首先要知道一個樣本是來自四川或東北的可能性...
到底是雞生蛋，還是蛋生雞？
不鬧了，我們的方法是假設。首先假設一個模型參數θ，然后每個樣本來自四川/東北的概率p(zi)就能算出來了，p(xi,zi)=p(xi|zi)p(zi)，而x|z=0服從四川人分布，x|z=1服從東北人分布，所以似然函數可以寫成含有θ的函數，極大化它我們可以得到一個新的θ。新的θ因為考慮了樣本來自哪個分布，會比原來的更能反應數據規律。有了這個更好的θ我們再對每個樣本重新計算它來自四川和東北的概率，用更好的θ算出來的概率會更准確，有了更准確的信息，我們可以繼續像上面一樣估計θ，自然而然這次得到的θ會比上一次更棒，如此蒸蒸日上，直到收斂（參數變動不明顯了），理論上，EM算法就說完了。
然而事情並沒有這么簡單，上面的思想理論上可行，實踐起來不成。主要是因為似然函數有“和的log”這一項，log里面是一個和的形式，一求導這畫面不要太美，直接強來你要面對 “兩個正態分布的概率密度函數相加”做分母，“兩個正態分布分別求導再相加”做分子的分數形式。m個這玩意加起來令它等於0，要求出關於θ的解析解，你對自己的數學水平想的不要太高。
怎么辦？先介紹一個不等式，叫Jensen不等式，是這樣說的：
X是一個隨機變量，f(X)是一個凸函數（二階導數大或等於0），那么有：
當且僅當X是常數的時候等號成立
如果f（X）是凹函數，不等號反向
關於這個不等式，我既不打算證明，也不打算說明，希望你承認它正確就好。
半路殺出一個Jensen不等式，要用它解決上面的困境也是應有之義，不然說它做什么。直接最大化似然函數做不到，那么如果我們能找到似然函數的一個緊的下界一直優化它，並保證每次迭代能夠使總的似然函數一直增大，其實也是一樣的。怎么說？畫個圖你就明白了：
圖畫的不好，多見諒。橫坐標是參數，縱坐標是似然函數，首先我們初始化一個θ1，根據它求似然函數一個緊的下界，也就是圖中第一條黑短線，黑短線上的值雖然都小於似然函數的值，但至少有一點可以滿足等號（所以稱為緊下界），最大化小黑短線我們就hit到至少與似然函數剛好相等的位置，對應的橫坐標就是我們的新的θ2，如此進行，只要保證隨着θ的更新，每次最大化的小黑短線值都比上次的更大，那么算法收斂，最后就能最大化到似然函數的極大值處。
構造這個小黑短線，就要靠Jensen不等式。注意我們這里的log函數是個凹函數，所以我們使用的Jensen不等式的凹函數版本。根據Jensen函數，需要把log里面的東西寫成一個數學期望的形式，注意到log里的和是關於隱變量Z的和，於是自然而然，這個數學期望一定是和Z有關，如果設Q(z)是Z的分布函數，那么可以這樣構造：
這幾句公式比較多，我不一一敲了，直接把我PPT里的內容截圖過來：
所以log里其實構造了一個隨機變量Y，Y是Z的函數，Y取p/Q的值的概率是Q，這點說的很清楚了。
構造好數學期望，下一步根據Jensen不等式進行放縮：
有了這一步，我們看一下整個式子：
也就是說我們找到了似然函數的一個下界，那么優化它是否就可以呢？不是的，上面說了必須保證這個下界是緊的，也就是至少有點能使等號成立。由Jensen不等式，等式成立的條件是隨機變量是常數，具體到這里，就是：
又因為Q（z）是z的分布函數，所以：
把C乘過去，可得C就是p(xi,z)對z求和，所以我們終於知道了：
得到Q(z)，大功告成，Q(z)就是p(zi|xi)，或者寫成p(zi)，都是一回事，代表第i個數據是來自zi的概率。
於是EM算法出爐，它是這樣做的：
首先，初始化參數θ
（1）E-Step：根據參數θ計算每個樣本屬於zi的概率，即這個身高來自四川或東北的概率，這個概率就是Q
（2）M-Step：根據計算得到的Q，求出含有θ的似然函數的下界並最大化它，得到新的參數θ
重復（1）和（2）直到收斂，可以看到，從思想上來說，和最開始沒什么兩樣，只不過直接最大化似然函數不好做，曲線救國而已。
至於為什么這樣的迭代會保證似然函數單調不減，即EM算法的收斂性證明，我就先不寫了，以后有時間再考慮補。需要額外說明的是，EM算法在一般情況是收斂的，但是不保證收斂到全局最優，即有可能進入局部的最優。EM算法在混合高斯模型，隱馬爾科夫模型中都有應用，是著名的數據挖掘十大算法之一。
就醬~有什么錯漏和不同見解歡迎留言評論，我的推導和思路整理和網上的其他並不是完全相同，見仁見智吧~