问题

在与贝叶斯相关的马尔可夫链蒙特卡洛方法中,为什么可以最大化后验概率?

回答
在马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)方法,尤其是贝叶斯推断的语境下,我们之所以能够“最大化后验概率”,其实是一种对核心目标函数的优化理解,但需要更精确地描述其本质和方法。MCMC 的核心目标并非直接找到后验概率的最大值点(MAP估计),而是对整个后验分布进行采样,从而理解其形状、中心趋势、不确定性等信息。然而,在实践中,MCMC 的采样过程确实与寻找最大值点有联系,并且 MAP 估计是贝叶斯推断中的一个重要概念。

我们先来梳理一下背景,然后深入解释为什么 MCMC 和最大化后验概率之间存在关联,但又要区分开来。

1. 贝叶斯推断与后验概率

在贝叶斯统计中,我们关注的是在观测到数据 $D$ 后,参数 $ heta$ 的后验概率分布 $P( heta | D)$。根据贝叶斯定理,它由先验概率 $P( heta)$ 和似然函数 $P(D | heta)$ 决定:

$$P( heta | D) = frac{P(D | heta) P( heta)}{P(D)}$$

其中,$P(D) = int P(D | heta) P( heta) d heta$ 是边缘似然,它是一个归一化常数。在很多实际问题中,计算 $P(D)$ 是非常困难甚至不可能的。

后验概率 $P( heta | D)$ 包含了我们对参数 $ heta$ 的所有关于不确定性的认识。 我们的目标是理解这个分布,例如计算期望值、方差,或者得到参数的置信区间。

2. MAP 估计:后验概率的最大值点

最大后验概率(Maximum A Posteriori, MAP)估计 是一个点估计,它找到的是后验概率 $P( heta | D)$ 的最大值点。换句话说,MAP 估计器 $hat{ heta}_{MAP}$ 满足:

$$hat{ heta}_{MAP} = arg max_{ heta} P( heta | D)$$

由于 $P(D)$ 是一个常数(对于给定的数据 $D$),最大化 $P( heta | D)$ 等价于最大化 $P(D | heta) P( heta)$。

MAP 估计的意义在于,它找到了在给定数据和先验知识下,最有可能的参数值。 它提供了一个单一的、最具代表性的参数估计。

3. MCMC 的核心目标:对后验分布进行采样

MCMC 的核心目标不是找到后验概率的最大值点,而是从后验分布 $P( heta | D)$ 中抽取一系列的样本 ${ heta^{(1)}, heta^{(2)}, dots, heta^{(N)}}$。一旦我们有了这些样本,我们就可以近似地估计后验分布的各种性质。例如:

期望值: $E[ heta | D] approx frac{1}{N} sum_{i=1}^N heta^{(i)}$
方差: $Var[ heta | D] approx frac{1}{N1} sum_{i=1}^N ( heta^{(i)} E[ heta | D])^2$
分位数(例如中位数): 对样本进行排序后取中间值。
后验密度: 可以通过核密度估计等方法从样本中重构。

MCMC 的优势在于它不需要计算 $P(D)$ 就可以工作。 它通过构造一个转移到平稳分布为目标后验分布的马尔可夫链,然后运行这个链足够长的时间,使其“收敛”到后验分布,并从稳定状态开始收集样本。

4. MCMC 与最大化后验概率的关联:为什么会产生“最大化”的理解?

尽管 MCMC 的目标是采样,但它与 MAP 估计确实存在一些深刻的联系,这可能是产生“MCMC 用于最大化后验概率”这种理解的原因:

MAP 估计作为后验分布的“最可能”区域: MAP 估计点通常位于后验概率密度较高的区域。如果后验分布是单峰的,那么 MAP 估计点就是这个峰值。MCMC 样本在收敛后,也确实会更频繁地出现在后验概率密度高的区域。

一些 MCMC 算法的“隐含”优化行为: 某些 MCMC 算法,例如 MetropolisHastings 算法,在接受提议的样本时,会根据当前样本和提议样本的后验概率比来决定。如果提议的样本具有更高的后验概率(或更优的似然与先验乘积),它更有可能被接受。从这个角度看,算法在“倾向于”移动到后验概率更高的区域。

