Estymator największego prawdopodobieństwa wspólnego rozkładu, biorąc pod uwagę tylko marginalne liczby


12

Niech będzie łącznym rozkładem dwóch zmiennych kategorialnych , z . Powiedzmy, że próbek pobrano z tego rozkładu, ale podano nam tylko liczby krańcowe, mianowicie dla :px,yX,Yx,y∈{1,…,K}nj=1,…,K

Sj=∑i=1nδ(Xi=l),Tj=∑i=1nδ(Yi=j),

Jaki jest estymator największej wiarygodności dla , biorąc uwagę ? Czy to jest znane? Wykonalne obliczeniowo? Czy istnieją inne uzasadnione podejścia do tego problemu inne niż ML?px,ySj,Tj


2
Marginesy tak naprawdę nie zawierają informacji * o wspólnym rozkładzie (w rzeczy samej jest to punkt kopul). * lub przynajmniej prawie wcale - oczywiście marginesy zawierają co najmniej pewne informacje, ponieważ wewnętrzne liczby nie mogą przekraczać marginesów, w których występują. Czy masz na myśli konkretny wspólny rozkład? Dlaczego użyłeś tagu? Czy szukasz rozwiązania z maksymalną entropią? maximum-entropy
— Glen_b

Nie znam się na kopulach. Czy mają również zastosowanie do przypadku kategorycznego? Co to znaczy - że każda wspólna dystrybucja z tymi samymi marżami miałaby takie samo prawdopodobieństwo? (Oznacziłem maksymalną entropię, ponieważ myślałem, że może być istotna.)
— RS

Nie mamy nawet określonego modelu dystrybucji, więc tak naprawdę nie jesteśmy w stanie obliczyć . Jest tu wiele możliwości. Istnieją kopuły dla uporządkowanego przypadku kategorycznego (jeśli nie unikatowego), ale moim celem w podniesieniu go było uzasadnienie, dlaczego marginesy nie były ogólnie bardzo pouczające. Jeśli chodzi o przypadek liczenia kategorycznego, Fisher traktował marginesy jako mało informujące o połączeniu, skąd dokładny test Fisher-Irwin. Jeśli chcesz maksymalnej entropii, prawdopodobnie możesz uzyskać rozwiązanie maksymalnej entropii, ale nie wiem, że będzie to bardzo pouczające o ...P(x|θ)
— Glen_b

(ctd) ... struktura. W obu przypadkach ME lub ML myślę, że najpierw będziesz potrzebować jakiegoś modelu, czy to będzie dwuwymiarowa wielomianowa, dwuwymiarowa hipergeometryczna, czy coś o większej strukturze. Zobacz to pytanie , w którym autor umieszcza odniesienie w odpowiedzi. To może być pomocne.
— Glen_b

1
Miałem na myśli ogólny dwumianowy rozkład wielomianowy. Pytanie dotyczy przypadku, w którym podane są sumy rozkładu i widzimy próbki ze wspólnego rozkładu. Tutaj mamy sumy próbki. Myślę, że problem jest dobrze zdefiniowany w przypadku ML (rozwiązanie może nie być unikalne, ale nie wiem).
— RS

Odpowiedzi:


4

Tego rodzaju problem został zbadany w pracy „Augmentacja danych w wielostronnych tabelach nieprzewidzianych ze stałymi marginalnymi sumami” , Dobra i in. (2006). Niech oznacza parametry modelu, niech oznacza nieobserwowaną tablicę liczb całkowitych zliczeń dla każdej pary , i niech będzie zbiorem tablic liczb całkowitych, których liczby brzeżne są równe . Zatem prawdopodobieństwo zaobserwowania wartości krańcowych wynosi: gdzien ( x , y ) C ( S , T ) ( S , T ) ( S , T ) p ( S , T | θ ) = ∑ n ∈ C ( S , T ) p ( n | θ ) p ( n | θ ) n θ θθn(x,y)C(S,T)(S,T)(S,T)

p(S,T|θ)=∑n∈C(S,T)p(n|θ)
p(n|θ)jest wielomianowym rozkładem próbkowania. Definiuje to funkcję prawdopodobieństwa dla ML, ale bezpośrednia ocena jest niemożliwa, z wyjątkiem małych problemów. Zalecane przez nich podejście to MCMC, w którym na przemian aktualizujesz i , próbkując z rozkładu propozycji i akceptując zmianę zgodnie ze współczynnikiem akceptacji Metropolis-Hastings. Można to dostosować, aby znaleźć przybliżone maksimum ponad przy użyciu Monte Carlo EM. nθθ

