행렬 함수의 미분에 대한이 계산이 무엇을 정당화합니까?


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Andrew Ng의 기계 학습 과정에서 그는 다음 공식을 사용합니다.

∇ㅏ티아르 자형(ㅏ비ㅏ티씨)=씨ㅏ비+씨티ㅏ비티

그는 다음과 같이 빠른 증거를 수행합니다.

∇ㅏ티아르 자형(ㅏ비ㅏ티씨)=∇ㅏ티아르 자형(에프(ㅏ)ㅏ티씨)=∇∘티아르 자형(에프(∘)ㅏ티씨)+∇∘티아르 자형(에프(ㅏ)∘티씨)=(ㅏ티씨)티에프'(∘)+(∇∘티티아르 자형(에프(ㅏ)∘티씨)티=씨티ㅏ비티+(∇∘티티아르 자형(∘티)씨에프(ㅏ))티=씨티ㅏ비티+((씨에프(ㅏ))티)티=씨티ㅏ비티+씨ㅏ비

아무런 증거없이 증거가 매우 밀도가 높아서 이해하기가 어렵습니다. 두 번째에서 세 번째로의 평등은 정확히 무엇입니까?


그는 , B 및 C 의 차원에 대해 특별한 가정을해야합니다. 그렇지 않으면이 공식은 일반적으로 의미가 없습니다. 왼쪽에서 A 는 음수가 아닌 정수 i , j , m의 경우 i x j 행렬, B a j x j 행렬 및 C a i x m 행렬 이어야합니다 . 그러나 i = m이 아니면 오른쪽의 제품은 정의되지 않습니다 . AB씨ㅏ나는×제이비제이×제이씨나는×미디엄나는,제이,미디엄나는=미디엄
— whuber

@ whuber 알겠습니다. 가정을 감안할 때, 나는 그가 를 소개하는 두 번째 줄에서 세 번째 줄로의 전환이 어떻게 발생했는지 여전히 이해하지 못합니다 . ∘
— MoneyBall

두 번째 줄과 세 번째 줄 사이에 그는 합니다. 두 번째 줄과 세 번째 줄 사이에서 그는 제품 규칙을 사용했습니다. 나중에 그는 체인 규칙을 사용하여 f ( )를 제거 합니다. 에프(ㅏ)=ㅏ비에프()
— 브라이언 Borchers

답변:


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미묘하지만 많은 표기법을 남용하여 많은 단계를 혼란스럽게합니다. 행렬 곱셈, 전치, 트레이스 및 미분의 정의로 돌아가서이 문제를 해결해 봅시다. 설명을 생략하고 싶은 분들은 마지막 섹션 인 "Putting It All Together"로 넘어 가서 엄밀하고 간단한 데모를 할 수 있습니다.


표기법과 개념

치수

표현식 B ' C가 될 때 이해하기 위해 , A는 이다 m × N 행렬, B는 A (사각형)이어야 N × N 행렬 C는 있어야 m × P의 제품이 어디서 왔는지 행렬 m × P의 행렬 . (대각 원소의 합이되는 추적을 수행하기 위하여 TR ( X ) = Σ 내가 X 나 난 후) P = m 만드는 C가ㅏ비ㅏ'씨ㅏ미디엄×엔비엔×엔씨미디엄×피미디엄×피TR⁡(엑스)=∑나는엑스나는나는피=미디엄씨 정사각 행렬.

