깁스 출력의 한계 가능성


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섹션 4.2.1의 결과를 처음부터 재현하고 있습니다.

깁스 출력의 한계 가능성

싯다르타 b

미국 통계 협회, Vol. 90, No. 432. (1995 년 12 월), pp. 1313-1321.

알려진 수 의 성분을 가진 법선 모형의 혼합입니다 . k≥1

f(x∣w,μ,σ2)=∏i=1n∑j=1kN(xi∣μj,σj2).(∗)

이 모델의 Gibbs 샘플러는 Tanner 및 Wong의 데이터 기능 보강 기술을 사용하여 구현됩니다. 값을 가정 한 할당 변수 가 도입되었으며, 및 f (x_i \ mid z , \ mu, \ sigma ^ 2) = \ mathrm {N} (x_i \ mid \ mu_ {z_i}, \ sigma ^ 2_ {z_i}) . z_i를 통한 통합 은 원래 가능성 (*)을 제공합니다 .z=(z1,…,zn)1,…,kPr(zi=j∣w)=wjf(xi∣z,μ,σ2)=N(xi∣μzi,σzi2)zi(∗)

데이터 세트는 코로나 보레 알리스 별자리로부터 82 은하의 속도로 형성됩니다 .

set.seed(1701)

x <- c(  9.172,  9.350,  9.483,  9.558,  9.775, 10.227, 10.406, 16.084, 16.170, 18.419, 18.552, 18.600, 18.927,
        19.052, 19.070, 19.330, 19.343, 19.349, 19.440, 19.473, 19.529, 19.541, 19.547, 19.663, 19.846, 19.856,
        19.863, 19.914, 19.918, 19.973, 19.989, 20.166, 20.175, 20.179, 20.196, 20.215, 20.221, 20.415, 20.629,
        20.795, 20.821, 20.846, 20.875, 20.986, 21.137, 21.492, 21.701, 21.814, 21.921, 21.960, 22.185, 22.209,
        22.242, 22.249, 22.314, 22.374, 22.495, 22.746, 22.747, 22.888, 22.914, 23.206, 23.241, 23.263, 23.484,
        23.538, 23.542, 23.666, 23.706, 23.711, 24.129, 24.285, 24.289, 24.366, 24.717, 24.990, 25.633, 26.960,
        26.995, 32.065, 32.789, 34.279 )

nn <- length(x)

우리는 가정이 는 의 및 의이 독립적 선험적 으로 wμjσj2

(w1,…,wk)∼Dir(a1,…,ak),μj∼N(μ0,σ02),σj2∼IG(ν02,δ02).
k <- 3

mu0 <- 20
va0 <- 100

nu0 <- 6
de0 <- 40

a <- rep(1, k)

베이 즈 정리를 사용하면 전체 조건은 하는 함께

w∣μ,σ2,z,x∼Dir(a1+n1,…,ak+nk)μj∣w,σ2,z,x∼N(njmjσ02+μ0σj2njσ02+σj2,σ02σj2njσ02+σj2)σj2∣w,μ,z,x∼IG(ν0+nj2,δ0+δj2)Pr(zi=j∣w,μ,σ2,x)∝wj×1σje−(xi−μj)2/2σj2
nj=|Lj|,mj={1nj∑i∈Ljxiifnj>00otherwise.,δj=∑i∈Lj(xi−μj)2,
Lj={i∈{1,…,n}:zi=j} .

목표는 모형의 한계 우도에 대한 추정치를 계산하는 것입니다. Chib의 방법은 전체 조건을 사용하여 Gibbs 샘플러를 처음 실행하는 것으로 시작합니다.

burn_in <- 1000
run     <- 15000

cat("First Gibbs run (full):\n")

