Кіріспе

Статистикалық модельдерде максималды ықтималдық бағалауды табудың итеративтік әдісі. Статистикада күту-максимизациялау (EM) алгоритмі – бұл статистикалық модельдерде параметрлердің (жергілікті) максималды ықтималдық немесе максималды апостериорлық (MAP) бағалауын табудың итеративтік әдісі, мұнда модель байқалмаған жасырын айнымалыларға тәуелді. EM итерациясы параметрлердің ағымдағы бағасын қолдана отырып есептелген логарифмдік ықтималдықтың күтімін құратын күту (E) қадамын орындау және E қадамында табылган күтілетін логарифмдік ықтималдықты максимизациялайтын параметрлерді есептейтін максимизациялау (M) қадамын жасау арасында ауысады. Бұл параметрлердің бағалары келесі E қадамында жасырын айнымалылардың таралуын анықтау үшін қолданылады. Мысалы, гаусс араласын бағалауға немесе көптік сызықтық регрессия мәселесін шешуге қолданылуы мүмкін.

Қолданбалар

ЭМ жиі аралас модельдердің параметрлерін бағалау үшін қолданылады, әсіресе сандық генетикада. Психометрияда ЭМ – элемент параметрлерін және элементтік жауап теориясы модельдерінің жасырын қабілеттерін бағалаудың маңызды құралы. Жоғалған деректермен жұмыс істеу және анықталмаған айнымалыларды бақылау мүмкіндігінің арқасында ЭМ портфельдің құнын анықтау және тәуекелді басқару үшін пайдалы құралға айналуда. ЭМ алгоритмі (және оның жылдам нұсқасы – реттелген кіші жиын күтуді максимизациялау) медициналық бейнелеуді қалпына келтіруде, әсіресе позитрондық эмиссиялық томографияда, бір фотондық эмиссиялық есептеу томографиясында және рентгендік есептеу томографиясында кеңінен қолданылады. ЭМ-нің басқа жылдам нұсқалары туралы төменде қараңыз. Құрылыс инженериясында, Күтуді максимизациялауды қолдана отырып құрылымдық идентификация (STRIDE) алгоритмі – сенсорлық деректерді пайдалана отырып құрылымдық жүйенің табиғи діріл қасиеттерін анықтауға арналған шығыс әдісі (Операциялық модальды талдау). ЭМ деректерді кластерлеу үшін де қолданылады. Табиғи тілді өңдеуде алгоритмнің екі маңызды мысалы – жасырын Марков модельдері үшін Баум-Уэлх алгоритмі және ықтималдық контекстсіз грамматикаларды бақылаусыз индукциялау үшін ішкі-сыртқы алгоритм. Акциялармен жасалатын саудалар арасындағы күту уақытын, яғни қор биржасындағы акциялармен кезекті сауда арасындағы уақытты талдау кезінде ЭМ алгоритмі өте пайдалы болып көрінді.

Нұсқалар

ЭМ алгоритмінің кейде баяу конвергенциясын жеделдету үшін бірнеше әдістер ұсынылған, мысалы, конъюгатты градиент және модификацияланған Ньютон әдістерін (Ньютон-Рафсон) қолдану. Сонымен қатар, EM шектеулі бағалау әдістерімен де қолданылуы мүмкін. Параметрлік кеңейтілген күтуді максимизациялау (PX EM) алгоритмі, "М қадамының талдауын түзету үшін `ковариациялық түзетуді' қолдану арқылы" жылдамдықты арттырады, бұл толыққанды деректерде жиналған қосымша ақпаратты пайдаланады. Күтудің шартты максимизациясы (ECM) әрбір М қадамын шартты максимизацияның (CM) тізбегімен алмастырады, онда әрбір θi параметрі басқа параметрлер өзгермей тұрғанда жеке-жеке максимизацияланады. Бұл әдіс күту шартты максимизациясы (ECME) алгоритміне де кеңейтілуі мүмкін. Бұл идея жалпыланған күтуді максимизациялау (GEM) алгоритмінде одан әрі дамытылады, онда мақсатты функция F-тің Е қадамы мен М қадамы үшін ұлғаю ізделеді, бұл максимализация-максимизация процедурасы бөлімінде сипатталғандай. EM алгоритмін MM (контекстке байланысты мажоризация/минимизация немесе минимизация/максимизация) алгоритмінің кіші тобы ретінде қарастыруға болады, сондықтан жалпы жағдайда жасалған кез келген құралды қолдануға болады.