파생 상품

표기 " "에 대한 식의 유도체를 참조 표시 . 일반적으로 미분은 기능 f : R N → R M 에서 수행되는 작업 입니다. 점 x ∈ R N 에서의 미분은 선형 변환 D f ( x ) : R N → R M 입니다. 이들 벡터 공간에 대한 염기를 선택할 때, 그러한 변환은 M × N 행렬 로 표현 될 수있다 . 여기서는 그렇지 않습니다!∇ㅏㅏ에프:아르 자형엔→아르 자형미디엄엑스∈아르 자형엔디에프(엑스):아르 자형엔→아르 자형미디엄미디엄×엔

벡터로서의 행렬

대신 는 R m n 의 요소로 간주됩니다 . 계수는 길이가 N = m n 인 벡터로 롤링됩니다 (일반적으로 행 단위 또는 열 단위) . 함수 f ( A ) = Tr ( A B A ' C ) 는 M = 1 인 경우 실제 값을 갖습니다 . 결과적으로 D f ( x ) 는 1 × m n 행렬 이어야합니다 . 이것은 선형 형태를 나타내는 행 벡터입니다.ㅏ아르 자형미디엄엔엔=미디엄엔에프(ㅏ)=TR⁡(ㅏ비ㅏ'씨)미디엄=1디에프(엑스)1×미디엄엔 . 그러나 문제의 계산은 선형 형태를 나타내는다른방법을사용합니다. 계수는m×n행렬로 롤백됩니다.아르 자형미디엄엔m×n

선형 형태의 흔적

하자 일정한 수의 m × n 개의 매트릭스. 그리고 트레이스와 행렬 곱셈의 정의에 의해ωm×n

Tr⁡(Aω′)=∑i=1m(Aω′)ii=∑i=1m(∑j=1nAij(ω′)ji)=∑i,jωijAij

이 계수의 가장 일반적인 가능한 선형 조합으로 표현 : ω가 동일하게 형상의 행렬 과 행의 계수 I 및 열 j는 계수이다 I J 선형 조합이다. 때문에 ω I J I J = I J ω I J 의 역할 ω 및 A는 등가 식을 제공 할 수있다 절환AωAijAijωijAi제이=ㅏ나는제이ω나는제이ωㅏ

(1)∑나는,제이ω나는제이ㅏ나는제이=TR⁡(ㅏω')=TR⁡(ωㅏ').

상수 행렬 식별함으로써 기능 중 하나로 → TR ( ω ' ) 또는 → 수 Tr ( ω ' ) , 우리의 공간 선형 형태 나타낼 수 m × N 매트릭스 등의 m × n 개의 매트릭스. ( R n 에서 R m 까지의 함수 파생과 혼동하지 마십시오 !)ωA→Tr⁡(Aω′)A→Tr⁡(ωA′)m×nm×nRnRm


파생 계산

정의

통계에서 발생하는 많은 행렬 함수의 파생물은 정의에서 가장 쉽고 안정적으로 계산됩니다. 복잡한 행렬 차별화 규칙에 의존 할 필요가 없습니다. 이 정의는 있다고 에서 미분이고 , X 는 선형 변환이있다 경우만 L 이 그러한fxL

f(x+h)−f(x)=Lh+o(|h|)

임의의 작은 변위에 대한 . 차분 근사화에서 이루어진 것으로 에러 작은-OH 표기 수단 F ( X + H ) - F ( X를 ) 가 L에서 H는 사이즈보다 작은 임의의 시간 이 충분히 작은위한 시간 . 특히, 우리는 항상 | h | 2 .h∈RNf(x+h)−f(x)Lhhh|h|2

계산

해당 함수에 정의를 적용 해 봅시다. 2 의 곱으로 항을 곱하고 확장하고 무시하며 ,h

(2)f(A+h)−f(A)=Tr⁡((A+h)B(A+h)′C)−Tr⁡(ABA′C)=Tr⁡(hBA′C)+Tr⁡(ABh′C)+o(|h|).

미분 을 식별하려면 이를 ( 1 ) 형식으로 만들어야합니다 . 오른쪽의 첫 번째 항은 이미이 형식으로되어 있으며 ω = B A ' C 입니다. 오른쪽의 다른 항 은 X = A B에 대한 Tr ( X h ' C ) 형식 입니다 . 이것을 써 봅시다 :L=Df(A)(1)ω=BA′CTr⁡(Xh′C)X=AB

(삼)TR⁡(엑스h'씨)=∑나는=1미디엄∑제이=1엔∑케이=1미디엄엑스나는제이h케이제이씨케이나는=∑나는,제이,케이h케이제이(씨케이나는엑스나는제이)=TR⁡((씨엑스)h').