Gibbs Sampling 的条件分布最大化: 在 Gibbs Sampling 中,我们逐个更新变量,每次更新一个变量 $ heta_i$ 时,我们都是从其条件后验分布 $P( heta_i | heta_{i}, D)$ 中抽取样本,其中 $ heta_{i}$ 是除了 $ heta_i$ 之外的所有参数。如果这个条件后验分布的形状允许(例如,如果我们知道这个分布的众数),我们可以想象一个更新步骤是找到这个条件后验分布的最大值。但请注意,这不是最大化整个后验概率。

MAP 估计作为 MCMC 的一个“特殊案例”或“简化”。 如果我们只需要一个点估计,并且假设后验分布足够“集中”在某个点附近,那么找到后验概率的最大值点(MAP 估计)可能就足够了。然而,MCMC 提供的是更丰富的信息,能够描述参数的不确定性。

5. 关键区别:目标与输出

虽然存在上述联系,但最根本的区别在于目标和输出:

MAP 估计的目标: 找到后验概率的最大值点。
MCMC 的目标: 从后验概率分布中抽取样本,以近似描述整个分布。

MCMC 实际上提供了一个更通用、更强大的工具。 如果我们运行 MCMC 并得到了大量的后验样本,我们可以从这些样本中计算出 MAP 估计(找到后验密度估算最高的点,或者对后验样本的某个统计量取最大值),但这并不是 MCMC 的主要目的。反过来,MAP 估计只能给你一个点,无法告诉你参数的不确定性。

举个例子:

假设我们要估计抛硬币的正面朝上的概率 $ heta$。我们先验假设 $ heta$ 服从 Beta(1,1)(均匀分布)。观测到 10 次抛硬币,其中 7 次正面。

后验分布: $ heta | D sim ext{Beta}(1+7, 1+3) = ext{Beta}(8, 4)$。
后验均值是 $8 / (8+4) = 8/12 = 2/3$。
后验众数(MAP 估计)是 $(81)/(8+42) = 7/10 = 0.7$。
MCMC: 可以使用 Beta 分布的采样器(例如,通过 Gamma 分布的变换)直接生成 Beta(8,4) 的样本。我们得到一大堆 $ heta$ 的值,例如 0.75, 0.68, 0.72, 0.65, 0.70, ...。通过这些样本,我们可以计算出后验均值(近似 2/3),后验中位数,以及 95% 的后验区间(例如,[0.45, 0.90]),这反映了我们对 $ heta$ 的不确定性。

在这个例子中,MAP 估计是 0.7,这是后验分布的峰值。MCMC 采样到的样本也会集中在 0.7 附近,但也会包含比 0.7 更大或更小的合理值,从而勾勒出整个分布的轮廓。

总结来说,MCMC 并非为了“最大化”后验概率而设计,而是为了“描绘”后验概率。 然而,由于 MAP 估计是后验分布的一个重要特征(它代表了最可能的参数值),并且 MCMC 算法在移动过程中确实会倾向于高概率区域,所以存在一种间接的联系。理解这一点至关重要:MCMC 的威力在于它提供了对整个后验分布的理解,而不仅仅是一个点估计。 即使我们想得到 MAP 估计,通常也有更直接、更高效的优化方法(例如,基于梯度的优化),而 MCMC 的成本更高,因为它需要生成大量样本来逼近一个分布。

网友意见

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这篇回答节选自我在专栏《机器学习中的数学:概率统计》中的文章。在这篇文章中,我们通过全面细致的分析MCMC全过程的原理,帮助大家深入理解接受概率。

也欢迎关注我的知乎账号 @石溪 ,将持续发布机器学习数学基础及Python数据分析编程应用等方面的精彩内容。

1.问题的目标

这里我们要一举解决最核心的关键问题:对于任意给定的目标分布 ,我们如何找到以他为唯一平稳分布的马尔科夫链,并且基于马尔科夫链采样的方法,实现对其的近似采样。

找这么一个马尔科夫链,本质上就是要找到他的转移概率矩阵 ,那么首先先确立一个思考路径:有没有什么条件,使得只要我们的转移矩阵 满足了,就意味着目标分布 就是转移矩阵 对应的马尔科夫链的平稳分布呢?

