두 가우스 간의 지구 발동기 거리 (EMD)


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과 사이에 EMD에 대한 닫힌 형식의 수식이 있습니까?x1∼N(μ1,Σ1)x2∼N(μ2,Σ2)


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en.wikipedia.org/wiki/Earth_mover%27s_distance 에 따르면 EMD는 Mallows 또는 Wasserstein 거리와 동일하므로 googlin을 사용해 볼 수 있습니다.
— kjetil b halvorsen

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이 문서가 도움이 될 것입니다 : vldb.org/pvldb/vol5/p205_brianeruttenberg_vldb2012.pdf
— jojer

답변:


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지구 이동기의 거리로 기록 될 수있다 EMD⁡(P,Q)=infE⁡‖X−Y‖ 상하 한이 모든 조인트 분포 점령되어, X 및 Y marginals와 X∼P , Y∼Q . 이것은 첫 번째 Wasserstein 거리 로도 알려져 있으며 , 이는 Wp=inf(E⁡‖X−Y‖p)1/p 이며 동일한 정보를 갖습니다.

하자 X∼P=N⁡(μx,Σx) , Y∼Q=N⁡(μy,Σy) .

하한 : Jensen의 불평등으로

E⁡‖X−Y‖≥‖E⁡(X−Y)‖=‖μx−μy‖,
규범은 볼록하므로 \ E \ lVert X-Y \ rVert \ ge \ lVert \ E (X-Y) \ rVert = \ lVert \ mu_x-\ mu_y \ rVert 이므로 EMD는 항상 적어도 수단 사이의 거리 (모든 분포에 대해).

W2 에 기반한 상한 : Jensen의 불평등에 의해 다시 (E⁡‖X−Y‖)2≤E⁡‖X−Y‖2 . 따라서 W1≤W2 입니다. 그러나 Dowson and Landau (1982) 는

W2(P,Q)2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−2(ΣxΣy)1/2),
EMD=W1 에 상한값을 지정합니다 .

타이트 상한 : 커플 링을 고려 이것은 Knott and Smith (1984) 에서 파생 된 맵입니다. , 분포의 최적의 맵핑을 최적화 이론 및 용도의 학회지 43 (1) PP 39-49 에 대한 최적의 매핑 등 ; 이 블로그 게시물을 참조하십시오 . 참고 및

X∼N⁡(μx,Σx)Y=μy+Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12⏟A(X−μx).
W2A=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,
이므로 커플 링이 유효합니다.

거리 다음이다 이제 와 정상 ‖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.

따라서 의 상한 은 입니다. 불행하게도,이 기대에 대한 닫힌 형태는 일반 변수 법선에 대해 적어 놀라 울 정도로 불쾌 : 볼 이 질문 뿐만 아니라 이 하나 .W1(P,Q)E⁡‖D‖

의 분산 이 구면 인 경우 (예 : , 이면 의 분산 은 )가 됨) 질문은 일반화 된 Laguerre 다항식의 관점에서 답을 제공합니다.DΣx=σx2IΣy=σy2ID(σx−σy)2I

일반적으로, 우리는 Jensen의 불평등에 기반한 대한 간단한 상한을 가지고 있는데 , 예를 들어 첫 번째 질문에서 파생 : 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.
마지막에 동등한 것은 및 와 유사하기 때문입니다. 따라서 동일한 고유 값을 가지므로 제곱근의 흔적이 같습니다.ΣxΣyΣx12ΣyΣx12=Σx−12(ΣxΣy)Σx12

이 불평등은 가 퇴화되지 않는 한 합니다. 대부분의 경우 입니다.‖D‖Σx≠Σy

추측 : 아마도이 더 가까운 상한 인 가 빡빡 할 것입니다. 그런 다음 다시 여기에 다른 상한이 있었는데 실제로는 보다 느슨하다고 추측 된 추측이 추측을 너무 많이 믿지 않아야합니다. :)E⁡‖D‖W2

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