Odległość Earth Mover's (EMD) między dwoma Gaussianami


26

Czy istnieje formuła zamknięta dla (lub pewnego rodzaju powiązania) EMD między i ?x 2 ∼ N ( μ 2 , Σ 2 )x1∼N(μ1,Σ1)x2∼N(μ2,Σ2)


2
Według en.wikipedia.org/wiki/Earth_mover%27s_distance EMD jest taki sam jak odległość Mallows lub Wasserstein, więc możesz spróbować googlin.
— kjetil b halvorsen

2
Ten artykuł może ci się przydać: vldb.org/pvldb/vol5/p205_brianeruttenberg_vldb2012.pdf
— jojer

Odpowiedzi:


27

Odległość można zapisać jako , gdzie infimum jest przejmowane przez wszystkie wspólne rozkłady X i Y z marginesowymi X \ sIM P , Y \ sIM Q . Jest to również znane jako pierwsza odległość Wassersteina , która wynosi W_p = \ inf \ left (\ E \ lVert X - Y \ rVert ^ p \ right) ^ {1 / p} z tym samym minimum.EMD⁡(P,Q)=infE⁡‖X−Y‖XYX∼PY∼QWp=inf(E⁡‖X−Y‖p)1/p

Niech X∼P=N⁡(μx,Σx) , Y∼Q=N⁡(μy,Σy) .

Dolna granica: według nierówności Jensena, ponieważ normy są wypukłe,

E⁡‖X−Y‖≥‖E⁡(X−Y)‖=‖μx−μy‖,
więc EMD jest zawsze przynajmniej odległość między środkami (dla dowolnych rozkładów).

Górna granica oparta na W2 : Znów nierówność Jensena, (E⁡‖X−Y‖)2≤E⁡‖X−Y‖2 . Zatem W1≤W2 . Ale Dowson i Landau (1982) ustalili, że

W2(P,Q)2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−2(ΣxΣy)1/2),
podając górną granicę dla EMD=W1 .

Węższa górna granica: rozważ sprzężenie To jest mapa opracowana przez Knott i Smitha (1984) , O optymalnym odwzorowaniu rozkładów , Journal of Optimization Theory and Applications, 43 (1) str. 39–49 jako optymalne odwzorowanie dla ; zobacz także ten post na blogu . Zauważ, że i

X∼N⁡(μx,Σx)Y=μy+Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12⏟A(X−μx).
W2A=ATEYW2A=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,
więc połączenie jest prawidłowe.

Odległość wynosi wtedy , gdzie teraz co jest normalne z ‖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.

Zatem górna granica dla to . Niestety, forma zamknięta dla tego oczekiwania jest zaskakująco nieprzyjemna w przypadku ogólnych norm wielowymiarowych: patrz to pytanie , jak również to .W1(P,Q)E⁡‖D‖

Jeśli wariancja jest sferyczna (np. Jeśli , , wówczas wariancja staje się ), poprzednia pytanie daje odpowiedź w postaci uogólnionego wielomianu Laguerre'a.DΣx=σx2IΣy=σy2ID(σx−σy)2I

Ogólnie rzecz biorąc, mamy prostą górną granicę dla opartą na nierówności Jensena, wyprowadzoną np. Z tego pierwszego pytania: 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.
Równość na końcu wynika z tego, że macierze i są podobne , więc mają te same wartości własne, a zatem ich pierwiastki kwadratowe mają ten sam ślad.ΣxΣyΣx12ΣyΣx12=Σx−12(ΣxΣy)Σx12

Ta nierówność jest surowa, o ile nie ulega degeneracji, co w większości przypadków występuje w przypadku .‖D‖Σx≠Σy

Przypuszczenie : Może ta bliższa górna granica, , jest ciasna. Z drugiej strony, przez długi czas miałem tutaj inną górną granicę, którą przypuszczałem, że jest ciasna, która w rzeczywistości była luźniejsza niż , więc może nie powinieneś zbytnio ufać tej . :)E⁡‖D‖W2

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.