R语言混合正态分布极大似然估计和EM算法

为了在统计过程中发现更多有趣的结果,我们将解决极大似然估计没有简单分析表达式的情况。

由Kaizong Ye,Coin Ge撰写

举例来说,如果我们混合了各种分布,

作为说明,我们可以使用样例数据

 
> X=height

第一步是编写混合分布的对数似然函数


> logL=function(theta){
+ p=theta[1]
+ m1=theta[2]
+ s1=theta[3]
+ m2=theta[4]
+ s2=theta[5]
+ logL=-sum(log(p*dnorm(X,m1,s1)+(1-p)*dnorm(X,m2,s2)))
+ return(logL)
+ }

极大似然性的最简单函数如下(从一组初始参数开始,只是为了获得梯度下降的起点)

> optim(c(.5,160,1,180,1 ,logL  >  theta=opt$par)
[1] 0.5987635 165.2547700 5.9410993 178.4856961 6.3547038

因为我们可以通过使用约束优化算法来做到“更好”,例如,概率一定在0到1之间。


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为了可视化估计的密度,我们使用

> hist(X,col="light green probability=TRUE)
> lines(density(X )

另一个解决方案是使用EM算法。我们将从参数的初始值开始,并比较属于每个类的机会

 > p=p1/(p1+p2)

从属于每个类别的这些概率中,我们将估算两个正态分布的参数。使用极大似然

> m1=sum(p*X)/sum(p)
 
+ logL=-sum(log(p*dnorm(X,m1,s1)+(1-p)*dnorm(X,m2,s2)))
+ return(logL)

这个想法实际上是有一个循环的:我们估计属于这些类的概率(考虑到正态分布的参数),一旦有了这些概率,就可以重新估计参数。然后我们再次开始


 
> for(s in 1:100){
 
+ p=p1/(p1+p2)
 
+ s1=sqrt(sum(p*(X-m1)^2)/sum(p))
+ s2=sqrt(sum((1-p)*(X-m2)^2)/sum(1-p))
 
+ }

然后,我们恢复混合分布的“最佳”参数

> hist(X,col="light green",probability=TRUE)
> lines(density(X))

这相对接近我们的估计。


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关于作者

Kaizong Ye拓端研究室(TRL)的研究员。

本文借鉴了作者最近为《R语言数据分析挖掘必知必会 》课堂做的准备。

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