用蒙特卡洛估计Kullback Leibler(KL)的散度


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我想估计两个连续分布f和g之间的KL散度。但是,我无法写下f或g的密度。我可以通过某种方法(例如,马尔可夫链蒙特卡洛)从f和g中采样。

从f到g的KL散度定义如下

dķ大号(F||G)=∫-∞∞F(X)日志⁡(F(X)G(X))dX

这是关于f 的期望,因此您可以想象一些蒙特卡洛估计日志⁡(F(X)G(X))

1个ñ∑一世ñ日志⁡(F(X一世)G(X一世))

其中i索引从f提取的N个样本(即,对于i = 1,...,N,X一世〜F())

但是,由于我不知道f()和g(),因此甚至无法使用此蒙特卡洛估计。在这种情况下估算KL的标准方法是什么?

编辑:我不知道f()或g()的非归一化密度


您是否考虑过使用ecdfs?
— 托比,

这会起作用,但是对于f和g的艰难选择(靠近或靠近尾巴),它可能会变慢。如果您决定忽略远离尾巴的样本,则可能会对roc的上限有更多的希望。
— 克里斯蒂安·查普曼

Answers:


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我假设您可以将和评估为归一化常数。表示和。g f (x )= f u(x )/ c f g (x )= g u(x )/ c gfgf(x)=fu(x)/cfg(x)=gu(x)/cg

可以使用的一致估计量为 其中 是比率的重要性采样估计量。在这里,您使用和作为器乐密度和分别与目标非标准化密度的对数比。 - [R = 1 / Ñ

DKL^(f||g)=[n−1∑jfu(xj)/πf(xj)]−11N∑iN[log⁡(fu(zi)gu(zi))fu(zi)πr(zi)]−log⁡(r^)
Ç˚F/ç克π˚Fπ克˚Fü克ùπř
(1)r^=1/n1/ñ∑ĴFü(XĴ)/πF(XĴ)∑ĴGü(ÿĴ)/πG(ÿĴ)。
cf/cGπFπGfügüπ[R

因此,让,和。(1)的分子收敛到。分母收敛到。该比率通过连续映射定理是一致的。通过再次连续映射,比率的对数是一致的。 { ÿ 我 } 〜π 克 { ž 我 } 〜π [R Ç ˚F Ç 克{X一世}〜πF{ÿ一世}〜πG{ž一世}〜π[RcFCG

关于估算器的另一部分, 由大数定律决定。

1个ñ∑一世ñ[日志⁡(Fü(ž一世)Gü(ž一世))Fü(ž一世)π[R(ž一世)]→如CFË[日志⁡(Fü(ž一世)Gü(ž一世))]

我的动机如下:

dķ大号(F||G)=∫-∞∞F(X)日志⁡(F(X)G(X))dX=∫-∞∞F(X){日志⁡[Fü(X)Gü(X)]+日志⁡[CGCF]}dX=ËF[日志⁡Fü(X)Gü(X)]+日志⁡[CGCF]=CF-1个Ëπ[R[日志⁡Fü(X)Gü(X)Fü(X)π[R(X)]+日志⁡[CGCF]。
因此,我将其分解为易处理的部分。

有关如何模拟似然比的更多想法,我发现了一篇包含以下内容的论文:https ://projecteuclid.org/download/pdf_1/euclid.aos/1031594732


(+1)在这里值得注意的是,如果目标分布的尾部比您从中采样的分布更胖和/或维数全部很大,​​则重要性采样可以具有极高的方差(甚至是无限方差)。
— 戴维·哈里斯

@ DavidJ.Harris非常非常对
— Taylor

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在这里,我假设您只能从模型中采样;未归一化的密度函数不可用。

你写的

dķ大号(F||G)=∫-∞∞F(X)日志⁡(F(X)G(X)⏟=:[R)dX,

在这里我将概率比定义为。Alex Smola写道,尽管在不同的上下文中,您可以通过训练分类器来“轻松”地估算这些比率。让我们假设您获得了一个分类器,它可以告诉您观察值由生成的可能性。请注意,。然后:p (f | x )x f p (g | x )= 1 − p (f | x )[Rp(F|X)XFp(G|X)=1个-p(F|X)

[R=p(X|F)p(X|G)=p(F|X)p(X)p(G)p(G|X)p(X)p(F)=p(F|X)p(G|X),

其中第一步归因于贝叶斯,而最后一步遵循的假设。p(G)=p(F)

获得这样的分类器可能很容易,原因有两个。

首先,您可以进行随机更新。这意味着,如果您使用的是Logistic回归或神经网络常用的基于梯度的优化器,则只需从和中提取一个样本并进行更新即可。FG

其次,由于您实际上拥有无限的数据-您只需采样和即可死亡-您不必担心过度拟合等问题。FG


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除了@bayerj提到的概率分类器方法外,您还可以使用在[1-2]中得出的KL散度的下限:

ķ大号[F‖G]≥SUPŤ{ËX〜F[Ť(X)]-ËX〜G[经验值⁡(Ť(X)-1个)]},
其中是任意的功能。在某些温和的条件下,边界对于以下条件是紧的: Ť:X→[R
Ť(X)=1个+ln⁡[F(X)G(X)]

为了估计和之间的KL散度,我们将函数的下界wrt最大化。FGŤ(X)

参考文献:

[1] Nguyen,X.,Wainwright,MJ和密歇根州乔丹,2010。通过凸风险最小化估计散度函数和似然比。IEEE Transactions on Information Theory,56(11),第5847-5861页。

[2] Nowozin,S.,Cseke,B.和Tomioka,R.,2016年。f-gan:使用变分散度最小化训练生成型神经采样器。神经信息处理系统的进展(第271-279页)。

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