α-EM алгоритмі

ЭМ алгоритмінде қолданылатын Q функциясы лог-ықтималдылыққа негізделген. Сондықтан ол логарифмдік ЭМ алгоритмі деп есептеледі. Лог-ықтималдылықты қолдануды α лог-ықтималдылық қатынасына жалпылауға болады. Содан кейін, байқалған деректердің α лог-ықтималдылық қатынасын, α лог-ықтималдылық қатынасының Q функциясы мен α дивергенциясын қолдану арқылы теңдік түрінде нақты көрсетуге болады. Бұл Q функциясын алу – жалпыланған E қадамы. Оның максимизациясы – жалпыланған M қадамы. Бұл жұп α EM алгоритмі деп аталады, ол лог EM алгоритмін өз ішкі класы ретінде қамтиды. Осылайша, Ясуо Мацуяманың α EM алгоритмі лог EM алгоритмінің нақты жалпылауы болып табылады. Градиентті немесе Гесс матрицасын есептеудің қажеті жоқ. Тиісті α таңдау арқылы α EM, лог EM алгоритміне қарағанда жылдамырақ конвергенцияны көрсетеді. α EM алгоритмі жасырын Марков моделінің α HMM бағалау алгоритмінің жылдам нұсқасына әкеледі.

Вариациялық Бейес әдістерімен байланысы

ЭМ – толық емес Бэйес тәсілі, максималды ықтималдылық әдісі. Оның соңғы нәтижесі жасырын айнымалылар бойынша ықтималдық таралымын береді (Бэйес стилінде) және θ үшін нүктелік бағалаумен бірге (максималды ықтималдылық бағалауы немесе кейіннен алынған режим). Бұл әдістің толық Бэйес нұсқасы θ және жасырын айнымалылар бойынша ықтималдық таралымын беруі мүмкін. Бэйес тәсілі бойынша шешім шығару үшін θ-ні тағы бір жасырын айнымалы ретінде қарастыру жеткілікті. Осы парадигмада E және M қадамдарының арасындағы ерекшелік жоғалады. Егер жоғарыда сипатталғандай (вариациялық Бэйес) факторланған Q жуықтауын қолдансақ, шешуді әр жасырын айнымалыны (қазір θ-ні қоса) қайталап өтеуге және оларды бір-бірлеп оңтайландыруға болады. Енді k қадам қажет, мұнда k – жасырын айнымалылардың саны. Графикалық модельдер үшін бұл оңай, себебі әрбір айнымалының жаңа Q тек оның Марков қаптамасына байланысты, сондықтан тиімді шешім шығару үшін жергілікті хабар алмасуды қолдануға болады.

Геометриялық түсіндіру

Ақпараттық геометрияда E қадамы мен M қадамы екі жалқы аффиналық байланыстардағы проекциялар ретінде қарастырылады, олар e байланысы және m байланысы деп аталады; Куллбек-Лейблер дивергенциясын да осы тұрғысынан түсінуге болады.

Гаусс қоспасы

Болсын, - бұл өлшемділігі бар екі көпөлшемді қалыпты үлестірімнің қоспасынан алынған тәуелсіз байқаулардың үлгісі, ал - байқаудың қай компоненттен шыққандығын анықтайтын жасырын айнымалылар. Бұл модельдің ерекше жағдайларына бір қалыпты үлестірімнен цензураланған немесе қиыстырылған байқаулар, сондай-ақ спектрлік техникалар жатады. Ықтималдық модельдің параметрлерін оқытуға қатысты сәттерге негізделген тәсілдер соңғы кезде үлкен қызығушылық тудырып келеді, себебі олар белгілі бір шарттарда глобалдық конвергенция сияқты кепілдіктерге ие, ал EM алгоритмі көбінесе жергілікті оптимумда тұрып қалу мәселесіне тап болады. Бірнеше маңызды модельдер үшін, мысалы, қоспа модельдері, жасырын Марков модельдері (HMM) және т.б., оқытуды қамтамасыз ететін алгоритмдер жасауға болады. Бұл спектрлік әдістерде жалған жергілікті оптимумдар пайда болмайды және кейбір реттелілік шарттары сақталғанда нақты параметрлерді тұрақты түрде бағалауға болады.