N <- burn_in + run

w  <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
mu <- matrix(0, nrow = N, ncol = k)
va <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
z  <- matrix(1, nrow = N, ncol = nn)

n <- integer(k)
m <- numeric(k)
de <- numeric(k)

rdirichlet <- function(a) { y <- rgamma(length(a), a, 1); y / sum(y) }

pb <- txtProgressBar(min = 2, max = N, style = 3)
z[1,] <- sample.int(k, size = nn, replace = TRUE)
for (t in 2:N) {
    n <- tabulate(z[t-1,], nbins = k)
    w[t,] <- rdirichlet(a + n)
    m <- sapply(1:k, function(j) sum(x[z[t-1,]==j]))
    m[n > 0] <- m[n > 0] / n[n > 0]
    mu[t,] <- rnorm(k, mean = (n*m*va0+mu0*va[t-1,])/(n*va0+va[t-1,]), sd = sqrt(va0*va[t-1,]/(n*va0+va[t-1,])))
    de <- sapply(1:k, function(j) sum((x[z[t-1,]==j] - mu[t,j])^2))
    va[t,] <- 1 / rgamma(k, shape = (nu0+n)/2, rate = (de0+de)/2)
    z[t,] <- sapply(1:nn, function(i) sample.int(k, size = 1, prob = exp(log(w[t,]) + dnorm(x[i], mean = mu[t,], sd = sqrt(va[t,]), log = TRUE))))
    setTxtProgressBar(pb, t)
}
close(pb)

첫 번째 실행에서 우리 는 최대 가능성 의 대략적인 점 을 얻습니다 . 가능성은 실제로 제한이 없기 때문에이 절차가 제공하는 것은 대략적인 지역 MAP입니다.(w∗,μ∗,σ2∗)

w  <- w[(burn_in+1):N,]
mu <- mu[(burn_in+1):N,]
va <- va[(burn_in+1):N,]
z  <- z[(burn_in+1):N,]
N  <- N - burn_in

log_L <- function(x, w, mu, va) sum(log(sapply(1:nn, function(i) sum(exp(log(w) + dnorm(x[i], mean = mu, sd = sqrt(va), log = TRUE))))))

ts <- which.max(sapply(1:N, function(t) log_L(x, w[t,], mu[t,], va[t,])))

ws <- w[ts,]
mus <- mu[ts,]
vas <- va[ts,]

한계 확률에 대한 Chib의 로그 추정치는

log⁡f(x)^=log⁡Lx(w∗,μ∗,σ2∗)+log⁡π(w∗,μ∗,σ2∗)−log⁡π(μ∗∣x)−log⁡π(σ2∗∣μ∗,x)−log⁡π(w∗∣μ∗,σ2∗,x).

우리는 이미 처음 두 용어를 가지고 있습니다.

log_prior <- function(w, mu, va) {
    lgamma(sum(a)) - sum(lgamma(a)) + sum((a-1)*log(w))
    + sum(dnorm(mu, mean = mu0, sd = sqrt(va0), log = TRUE))
    + sum((nu0/2)*log(de0/2) - lgamma(nu0/2) - (nu0/2+1)*log(va) - de0/(2*va))
}

chib <- log_L(x, ws, mus, vas) + log_prior(ws, mus, vas)

의 Rao-Blackwellized 추정값 은 쉽게 얻을 수 있습니다 첫 깁스 런에서π(μ∗∣x)

π(μ∗∣x)=∫∏j=1kN(μj∗|njmjσ02+μ0σj2njσ02+σj2,σ02σj2njσ02+σj2)p(σ2,z∣x)dσ2dz,
pi.mu_va.z.x <- function(mu, va, z) {
    n <- tabulate(z, nbins = k)
    m <- sapply(1:k, function(j) sum(x[z==j]))
    m[n > 0] <- m[n > 0] / n[n > 0]
    exp(sum(dnorm(mu, mean = (n*m*va0+mu0*va)/(n*va0+va), sd = sqrt(va0*va/(n*va0+va)), log = TRUE)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.mu_va.z.x(mus, va[t,], z[t,]))))

의 Rao-Blackwellized 추정값 은 가 업데이트되지 않지만 두 번째로 줄어든 Gibbs 실행에서 계산됩니다. 동일 각 반복 단계에서.π(σ2∗∣μ∗,x)

