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文档简介
16.0SomeFundamentalPrinciples:EMAlgorithmEM算法的一些基本原理
数字语音处理概论IntroductiontoDigitalSpeechProcessingReferences:1.4.3.2,4.4.2ofHuang,or9.1-9.3ofJelinek2.6.4.3ofRabinerandJuang3.http://www.stanford.edu/class/cs229/materials.html4./people/bilmes/mypapers/em.pdf5./2785880/A_note_on_EM_algorithm_for_probabilistic_latent_semantic_analysisEM(ExpectationandMaximization)Algorithm
Goal
estimatingtheparametersforsomeprobabilisticmodelsbasedonsomecriteriaParameterEstimationPrinciplesgivensomeobservations
X=[x1,x2,……,xN]:MaximumLikelihood(ML)Principle
findthemodelparameterset
suchthatthelikelihoodfunctionismaximized,P(X|
)=max.Forexample,if
={,}istheparametersofanormaldistribution,andXisi.i.d,thentheMLestimateof
={,}canbeshowntobe
theMaximumAPosteriori(MAP)PrincipleFindthemodelparameter
sothattheAPosteriorprobabilityismaximized
i.e.P(
|X)=P(X|
)P(
)/P(X)=max
P(X|
)P(
)=maxParameterEstimation
EM(ExpectationandMaximization)AlgorithmWhyEM?Insomecasestheevaluationoftheobjectivefunction(e.g.likelihoodfunction)dependsonsomeintermediatevariables(latentdata)whicharenotobservable(e.g.
thestatesequence
forHMMparametertraining)directestimationofthedesiredparameterswithoutsuchlatentdataisimpossibleordifficult
e.g.toestimate{A,B,
}forHMMwithoutknowingthestatesequence
EM(ExpectationandMaximization)AlgorithmIteractiveProcedurewithTwoStepsinEachIteration:E(Expectation):expectationoftheobjectivefunctionwithrespecttoadistribution(valuesandprobabilities)ofthelatentdatabasedonthecurrentestimatesofthedesiredparametersconditionedonthegivenobservationsM(Maximization):generatinganewsetofestimatesofthedesiredparametersbymaximizingtheobjectivefunction(e.g.accordingtoMLorMAP)theobjectivefunctionincreasedaftereachiteration,eventuallyconvergedX:availabledata
(k):k-thestimateoftheparameterset
z:latentdataP(X|):objectivefunction(X,
(k))Pz(k)(z|X,
(k))Ez(k)[P(X|
)]
(k+1)=argmax
{Maximization(M)}Expectation(E)EMAlgorithm:AnexampleParametertobeestimated:λ={P(A),P(B),P(R|A),P(G|A),P(R|B),P(G|B)}ABoutputObserveddata:O:“ballsequence”:RGGLatentdata:q:“bottlesequence”:AAB(RGG)First,randomlyassignedλ(0)={P(0)(A),P(0)(B),P(0)(R|A),P(0)(G|A),P(0)(R|B),P(0)(G|B)}
forexample:{P(0)(A)=0.4,P(0)(B)=0.6,P(0)(R|A)=0.5,P(0)(G|A)=0.5,P(0)(R|B)=0.5,P(0)(G|B)=0.5}ExpectationStep:findtheexpectationoflogP(O|λ)
8possiblestatesequencesqi:{AAA},{BBB},{AAB},{BBA},{ABA},{BAB},{ABB},{BAA}MaximizationStep:findλ(1)tomaximizetheexpectationfunctionEq(logP(O|λ))Iterations:λ(0)
λ(1)
λ(2)....Forexample,whenqi={AAB}EMAlgorithmInEachIteration(assuminglogP(x
|)istheobjectivefunction)
Estep:expressingthelog-likelihoodlogP(x|
)intermsofthedistributionofthelatentdataconditionedon[x,
(k)]Mstep:findawaytomaximizedtheabovefunction,suchthattheabovefunctionincreasesmonotonically,i.e.,logP(x|
(k+1))logP(x|
(k))TheConditionsforeachIterationtoProceedbasedontheCriterionx:observed(incomplete)data,z:latentdata,{x,z}:completedataEMAlgorithmFortheEMIterationstoProceedbasedontheCriterion:tomakesurelogP(x|
[k+1])logP(x|
[k])H(
[k+1],
[k])H(
[k],
[k])duetoJenson’sInequality
theonlyrequirementistohave
[k+1]suchthat
Q(
[k+1],
[k])-Q(
[k],
[k])0
E-step:toestimate
Q(
,
[k]):auxiliaryfunction(increaseinthisfunctionmeansincreaseinobjectivefunction,maximizingthisfunctionmaybeeasier),theexpectationoftheobjectivefunctionintermsofthedistributionofthelatentdataconditionedon(x,
[k])M-step:
[k+1]=Q(
,
[k])argmax
Example:UseofEMAlgorithminSolvingProblem3ofHMMObserveddata:observationsO,latentdata:statesequenceqTheprobabilityofthecompletedatais
P(O,q|λ)=P(O|q,λ)P(q|λ)E-Step:
Q(λ,λ[k])=E[logP(O,q|λ)|O,λ[k]]=Σq
P(q|O,λ[k])log[P(O,q|λ)]λ[k]:k-thestimateofλ(known),λ:unknownparam
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