Inne podejście zastosowałoby metody wariacyjne do przybliżenia sumy nad . Więzy krańcowe można zakodować jako wykres czynnikowy, a wnioskowanie nad można przeprowadzić za pomocą propagacji oczekiwań. θnθ

Aby zobaczyć, dlaczego ten problem jest trudny i nie pozwala na trywialne rozwiązanie, rozważ przypadek . Przyjmując jako sumy wierszy i jako sumy kolumn, istnieją dwie możliwe tabele zliczeń: Dlatego funkcja prawdopodobieństwo, MLE dla tego problemu to co odpowiada założeniu tabeli po lewej stronie. Natomiast szacunek, który można uzyskać, zakładając niezależność, to: S=(1,2),T=(2,1)ST

[0120][1011]
p(S,T|θ)=3p12p212+6p11p21p22
p^x,y=[01/32/30]
qx,y=[1/32/3][2/31/3]=[2/91/94/92/9]
który ma mniejszą wartość prawdopodobieństwa.

Czy nie jest możliwe uzyskanie rozwiązania analitycznego?
— Ben Kuhn

Dzięki! Artykuł wydaje się trafny, choć wydaje się, że pochodzi z perspektywy bayesowskiej. Co z konkretnym przypadkiem, w którym jest w rzeczywistości samym rozkładem, a mianowicie , dla wszystkich par ? Czy podejrzewałby, że w tym przypadku byłoby rozwiązanie analityczne? θθ={θx,y}(x,y)
— RS

Nie podejrzewałbym, że istnieje rozwiązanie analityczne. Dodałem przykład, aby to zilustrować.
— Tom Minka,

Dzięki. Być może jest to prawda asymptotycznie? Zatem warunkowanie na sumy marginesów jest takie samo jak warunkowanie na rozkładach marginesów (po normalizacji), a prawdopodobieństwo logarytmiczne dla każdej nieobserwowanej tabeli liczb całkowitych jest proporcjonalne do jej entropii. Może więc coś z AEP?
— RS

1

Jak wskazał @Glen_b, nie jest to wystarczająco określone. Nie sądzę, abyś mógł wykorzystać maksymalne prawdopodobieństwo, chyba że możesz w pełni określić prawdopodobieństwo.

Jeśli byłeś gotów założyć niezależność, problem jest dość prosty (nawiasem mówiąc, myślę, że rozwiązaniem byłoby zaproponowane maksymalne rozwiązanie entropii). Jeśli nie chcesz ani nie jesteś w stanie narzucić dodatkowej struktury w swoim problemie i nadal chcesz jakieś przybliżenie wartości komórek, być może możesz użyć granic kopuły Frécheta – Hoeffdinga . Bez dodatkowych założeń nie sądzę, abyś mógł pójść dalej.


Prawdopodobieństwo tego może być wielomianowe. Dlaczego to nie wystarcza?
— RS

Jak rozumiem, prawdopodobieństwo jest funkcją parametrów podanych danych. Tutaj nie masz wartości dla każdej komórki, tylko marginesy, dlatego nie masz jednej funkcji parametrów, którą możesz obliczyć, a co dopiero maksymalizować. Zasadniczo istnieje wiele konfiguracji komórek zgodnych z marginesami i każda daje inne prawdopodobieństwo.
— F. Tusell,