π(σ2∗∣μ∗,x)=∫∏j=1kIG(σj2∗|ν0+nj2,δ0+δj2)p(z∣μ∗,x)dz,
μjμj∗
cat("Second Gibbs run (reduced):\n")

N <- burn_in + run

w  <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
va <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
z  <- matrix(1, nrow = N, ncol = nn) 

pb <- txtProgressBar(min = 2, max = N, style = 3)
z[1,] <- sample.int(k, size = nn, replace = TRUE)
for (t in 2:N) {
    n <- tabulate(z[t-1,], nbins = k)
    w[t,] <- rdirichlet(a + n)
    de <- sapply(1:k, function(j) sum((x[z[t-1,]==j] - mus[j])^2))
    va[t,] <- 1 / rgamma(k, shape = (nu0+n)/2, rate = (de0+de)/2)
    z[t,] <- sapply(1:nn, function(i) sample.int(k, size = 1, prob = exp(log(w[t,]) + dnorm(x[i], mean = mus, sd = sqrt(va[t,]), log = TRUE))))
    setTxtProgressBar(pb, t)
}
close(pb)

w  <- w[(burn_in+1):N,]
va <- va[(burn_in+1):N,]
z  <- z[(burn_in+1):N,]
N  <- N - burn_in

pi.va_mu.z.x <- function(va, mu, z) {
    n <- tabulate(z, nbins = k)         
    de <- sapply(1:k, function(j) sum((x[z==j] - mu[j])^2))
    exp(sum(((nu0+n)/2)*log((de0+de)/2) - lgamma((nu0+n)/2) - ((nu0+n)/2+1)*log(va) - (de0+de)/(2*va)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.va_mu.z.x(vas, mus, z[t,]))))

같은 방식으로 의 Rao-Blackwellized 추정값 은 는 와 가 업데이트되지 않지만 및 와 동일하게 된 세 번째 축소 Gibbs 실행에서 계산됩니다. 각 반복 단계에서 .π(w∗∣μ∗,σ2∗,x)

π(w∗∣μ∗,σ2∗,x)=∫Dir(w∗∣a1+n1,…,ak+nk)p(z∣μ∗,σ2∗,x)dz,
μjσj2μj∗σj2∗
cat("Third Gibbs run (reduced):\n")

N <- burn_in + run

w  <- matrix(1, nrow = N, ncol = k)
z  <- matrix(1, nrow = N, ncol = nn) 

pb <- txtProgressBar(min = 2, max = N, style = 3)
z[1,] <- sample.int(k, size = nn, replace = TRUE)
for (t in 2:N) {
    n <- tabulate(z[t-1,], nbins = k)
    w[t,] <- rdirichlet(a + n)
    z[t,] <- sapply(1:nn, function(i) sample.int(k, size = 1, prob = exp(log(w[t,]) + dnorm(x[i], mean = mus, sd = sqrt(vas), log = TRUE))))
    setTxtProgressBar(pb, t)
}
close(pb)

w  <- w[(burn_in+1):N,]
z  <- z[(burn_in+1):N,]
N  <- N - burn_in

pi.w_z.x <- function(w, z) {
    n <- tabulate(z, nbins = k)
    exp(lgamma(sum(a+n)) - sum(lgamma(a+n)) + sum((a+n-1)*log(w)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.w_z.x(ws, z[t,]))))

이 모든 후, 우리는 로그 추정치 를 이는 Chib가보고 한 것보다 큽니다 : Monte Carlo error .−217.9199−224.138.086

내가 Gibbs 샘플러를 어떻게 망쳐 놓았는지 확인하기 위해 RJAGS를 사용하여 모든 것을 다시 구현했습니다. 다음 코드는 동일한 결과를 제공합니다.