还真有这么一个条件,这个条件就是马尔科夫链的细致平稳条件。

2.平稳分布判定:细致平稳条件

设有马尔科夫链 ,状态空间为 ,转移概率矩阵为 ,以及我们关注的状态分布 ,对于任意状态 ,任意时刻 都满足: ,则称状态分布 满足马尔科夫链的细致平衡条件,该状态分布 就是马尔科夫链 的平稳分布。

我们提前说一下,在这个过程中我们可以把马尔科夫链状态转移概率 按照需要简写成 或 ,表达的都是同一个意思。

看得出,细致平稳条件是一个充分条件,这个条件很强,只要满足了他,就相当于找到了我们要的马尔科夫链。我们来证明一下,很简单:

如果 ,

我们同时对两边的等式求和: ,显然也是成立的。

观察等式的右边, 的取值是独立于参数 的,可以提出来: ,同时依据马尔科夫状态转移矩阵的归一性,可知: ,因此归结起来就有:

到了这一步,其实已经证明结束了,不过可能还有同学没有明白,那我就最后画一张图来彻底点破:

从图中可以知道,对于每一个 的具体取值:

的计算过程实际上就是一次状态分布(行向量)与状态转移矩阵第 列(列向量)点乘的过程,得到的是一个数值,值恰好是状态分布(行向量)的第 个元素,那么如果让 取遍每一个索引值,那么最终得到的就是

, , ,...,

用一个式子综合起来就是:

这不正是平稳分布的定义式嘛,这正说明了,满足细致平稳条件的目标分布 就是以矩阵 为状态转移矩阵的马尔科夫链的平稳分布。

并且如果此时这个转移概率矩阵对应的马尔科夫链满足不可约、非周期和正常返,那么进一步说明该状态分布 是马尔科夫链的唯一平稳分布。当然如果找到了这个转移矩阵 ,一般而言都是满足这个条件的。

因此,一旦找到了状态转移矩阵,就确定了马尔科夫链。

可是问题来了,感觉还是很难找到这个矩阵啊,例如,我们随便找一个状态转移矩阵 ,一般是无法满足细致平稳条件的,即: ,注意这里我们把 写作 ,是一个意思,这是为了我们后面公式中的写法统一。

同时也把离散型和连续型的马尔科夫链都统一了起来。对于 ,离散型马尔科夫链时,我们称之为转移概率,连续型马尔科夫链我们称之为转移概率密度,或称转移核,本质上是一回事儿,可以类比pmf和pdf的区别和联系。

为了让这个等式能够相等,满足细致平稳条件,我们给他加点料,不是 不相等吗?下面我们让他两边相等,我们来介绍Metropolis-Hastings采样方法具体是怎么做的。

3.Metropolis-Hastings采样方法

在这个采样方法中,针对每一个转移概率 ,我们再定义一个接受概率 ,使得每一个我们最终要构造的状态转移矩阵中的每一项 都是 和 相乘的结果:

即目标马尔科夫矩阵的状态转移矩阵中的每一项都满足:

在建议马尔科夫链中,从状态 转移到状态 的概率是 ,而在目标马尔科夫链中,从状态 到状态 的转移概率是 ,很显然, 表示一个接受概率,他满足 ,那么相比于建议马尔科夫链,在目标马尔科夫链中,从状态 到状态 的转移概率都减小了,但是同时我们知道,马尔科夫链的概率转移矩阵要满足 ,所有的 都减小了,那总有一个要增大?谁增大呢,显然是 增大了。

我们的目标也是借力打力,试想我们要找的目标是状态转移概率矩阵 ,他的唯一稳态是目标分布 ,我们参考上一节接受-拒绝采样方法的思想精髓:既然这个 矩阵难找,我们能不能也找一个所谓的“建议矩阵” ,这个 满足任意性,这样我们就能够利用一个明确的、便于随机游走的另一个马尔科夫链,基于转移概率的建议矩阵 中的每一个具体项 和接受概率 来共同决定最终从状态 到状态 的状态转移概率,以达到如下效果:

第一:最终的状态转移概率 就是我们目标马尔科夫链上状态 到状态 的状态转移概率?也就是说 ?