1
Tak, ale w porządku. Parametry to , dane to marginesy. Nadal mogę obliczyć prawdopodobieństwo podanych marginesów - jest to suma wszystkich prawdopodobieństw konfiguracji komórek, które dają marginesy. To jedna funkcja, którą mogę zmaksymalizować. pp
— RS

1

Edycja: Ta odpowiedź opiera się na niepoprawnym założeniu, że prawdopodobieństwo podanych wartości krańcowych jest tylko funkcją prawdopodobieństw krańcowych i . Nadal o tym myślę.px,ypx=∑ypx,ypy=∑xpx,y

Następują złe rzeczy:

Jak wspomniano w komentarzu, problem ze znalezieniem „estymatora największego prawdopodobieństwa dla polega na tym, że nie jest on unikalny. Rozważmy na przykład przypadek z binarnymi i marginesami . Dwa estymatorypx,yX,YS1=S2=T1=T2=10

p=(120012),p=(14141414)

mają te same krańcowe prawdopodobieństwa i we wszystkich przypadkach, a zatem mają równe prawdopodobieństwo (oba z nich maksymalizują funkcję prawdopodobieństwa, jak można zweryfikować).pxpy


Rzeczywiście, bez względu na marginesy (o ile dwa z nich są niezerowe w każdym wymiarze), rozwiązanie maksymalnego prawdopodobieństwa nie jest unikalne. Udowodnię to w przypadku pliku binarnego. Niech będzie rozwiązaniem o najwyższym prawdopodobieństwie. Bez utraty ogólności załóżmy, że . Zatem ma te same marginesy, a zatem jest również rozwiązaniem o najwyższym prawdopodobieństwie.p=(abcd)0<a≤dp=(0b+ac+ad−a)


Jeśli chcesz dodatkowo zastosować ograniczenie maksymalnej entropii, otrzymujesz unikalne rozwiązanie, które, jak stwierdził F. Tussell, jest rozwiązaniem, w którym są niezależne. Możesz to zobaczyć w następujący sposób:X,Y

Entropia rozkładu to ; maksymalizacja z zastrzeżeniem i (równoważnie, gdzie i ) stosując mnożników Lagrange podaje równanie:H(p)=−∑x,ypx,ylog⁡px,y∑xpx,y=py∑ypx,y=pxg→(p)=0gx(p)=∑ypx,y−pxgy(p)=∑xpx,y−py

∇H(p)=∑k∈X∪Yλk∇gk(p)

Wszystkie gradienty każdego wynoszą 1, więc współdziała togk

1−log⁡px,y=λx+λy⟹px,y=e1−λx−λy

plus oryginalne ograniczenia i . Możesz sprawdzić, czy jest to spełnione, gdy oraz , dając∑xpx,y=py∑ypx,y=pxe1/2−λx=pxe1/2−λy=py

px,y=pxpy.

W pierwszym przykładzie: podane są liczby krańcowe , a nie krańcowe prawdopodobieństwa. W opisanym przypadku prawdopodobieństwo dla lewego oznacza prawdopodobieństwo które wynosi . Dla prawej jest to , czyli . Nawet jeśli nie ma unikalnego rozwiązania, nie oznacza to, że nie możemy wskazać jakiegoś rozwiązania. Maksymalna entropia daje unikalne rozwiązanie, ale może nie być maksymalnego prawdopodobieństwa. p [ [ 10 , 0 ] , [ 0 , 10 ] ] 2 - 20 p ∑ 0 ≤ a ≤ 10 P r [ [ a , 10 - a ] , [ 10 - a , a ] ] 10 ⋅ 4 -S1=S2=T1=T2=10p[[10,0],[0,10]]2−20p∑0≤a≤10Pr[[a,10−a],[10−a,a]]10⋅4−20
— RS

Niepoprawnie obliczyłeś prawdopodobieństwa; na przykład zapomniałeś podać współczynniki dwumianowe. Ale masz rację, że dwie macierze dają różne wspólne rozkłady wartości krańcowych, nawet jeśli dają taki sam rozkład krańcowy liczb krańcowych. (Yikes!) Pomyślę o tym więcej.
— Ben Kuhn
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.