x <- c( 9.172,  9.350,  9.483,  9.558,  9.775, 10.227, 10.406, 16.084, 16.170, 18.419, 18.552, 18.600, 18.927, 19.052, 19.070, 19.330,
       19.343, 19.349, 19.440, 19.473, 19.529, 19.541, 19.547, 19.663, 19.846, 19.856, 19.863, 19.914, 19.918, 19.973, 19.989, 20.166,
       20.175, 20.179, 20.196, 20.215, 20.221, 20.415, 20.629, 20.795, 20.821, 20.846, 20.875, 20.986, 21.137, 21.492, 21.701, 21.814,
       21.921, 21.960, 22.185, 22.209, 22.242, 22.249, 22.314, 22.374, 22.495, 22.746, 22.747, 22.888, 22.914, 23.206, 23.241, 23.263,
       23.484, 23.538, 23.542, 23.666, 23.706, 23.711, 24.129, 24.285, 24.289, 24.366, 24.717, 24.990, 25.633, 26.960, 26.995, 32.065,
       32.789, 34.279 )

library(rjags)

nn <- length(x)

k <- 3

mu0 <- 20
va0 <- 100

nu0 <- 6
de0 <- 40

a <- rep(1, k)

burn_in <- 10^3

N <- 10^4

full <- "
    model {
        for (i in 1:n) {
            x[i] ~ dnorm(mu[z[i]], tau[z[i]])
            z[i] ~ dcat(w[])
        }
        for (i in 1:k) {
            mu[i] ~ dnorm(mu0, 1/va0)
            tau[i] ~ dgamma(nu0/2, de0/2)
            va[i] <- 1/tau[i]
        }
        w ~ ddirich(a)
    }
"
data <- list(x = x, n = nn, k = k, mu0 = mu0, va0 = va0, nu0 = nu0, de0 = de0, a = a)
model <- jags.model(textConnection(full), data = data, n.chains = 1, n.adapt = 100)
update(model, n.iter = burn_in)
samples <- jags.samples(model, c("mu", "va", "w", "z"), n.iter = N)

mu <- matrix(samples$mu, nrow = N, byrow = TRUE)
    va <- matrix(samples$va, nrow = N, byrow = TRUE)
w <- matrix(samples$w, nrow = N, byrow = TRUE)
    z <- matrix(samples$z, nrow = N, byrow = TRUE)

log_L <- function(x, w, mu, va) sum(log(sapply(1:nn, function(i) sum(exp(log(w) + dnorm(x[i], mean = mu, sd = sqrt(va), log = TRUE))))))

ts <- which.max(sapply(1:N, function(t) log_L(x, w[t,], mu[t,], va[t,])))

ws <- w[ts,]
mus <- mu[ts,]
vas <- va[ts,]

log_prior <- function(w, mu, va) {
    lgamma(sum(a)) - sum(lgamma(a)) + sum((a-1)*log(w))
    + sum(dnorm(mu, mean = mu0, sd = sqrt(va0), log = TRUE))
    + sum((nu0/2)*log(de0/2) - lgamma(nu0/2) - (nu0/2+1)*log(va) - de0/(2*va))
}

chib <- log_L(x, ws, mus, vas) + log_prior(ws, mus, vas)

cat("log-likelihood + log-prior =", chib, "\n")

pi.mu_va.z.x <- function(mu, va, z, x) {
    n <- sapply(1:k, function(j) sum(z==j))
    m <- sapply(1:k, function(j) sum(x[z==j]))
    m[n > 0] <- m[n > 0] / n[n > 0]
    exp(sum(dnorm(mu, mean = (n*m*va0+mu0*va)/(n*va0+va), sd = sqrt(va0*va/(n*va0+va)), log = TRUE)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.mu_va.z.x(mus, va[t,], z[t,], x))))

cat("log-likelihood + log-prior - log-pi.mu_ =", chib, "\n")

fixed.mu <- "
    model {
        for (i in 1:n) {
            x[i] ~ dnorm(mus[z[i]], tau[z[i]])
            z[i] ~ dcat(w[])
        }
        for (i in 1:k) {
            tau[i] ~ dgamma(nu0/2, de0/2)
            va[i] <- 1/tau[i]
        }
        w ~ ddirich(a)
    }
"
data <- list(x = x, n = nn, k = k, nu0 = nu0, de0 = de0, a = a, mus = mus)
model <- jags.model(textConnection(fixed.mu), data = data, n.chains = 1, n.adapt = 100)
update(model, n.iter = burn_in)
samples <- jags.samples(model, c("va", "w", "z"), n.iter = N)