第二:通过上述方式得到的 满足细致平稳条件,使得目标分布 恰是矩阵 对应的唯一平稳分布?

换句话说,原本要找一个状态转移概率 ,满足细致平稳条件:

而现在则是在建议转移概率矩阵 可以任选的前提下,找到一个接受概率 ,替换掉 ,满足下面的等式成立:

对于任意给定的建议转移概率矩阵 ,这个接受概率 都一定存在吗?问题最终就卡在了这。然后幸运的是,这个答案是:一定存在。马尔科夫链蒙特卡洛方法中的Metropolis-Hastings采样中明确了接受概率 的表达式:

也就是说我们任选一个建议矩阵 ,那么由这个矩阵的每一项和对应的接受概率相乘:

,用这所有相乘得到的结果所对应构成的新矩阵,就是以目标分布 为唯一稳态分布的马尔科夫链的转移概率矩阵 。

4.M-H采样方法的严格证明

这听起来有点神乎其神啊,是这么回事儿吗?我们怎么证明这一点?很简单,只要证明细致平稳条件 成立即可

那么在实际采样操作中,这个如何体现?

显然,分两种情况:

当 ,即 时,有: ,

当 ,即 时,有:

归结起来就是:

当 时,

当 时,

有了这个等式,我们再来推导 是否满足细致平稳条件:

到了这里,回顾一下我们的初心,我们的目标是证明细致平稳条件 ,而此时,我们已经推导出了:

那么接下来,我们只要说明:

,再化简一点,就是证明:

这个等式成立

我们把之前的等式关系摆在这里,方便我们推导:

当 时,

当 时,

由于 和 是任意的参数,把 写作 ,把 写作 就有:

当 时,

当 时,

对于 这个待证明的等式,我们还是分情况讨论:

当 时,我们则需要证明 ,此时对上了第一种情况,即 成立。

当 时,我们则需要证明 ,此时对上了第二种情况, 也是成立的。

那么,这就说明了任选一个建议马尔科夫链概率转移矩阵 ,配合接受概率 , 和目标分布 是满足细致平稳条件的。

5.如何理解随机游走叠加接受概率

那么接下来就是具体操作了,怎么理解,或者说怎么实现基于 矩阵的马尔科夫链随机游走同时再叠加一个接受概率 呢?

再说细致一点,我们就讨论从任意状态 向任意状态 进行状态转移的过程及状态转移概率,单纯基于 矩阵,状态 向每一个其他状态 的概率是 ,其中 ,如何叠加新的接受概率 ?

打个比方,比如有3个状态, , , , , , ,依照随机游走的过程,当以 的概率选择往状态$2$转移时,还要最后面临一道考验:在此基础上,此时以0.8的概率真正选择转移到状态2,以1-0.8=0.2的概率选择“半途而废”回到原状态1,这两个动作叠加起来,就是在我们 进行随机游走的过程。如图所示,我们在途中只看状态1到状态2和状态3转移的局部过程:



在目标马尔科夫链的转移概率矩阵 中:

同时验证: ,满足归一性。

6.接受-拒绝过程的设计

那么在随机游走的过程中,怎么模拟这个接受-拒绝的过程呢?假设我们目前处于状态 ,那就当我们已经按照转移概率矩阵 ,依概率决定要转移到状态 时,增加最后一步:生成一个满足 之间均匀分布的随机数 ,如果 ,则决定随机游走的下一个状态是 ,否则下一个状态仍然是 。

还记得我们上一讲当中模拟概率的技巧吗?我们先生成一个 之间满足均匀分布的随机数 ,如果 ,则决定接受,否则就拒绝。

7.建议转移概率矩阵 的设计

最后一个问题就是我们应该构建一个怎么样的建议转移概率矩阵 ?其实这个矩阵 选取的原则很简单:

第一是:必须要满足马尔科夫概率转移矩阵的归一性,即 。

第二是:获取 时刻的采样点 后,依概率选取 时刻的采样点 的过程简单易行,方便用计算机模拟。

下面我们来解决这个问题:或者说当前处在某个特定的采样点 ,我们如何决定下一个随机游走的采样点 ?我们可以看做,状态空间 中的采样值 和 分别对应了状态 和状态 ,那么从 时刻的采样点 转移到 时刻的采样点 的概率值就是存放在矩阵 位置上,以此类推构造出整个矩阵 。

