Fisher度量与相对熵之间的联系


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有人能以纯粹的数学严格方式证明 Fisher信息量度与相对熵(或KL散度)之间的以下联系吗?

D(p(⋅,a+da)∥p(⋅,a))=12gi,jdaidaj+(O(‖da‖3)
其中a=(a1,…,an),da=(da1,…,dan),
gi,j=∫∂i(log⁡p(x;a))∂j(log⁡p(x;a)) p(x;a) dx
和gi,jdaidaj:=∑i,jgi,jdaidaj是爱因斯坦求和约定。

我在John Baez的漂亮博客中找到了上述内容,Vasileios Anagnostopoulos在评论中谈到了这一点。


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亲爱的库玛拉:澄清一下,这将有助于更好地解释您的表示法,尤其是g_ {i,j}的含义gi,j。另外,我认为您的表达式在显示方程式右侧的第一项前面缺少1/2的常数1/2。注意,Kullback自己称为散度(使用符号J(⋅,⋅))是所谓的KL散度的对称形式,即J(p,q)=D(p‖q)+D(q‖p)。在Kullback的著作中, KL散度记为I(\ cdot,\ cdot)I(⋅,⋅)。这也解释了1/2的因数1/2。干杯。
— 红衣主教

Answers:


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1946年,地球物理学家和贝叶斯统计学家Harold Jeffreys介绍了我们今天称为Kullback-Leibler散度的方法,发现对于两个“无限接近”的分布(希望数学SE的人看不到这一点;-),我们可以编写它们的Kullback-Leibler散度为二次形式,其系数由Fisher信息矩阵的元素给定。他将这种二次形式解释为黎曼流形长度的元素,费舍尔信息起着黎曼度量的作用。通过统计模型的这种几何化,他推导出了Jeffreys的先验信息,它是由黎曼度量自然诱发的度量,尽管一般而言,它不是有限度量,但该度量可以解释为流形上的内在均匀分布。

要编写严格的证明,您需要找出所有正则条件,并注意泰勒展开式中误差项的顺序。这是论点的简要概述。

两个密度和之间对称的Kullback-Leibler散度定义为fg

D[f,g]=∫(f(x)−g(x))log⁡(f(x)g(x))dx.

如果我们有一组由参数化的密度,则θ=(θ1,…,θk)

D[p(⋅∣θ),p(⋅∣θ+Δθ)]=∫(p(x,∣θ)−p(x∣θ+Δθ))log⁡(p(x∣θ)p(x∣θ+Δθ))dx,
其中。引入符号 一些简单的代数给出 使用泰勒展开式的自然对数,我们有 Δθ=(Δθ1,…,Δθk)
Δp(x∣θ)=p(x∣θ)−p(x∣θ+Δθ),
D[p(⋅∣θ),p(⋅∣θ+Δθ)]=∫Δp(x∣θ)p(x∣θ)log⁡(1+Δp(x∣θ)p(x∣θ))p(x∣θ)dx.
log⁡(1+Δp(x∣θ)p(x∣θ))≈Δp(x∣θ)p(x∣θ),
因此 但是 因此 其中
D[p(⋅∣θ),p(⋅∣θ+Δθ)]≈∫(Δp(x∣θ)p(x∣θ))2p(x∣θ)dx.
Δp(x∣θ)p(x∣θ)≈1p(x∣θ)∑i=1k∂p(x∣θ)∂θiΔθi=∑i=1k∂log⁡p(x∣θ)∂θiΔθi.
D[p(⋅∣θ),p(⋅∣θ+Δθ)]≈∑i,j=1kgijΔθiΔθj,
gij=∫∂log⁡p(x∣θ)∂θi∂log⁡p(x∣θ)∂θjp(x∣θ)dx.

这是原始文件:

杰弗里斯(1946)。估计问题中先验概率的不变形式。程序 皇家社会。伦敦,A系列,186,453–461。


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非常感谢您的出色写作。这将是很好,如果你可以帮助这个为好。
— 库马拉

是的,你说得对。我必须走出这个“抽象陷阱”。
— 库马拉

@zen您在积分下使用对数的泰勒展开式,为什么这样有效?
— Sus20200 '16

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从对称的KL散度开始,而不是标准KL散度,这似乎至关重要。维基百科文章没有提及对称版本,因此可能不正确。en.wikipedia.org/wiki/Kullback%E2%80%93Leibler_divergence
— Surgical Commander

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常规(非对称)KL散度的证明

Zen的答案使用对称的KL散度,但结果也适用于通常的形式,因为它对于无限相似的紧密分布变得对称。

这是由标量参数化的离散分布的证明(因为我很懒),但是可以很容易地将其重写为连续分布或参数向量:θ

D(pθ,pθ+dθ)=∑pθlog⁡pθ−∑pθlog⁡pθ+dθ .
泰勒展开最后一项: 假设一些规律性,我使用了两个结果:
=∑pθlog⁡pθ−∑pθlog⁡pθ⏟= 0−dθ∑pθddθlog⁡pθ⏟= 0 †−12dθ2∑pθd2dθ2log⁡pθ⏟=−∑pθ(ddθlog⁡pθ)2 ‡+O(dθ3)=12dθ2∑pθ(ddθlog⁡pθ)2⏟Fisher information+O(dθ3).
†:∑pθddθlog⁡pθ=∑ddθpθ=ddθ∑pθ=0,

‡:∑pθd2dθ2log⁡pθ=∑pθddθ(1pθdpθdθ)=∑pθ[1pθd2pθdθ−(1pθdpθdθ)2]=∑d2pθdθ2−∑pθ(1pθdpθdθ)2=d2dθ2∑pθ⏟= 0−∑pθ(ddθlog⁡pθ)2.

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您可以在以下论文的方程式(3)中找到类似的关系(对于一维参数)

D. Guo(2009),相对熵和得分函数:通过任意加性扰动产生的新的信息-估计关系,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,90:4877-77。IEEE信息理论国际研讨会,814–818。(稳定链接)。

作者指的是

S. Kullback,信息理论与统计学。纽约:多佛,1968年。

为了证明这一结果。


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该论文的等式(3)的多元版本已在第27-28页引用的Kullback文本中得到证明。OP的问题似乎丢失了常数。:)1/2
— 红衣主教
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