호출 하면 ( 2 ) 를 다시 쓸 수 있습니다엑스=ㅏ비(2)

에프(ㅏ+h)−에프(ㅏ)=TR⁡(h비ㅏ'씨)+TR⁡(씨ㅏ비h')+영형(|h|).

그것은 인 이 우리의 유도체를 고려할 수 있음을 의미 에 수 D의 F ( ) = ( B ' C ) ' + C B = C ' B ' + C B , 이들 매트릭스가 재생 때문에 미량 공식에서 ω의 역할 ( 1 ) .에프ㅏ

디에프(ㅏ)=(비ㅏ'씨)'+씨ㅏ비=씨'ㅏ비'+씨ㅏ비,
ω(1)

함께 모아서

그렇다면 완벽한 솔루션입니다.

하자 수 m × N 행렬 B N × N 행렬과 C m × m의 매트릭스. f ( A ) = Tr ( A B A ' C ) 이라고하자 . 하자 H는 수 m × n은 임의의 작은 계수 행렬. (식별 ( 3 )에 의해 ) f ( A + h ) − f (ㅏ미디엄×엔비엔×엔씨미디엄×미디엄에프(ㅏ)=TR⁡(ㅏ비ㅏ'씨)h미디엄×엔(삼) F는미분이고 그것의 유도체는 선형 형태의 매트릭스에 의해 결정되는C'B'+CB.

에프(ㅏ+h)−에프(ㅏ)=TR⁡(h비ㅏ'씨)+TR⁡(ㅏ비h'씨)+영형(|h|)=TR⁡(h(씨'ㅏ비')'+(씨ㅏ비)h')+영형(|h|),
에프
씨'ㅏ비'+씨ㅏ비.

이것은 작업의 절반 정도만 걸리고 행렬과 트레이스의 가장 기본적인 조작 (곱셈과 전치) 만 포함하기 때문에 결과를보다 단순하고 명백하게 설명해야합니다. 원래 데모의 개별 단계를 실제로 이해하려면 여기에 표시된 계산과 비교하는 것이 유익 할 수 있습니다.


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tr(ㅏ비씨)=tr(씨ㅏ비)

1
(1)매트⁡(미디엄,엔)미디엄×엔에프:매트⁡(미디엄,엔)→아르 자형ㅏω디에프(ㅏ)엑스: →TR⁡(엑스ω')

2
@Amoeba 정확히 맞습니다.이 답변의 첫 번째 줄에있는 주장을 충분히 정당화합니다. 이것이 내가 " 이 의미에서" 쓴 이유 이고 나중에 요약에서 "같음"보다는 "결정된"이라는 구를 사용했습니다. 나는 설명이 도전적이라는 것을 부정하지는 않을 것이다. 나는 그것을 명확히하는 방법에 대해 생각하고 모든 의견과 제안에 감사드립니다.
— whuber

1
@ user10324이 사이트에 게시하는 대부분의 내용은 제 자신의 공식입니다. 소스를 거의 참조하지 않습니다. 이 게시물은 많은 책과 논문을 읽지 않은 것입니다. 최고의 책 중 일부는 완전히 수학적으로 엄격한 책은 아니지만 근본적인 아이디어를 아름답게 설명하고 묘사 한 책이었습니다. 정교함을 염두에두고 처음 떠오르는 소수는 Freedman, Pisani, & Purves, Statistics (모든 판)입니다. Jack Kiefer, 통계적 추론 소개 ; and Steven Shreve, Stochastic Calculus for Finance II .
— whuber

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에프(엑스+h)−에프(엑스)=엘h+영형(|h|)h엑스엑스∈아르 자형미디엄×엔h∈아르 자형미디엄×엔
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