其中一种比较好的定义方法是:

这是什么意思?他指的是从 时刻的某个指定采样点 转移到 时刻的指定采样点 的概率等于在均值为 ,方差为1的整体分布中取得 的概率值,感觉其实应该写成pdf的,因为正态分布是一个连续型的分布,但是这里因为是计算机采样,实际上我们已经把包括目标分布以及这里的正态分布都给离散化了,所以写成pmf更符合实际操作的需要。

那么这么构造的转移概率矩阵 行不行,好不好呢?

首先:行不行?

,也就是整个正态分布概率密度曲线上(这里严格说是离散化后的分布列)所有的取值点的概率求和,显然等于1,满足归一化的要求,因此可行性满足了。如下图所示:

这幅图就是离散化的以 为均值,1为方差的正态分布图,红色的竖线就是 的取值,而黑色的竖线就是示意的几个 的概率取值,我们将建议转移概率矩阵 的 ,也就是 定义为了这个离散化的以 为均值,1为方差的正态分布中 的取值概率,那么由于所有的 的取值概率之和为1,因此就有了: ,这样就彻底说明了上面的观点。

第二:好不好?

如果当前处于采样点 ,依概率 决定下一个采样点 ,难不难?太容易了,这不就是基于 的正态分布模型进行一次采样吗?这样采出的点就是依概率 的新采样点。利用程序在一个正态分布中采样,想想我们都做过多少遍了?

第三:意外之喜。

如下图所示,我们发现,依据正态分布曲线关于均值 对称,因此对于任意两个 和 ,均值为 ,方差为1的正态分布在 处的概率值和均值为 ,方差为1的正态分布在 处的概率值显然是相等的,即:

,即相当于 ,那么接受概率的表达式 就可以化简为 。

8.步骤和演示

好的,最后我们来归纳一下马尔科夫链蒙特卡洛方法中metropolis-Hastings采样的步骤,并实际用python进行演示:

对于目标采样分布 :

第一步:随机选定一个起始点 ,指定燃烧期 和稳定期 。

第二步:开始采样,每一轮采样都以上一轮的采样值 为均值,方差为1,生成一个正态分布,然后在这个正态分布中依概率随机选取一个值 。

第三步:在 的均匀分布中随机生成一个数 ,并指定接收概率 ,如果 ,则本轮新的采样值为 ,否则本轮新的采样值仍为上一轮的 。

重复第二步~第三步采样过程 次,结束后,保留后 次采样结果作为目标分布的近似采样。

我们还是对之前使用过的目标分布: 进行采样,燃烧期采样个数设定为 ,最终实际保留的有效采样点的个数为 。

代码片段:

       import random from scipy.stats import norm import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np import seaborn seaborn.set()  # 目标采样分布pi def pi(x):     return (0.3 * np.exp(-(x - 0.3) ** 2) + 0.7 * np.exp(-(x - 2.) ** 2 / 0.3)) / 1.2113   m = 10000  # 燃烧期样本数 N = 100000  # 实际保留的有效样本数 sample = [0 for i in range(m + N)]  # 采样数组  sample[0] = 2  # 任选一个起始点,选择默认的0也可以,效果一样 # 基于接受概率,在建议马尔科夫链上随机游走采样 for t in range(1, m + N):     x = sample[t - 1]     x_star = norm.rvs(loc=x, scale=1, size=1)[0]  # 生成下一时刻随机游走的点x*     alpha = min(1, (pi(x_star) / pi(x)))  # 接受概率          u = random.uniform(0, 1)  # 生成满足0~1之间均匀分布的随机数     if u < alpha:  # 接受-拒绝的过程         sample[t] = x_star     else:         sample[t] = x  x = np.arange(-2, 4, 0.01) plt.plot(x, pi(x), color='r')  # 实际目标分布 plt.hist(sample[m:], bins=100, normed=True, color='b', edgecolor='k', alpha=0.6)  # 实际分布的近似采样 plt.show()     

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