EM算法练习题

这是期中考试的练习题。问题是一个EM算法示例。我在（f）部分遇到了麻烦。我列出了要完成的部分（a）-（e），以防万一我之前弄错了。

令是速率为独立指数随机变量。不幸的是，没有观察到实际的值，我们仅观察值是否落在特定间隔内。令，和 对于。观察到的数据由。$X_1,\ldots,X_n$$\theta$$X$$X$$G_{1j} = \mathbb{1}\left\{X_j < 1\right\}$$G_{2j} = \mathbb{1}\left\{1< X_j<2\right\}$$G_{3j} = \mathbb{1}\left\{X_j > 2\right\}$$j=1,\ldots,n$$(G_{1j},G_{2j},G_{3j})$

（a）给出观察到的数据可能性：

$\begin{align*} L(\theta | G) &= \prod_{j=1}^n \text{Pr}\left\{X_j < 1\right\}^{G_{1j}}\text{Pr}\left\{1<X_j<2 \right\}^{G_{2j}}\text{Pr}\left\{X_j >2\right\}^{G_{3j}}\\ &= \prod_{j=1}^n \left(1-e^{-\theta}\right)^{G_{1j}}\left(e^{-\theta}-e^{-2\theta}\right)^{G_{2j}}\left(e^{-2\theta}\right)^{G_{3j}} \end{align*}$

（b）给出完整的数据可能性

$\begin{align*} L(\theta | X,G) &= \prod_{j=1}^n \left(\theta e^{-\theta x_j}\right)^{G_{1j}}\left(\theta e^{-\theta x_j}\right)^{G_{2j}}\left(\theta e^{-\theta x_j}\right)^{G_{3j}} \end{align*}$

（c）推导潜在变量的预测密度$f(x_j|G,\theta)$

$\begin{align*} f(x_j|G,\theta) &= \dfrac{f_{X,G}(x_j, g)}{f_G(g)}\\ &= \dfrac{ \theta e^{-\theta x_j}\mathbb{1}\left\{x_j \in \text{region r s.t. } G_{rj}=1\right\}}{\left(1-e^{-\theta}\right)^{g_{1j}}\left(e^{-\theta}-e^{-2\theta}\right)^{g_{2j}}\left(e^{-2\theta}\right)^{g_{3j}}} \end{align*}$

（d）电子步。给出函数$Q(\theta,\theta^i)$

$\begin{align*} Q(\theta,\theta^i) &= \text{E}_{X|G,\theta^i}\left[ \log{f(\mathbf{x}|G,\theta)}\right]\\ &= n\log{\theta} - \theta\sum_{j=1}^n\text{E}\left[X_j|G,\theta^i\right] - N_1\log{(1-e^{-\theta})} - N_2\log{(e^{-\theta}-e^{-2\theta})} - N_3\log{e^{-2\theta}}\\ &= n\log{\theta} - \theta\sum_{j=1}^n\text{E}\left[X_j|G,\theta^i\right] - N_1\log{(1-e^{-\theta})} - N_2\log{(e^{-\theta}(1-e^{-\theta}))} + 2\theta N_3\\ &= n\log{\theta} - \theta\sum_{j=1}^n\text{E}\left[X_j|G,\theta^i\right] - N_1\log{(1-e^{-\theta})} + \theta N_2 -N_2\log{(1-e^{-\theta})} + 2\theta N_3 \end{align*}$

其中$N_1=\sum_{j=1}^n g_{1j}, N_2=\sum_{j=1}^n g_{2j}, N_3=\sum_{j=1}^n g_{3j}$

（E）给出表达式对于。$\text{E}\left[X_j|G_{rj}=1,\theta^i\right]$$r=1,2,3$

我将列出我非常确定是正确的结果，但是对于这个已经迫在眉睫的问题，推导将有些长：

$\begin{align*} \text{E}\left[X_j|G_{1j}=1,\theta^i\right] &= \left(\dfrac{1}{1-e^{-\theta^i}}\right)\left(\dfrac{1}{\theta^i}-e^{-\theta^i}(1+1/\theta^i)\right)\\ \text{E}\left[X_j|G_{2j}=1,\theta^i\right] &= \left(\dfrac{1}{e^{-\theta^i}-e^{-2\theta^i}}\right)\left(e^{-\theta^i}(1+1/\theta^i)-e^{-2\theta^i}(2+1/\theta^i)\right)\\ \text{E}\left[X_j|G_{3j}=1,\theta^i\right] &= \left(\dfrac{1}{e^{-2\theta^i}}\right)\left(e^{-2\theta^i}(2+1/\theta^i)\right) \end{align*}$

