ベルヌイモデルとベルヌイモデルの尤度に対する情報量
ベルヌイモデル \(P_{Ber}\)
$$\begin{array}{rcl} P(X|\theta) = \begin{cases} \displaystyle \theta & \,: \left(X=1\right)\\ \displaystyle 1-\theta & \,: \left(X=0\right)\\ \end{cases}\\ \displaystyle P_{Ber}=\left\{P(X|\theta)\,:(0\leq\theta\leq1)\right\}\\ \end{array}$$\(x^n\)を\(P_{Ber}\)で最短長の符号化をすることを考える
データ列\(x^n\)が与えられた時の生成確率\(P(x^n|\theta)\)を\(\theta\)の凾数とみなすと $$\begin{array}{rcl} \displaystyle L(\theta|x^n)&=&P(x^n|\theta) \end{array}$$ としてこれを尤度(likelihood)と呼ぶ.ベルヌイモデルの尤度に対する情報量
\(x^n\)の1の発生回数を\(m\)とすると0の発生回数は\(n-m\)となるので最尤推定値(maximum likelihood estimator)は $$\begin{array}{rcl} \displaystyle L(\theta|x^n)&=&\theta^{m}(1-\theta)^{(n-m)}\\ \end{array}$$ 情報量(=符号長)を考えると $$\begin{array}{rcl} \displaystyle -\log_{2}{\left(L(\theta|x^n)\right)}&=&-\log_{2}{\left(\theta^{m}(1-\theta)^{(n-m)}\right)}\\ &=&\displaystyle -\log_{2}{\left(\theta^{m}\right)}-\log_{2}{\left((1-\theta)^{(n-m)}\right)}\\ &=&\displaystyle -m\log_{2}{\left(\theta\right)}-(n-m)\log_{2}{\left(1-\theta\right)}\\ \end{array}$$確率Pで発生しているデータ系列を確率Qに基づく符号化した際のKullback-Leiblerダイバージェンス
例:確率Pで発生しているデータ系列を確率Qに基づく符号化した際のKullback-Leiblerダイバージェンス\(D_n\)
| \(y_1\) | \(y_2\) | \(x^2\) \(=y_1y_2\) |
\(P(x^2)\) | \(Q(x^2)\) | \(Q'(x^2)\) | \(Q''(x^2)\) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 00 | \(\frac{1}{8}\) | \(\frac{1}{8}\) | \(\frac{1}{2}\) | \(\frac{1}{4}\) |
| 0 | 1 | 01 | \(\frac{1}{8}\) | \(\frac{1}{8}\) | \(\frac{1}{4}\) | \(\frac{1}{4}\) |
| 1 | 0 | 10 | \(\frac{1}{4}\) | \(\frac{1}{4}\) | \(\frac{1}{8}\) | \(\frac{1}{4}\) |
| 1 | 1 | 11 | \(\frac{1}{2}\) | \(\frac{1}{2}\) | \(\frac{1}{8}\) | \(\frac{1}{4}\) |
\(Q(x^2)\)でのダイバージェンス
$$\begin{array}{rcl} D_n(P\parallel Q)&=&E^{n}_{P}\left[\log_2{\frac{P(X^n)}{Q(X^n)}}\right]\\ &=&\displaystyle \sum_{x^2\in\chi^2} P(x^2)\log_2{\frac{P(x^2)}{Q(x^2)}}\\ &=&\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{\frac{1}{8}}{\frac{1}{8}}} +\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{\frac{1}{8}}{\frac{1}{8}}} +\frac{1}{4} \times \log_2{\frac{\frac{1}{4}}{\frac{1}{4}}} +\frac{1}{2} \times \log_2{\frac{\frac{1}{2}}{\frac{1}{2}}}\\ &=&\frac{1}{8} \times \log_2{1} +\frac{1}{8} \times \log_2{1} +\frac{1}{4} \times \log_2{1} +\frac{1}{2} \times \log_2{1}\\ &=&\frac{1}{8} \times 0 +\frac{1}{8} \times 0 +\frac{1}{4} \times 0 +\frac{1}{2} \times 0\\ &=&0+0+0+0\\ &=&0 \end{array}$$\(Q'(x^2)\)でのダイバージェンス
$$\begin{array}{rcl} D_n(P\parallel Q')&=&E^{n}_{P}\left[\log_2{\frac{P(X^n)}{Q'(X^n)}}\right]\\ &=&\displaystyle \sum_{x^2\in\chi^2} P(x^2)\log_2{\frac{P(x^2)}{Q'(x^2)}}\\ &=&\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{\frac{1}{8}}{\frac{1}{2}}} +\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{\frac{1}{8}}{\frac{1}{4}}} +\frac{1}{4} \times \log_2{\frac{\frac{1}{4}}{\frac{1}{8}}} +\frac{1}{2} \times \log_2{\frac{\frac{1}{2}}{\frac{1}{8}}} \\ &=&\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{1}{4}} +\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{1}{2}} +\frac{1}{4} \times \log_2{2} +\frac{1}{2} \times \log_2{4} \\ &=&\frac{1}{8} \times -2 +\frac{1}{8} \times -1 +\frac{1}{4} \times 1 +\frac{1}{2} \times 2 \\ &=&-\frac{1}{4}-\frac{1}{8}+\frac{1}{4}+1\\ &=&\frac{7}{8}=0.875 \end{array}$$\(Q''(x^2)\)でのダイバージェンス
$$\begin{array}{rcl} D_n(P\parallel Q'')&=&E^{n}_{P}\left[\log_2{\frac{P(X^n)}{Q''(X^n)}}\right]\\ &=&\displaystyle \sum_{x^2\in\chi^2} P(x^2)\log_2{\frac{P(x^2)}{Q''(x^2)}}\\ &=&\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{\frac{1}{8}}{\frac{1}{4}}} +\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{\frac{1}{8}}{\frac{1}{4}}} +\frac{1}{4} \times \log_2{\frac{\frac{1}{4}}{\frac{1}{4}}} +\frac{1}{2} \times \log_2{\frac{\frac{1}{2}}{\frac{1}{4}}} \\ &=&\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{1}{2}} +\frac{1}{8} \times \log_2{\frac{1}{2}} +\frac{1}{4} \times \log_2{1} +\frac{1}{2} \times \log_2{2} \\ &=&\frac{1}{8} \times -1 +\frac{1}{8} \times -1 +\frac{1}{4} \times 0 +\frac{1}{2} \times 1 \\ &=&-\frac{1}{8}-\frac{1}{8}+0+\frac{1}{2}\\ &=&\frac{1}{4}=0.25 \end{array}$$
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