va <- matrix(samples$va, nrow = N, byrow = TRUE)
    w <- matrix(samples$w, nrow = N, byrow = TRUE)
z <- matrix(samples$z, nrow = N, byrow = TRUE)

pi.va_mu.z.x <- function(va, mu, z, x) {
    n <- sapply(1:k, function(j) sum(z==j))
    de <- sapply(1:k, function(j) sum((x[z==j] - mu[j])^2))
    exp(sum(((nu0+n)/2)*log((de0+de)/2) - lgamma((nu0+n)/2) - ((nu0+n)/2+1)*log(va) - (de0+de)/(2*va)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.va_mu.z.x(vas, mus, z[t,], x))))

cat("log-likelihood + log-prior - log-pi.mu_ - log-pi.va_ =", chib, "\n")

fixed.mu.and.va <- "
    model {
        for (i in 1:n) {
            x[i] ~ dnorm(mus[z[i]], 1/vas[z[i]])
            z[i] ~ dcat(w[])
        }
        w ~ ddirich(a)
    }
"
data <- list(x = x, n = nn, a = a, mus = mus, vas = vas)
model <- jags.model(textConnection(fixed.mu.and.va), data = data, n.chains = 1, n.adapt = 100)
update(model, n.iter = burn_in)
samples <- jags.samples(model, c("w", "z"), n.iter = N)

w <- matrix(samples$w, nrow = N, byrow = TRUE)
    z <- matrix(samples$z, nrow = N, byrow = TRUE)

pi.w_z.x <- function(w, z, x) {
    n <- sapply(1:k, function(j) sum(z==j))
    exp(lgamma(sum(a)+nn) - sum(lgamma(a+n)) + sum((a+n-1)*log(w)))
}

chib <- chib - log(mean(sapply(1:N, function(t) pi.w_z.x(ws, z[t,], x))))

cat("log-likelihood + log-prior - log-pi.mu_ - log-pi.va_ - log-pi.w_ =", chib, "\n")

내 질문은 위의 설명에서 Chib의 방법에 대한 오해가 있거나 구현에 실수가 있는지 여부입니다.


1
시뮬레이션을 100 번 실행하면 결과는 . [−218.7655;−216.8824]
— Zen

답변:


6

이전에는 약간의 프로그래밍 실수가있었습니다

log_prior <- function(w, mu, va) {
    lgamma(sum(a)) - sum(lgamma(a)) + sum((a-1)*log(w))
    + sum(dnorm(mu, mean = mu0, sd = sqrt(va0), log = TRUE))
    + sum((nu0/2)*log(de0/2) - lgamma(nu0/2) - (nu0/2+1)*log(va) - de0/(2*va))
}

대신해야합니다

log_prior <- function(w, mu, va) {
    lgamma(sum(a)) - sum(lgamma(a)) + sum((a-1)*log(w)) +
      sum(dnorm(mu, mean = mu0, sd = sqrt(va0), log = TRUE)) +
      sum((nu0/2)*log(de0/2) - lgamma(nu0/2) - (nu0/2+1)*log(va) - de0/(2*va))
}

이 방법으로 코드를 다시 실행하면

> chib
[1] -228.194

이 경우 Chib (1995)에서 생산 된 값 이 아닙니다 ! 그러나 Neal (1999)의 문제 재분석에서 그는 다음과 같이 언급했다.

익명의 JASA 심판에 따르면, Chib의 논문에 제공된 불일치 분산을 갖는 3 가지 구성 요소 모델의 한계 우도 로그에 대한 -224.138의 수치는 정확한 수치가 -228.608 인 경우의 "오타"입니다.

따라서 불일치 문제가 해결됩니다.


2
크리스티안 로버트와 케이트 리 교수 : 당신이 얼마나 위대한 지 아십니까?
— Zen

2
그건 그렇고, 이것은 분명히 "악한 구문"의 예입니다. 나는 이것을 잊지 않을 것입니다.
— Zen
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