这是我坚持的部分，可能是由于先前的错误：

（f）M步。找到最大化$\theta$$Q(\theta,\theta^i)$

根据总期望定律，我们有 THEREFOR$\begin{align*} \text{E}\left[X_j|G,\theta^i\right] &= \left(\dfrac{1}{\theta^i}-e^{-\theta^i}(1+1/\theta^i)\right) + \left(e^{-\theta^i}(1+1/\theta^i)-e^{-2\theta^i}(2+1/\theta^i)\right) + \left(e^{-2\theta^i}(2+1/\theta^i)\right)\\ &= 1/\theta^i \end{align*}$

$\begin{align*} Q(\theta,\theta^i) &= n\log{\theta} - \theta\sum_{j=1}^n\text{E}\left[X_j|G,\theta^i\right] - N_1\log{(1-e^{-\theta})} + \theta N_2 -N_2\log{(1-e^{-\theta})} + 2\theta N_3\\ &= n\log{\theta} - \theta\dfrac{n}{\theta^i} - N_1\log{(1-e^{-\theta})} + \theta N_2 -N_2\log{(1-e^{-\theta})} + 2\theta N_3\\ \dfrac{\partial Q(\theta,\theta^i)}{\partial \theta} &= \dfrac{n}{\theta} - \dfrac{n}{\theta^i} - \dfrac{(N_1+N_2)e^{-\theta}}{1-e^{-\theta}} + N_2+2N_3 \end{align*}$

接下来，我应该将此值设置为零并求解，但是我已经尝试了很长时间，而且似乎无法求解！$\theta$$\theta$

完整的数据可能性不应该包含G！它应该简单地的可能性当的是指数。请注意，您编写的完整数据似然度简化为指数似然度，因为只有一个可以为1。但是，将保留为完整数据似然度，会在以后给您带来混乱。 $\theta$$X$$G_{rj}$$G$

在（d）部分中，应该考虑完整数据记录似然性的期望，而不是观察到的数据记录似然性的期望。

另外，您不应该使用总期望法则！回想一下，观察到G且它不是随机的，因此您应该仅对每个执行那些条件式期望之一。只需用术语代替此条件期望，然后执行M步。$X_j$$X_j^{(i)}$

基于@jsk的评论，我将尝试纠正我的错误：

$\begin{align*} L(\theta|X,G) &= \prod_{j=1}^n \theta e^{-\theta x_j} \end{align*}$

$\begin{align*} Q(\theta,\theta^i) &= n\log{\theta} - \theta\sum_{j=1}^n \text{E}\left[X_j|G,\theta^i\right]\\ &= n\log{\theta} - \theta\left(\dfrac{\sum_{j=1}^n g_{1j}}{1-e^{-\theta^i}}\right)\left(\dfrac{1}{\theta^i} - e^{-\theta^i}(1+1/\theta^i)\right) - \theta\left(\dfrac{\sum_{j=1}^n g_{2j}}{e^{-\theta^i}(1-e^{-\theta^i})}\right)\left(e^{-\theta^i}(1+1/\theta^i)-e^{-2\theta^i}(2+1/\theta^i)\right) - \theta\left(\dfrac{\sum_{j=1}^n g_{3j}}{e^{-2\theta^i}}\right)\left(e^{-2\theta^i}(2+1/\theta^i)\right)\\ &= n\log{\theta} - \theta N_1 A - \theta N_2 B - \theta N_3 C\\ \dfrac{\partial Q(\theta,\theta^i)}{\partial \theta} &= \dfrac{n}{\theta} - N_1A-N_2B - N_3C \overset{set}{=}0 \end{align*}$

求解我们得到$\theta$$\theta^{(i+1)} = \dfrac{n}{N_1A+N_2B+N_3C}$