Derivación de Normal-Wishart posterior


11

Estoy trabajando en la derivación de un Normal-Wishart posterior, pero estoy atascado en uno de los parámetros (el posterior de la matriz de escala, ver en la parte inferior).

Solo por contexto e integridad, aquí está el modelo y el resto de las derivaciones:

xi∼N(μ,Λ)μ∼N(μ0,(κ0Λ)−1)Λ∼W(υ0,W0)

Las formas ampliadas de cada uno de los tres factores son (hasta una constante de proporcionalidad) son:

  • Probabilidad:

    N(xi|μ,Λ)∝|Λ|N/2exp⁡(−12∑i=1N(xiTΛxi−2μTΛxi+μTΛμ))
  • Normal anterior:

    N(μ|(μ0,κ0Λ)−1)∝|Λ|1/2exp⁡(−12(μTκ0Λμ−2μTκ0Λμ0+μ0Tκ0Λμ0))
  • Wishart anterior:

    W(Λ|υ0,W0)∝|Λ|υ0−D−12exp⁡(−12tr(W0−1Λ))

Queremos el Normal-Wishart posterior ( ) que se puede descomponer como así como :μ,Λ|μ′,κ′,υ′,W′N(μ|μ,κ′Λ)W(Λ|υ′,W′)

Degreso de libertadυ′

Al fusionar los primeros factores de probabilidad y Wishart obtenemos el primer factor del factor Wishart en la parte posterior: y, por lo tanto, tenemos el primer parámetro de la parte posterior:

|Λ|υ0+N−D−12
υ′=υ0+N

Factor de escalaκ′

Identificamos los elementos rodeados por y para encontrar quién es el actualizado por la probabilidad: y, por lo tanto, obtuvimos el segundo parámetro: μTμκ0Λ

μT((κ0+N)Λ)μ
κ′=κ0+N

Mediaμ′

El tercer parámetro proviene de identificar lo que está dentro de : Y por lo tanto tenemos el tercer parámetro: 2μT...

2μT(ΛNx¯+κ0Λμ0)=2μTκ′Λμ′(ΛNx¯+κ0Λμ0)=κ′Λμ′(Nx¯+κ0μ0)=κ′μ′
μ′=1k′(Nx¯+κ0μ0)

Matriz de escalaW′

Y el cuarto parámetro proviene de trabajar en los parámetros restantes:

tr(W′−1Λ)=tr(W0−1Λ)+∑i=1NxiTΛxi+μ0Tκ0Λμ0=tr(W0−1Λ)+∑i=1Ntr(xiTΛxi)+tr(μ0Tκ0Λμ0)=tr(W0−1Λ+∑i=1NxiTΛxi+μ0Tκ0Λμ0)

¿Cómo continuar desde aquí (si no cometí errores hasta el momento) y obtener la solución estándar para ?W′

Editar 1 :

Ahora reorganizamos los términos, sumamos y restamos algunos factores para obtener dos cuadrados como en la solución estándar:

tr(W′−1Λ)=tr(W−1Λ+∑i=1N(xiTΛxi+x¯TΛx¯−2xiTΛx¯)+κ0(μ0TΛμ0+x¯TΛx¯−2x¯TΛμ0)−∑i=1Nx¯TΛx¯+2∑i=1NxiTΛx¯−κ0x¯TΛx¯+2κ0x¯TΛμ0)=tr(W−1Λ+∑i=1N(xi−x¯)Λ(xi−x¯)T+κ0(x¯−μ0)Λ(x¯−μ0)T−Nx¯Λx¯T+2Nx¯Λx¯T−κ0x¯Λx¯T+2κ0x¯Λμ0T)

Simplificamos los factores que quedan fuera de los cuadrados:

tr(W′−1Λ)=tr(W−1Λ+∑i=1N(xi−x¯)TΛ(xi−x¯)+κ0(x¯−μ0)TΛ(x¯−μ0)+(N−κ0)x¯TΛx¯+2κ0x¯TΛμ0)

Edición 2 ( seguimiento gracias a la respuesta de @bdeonovic )

La traza es cíclica, por lo que . Entonces: y luego: tr(ABC)=tr(BCA)=tr(CAB)

tr(W′−1Λ)=tr(W−1Λ+∑i=1N(xi−x¯)(xi−x¯)TΛ+κ0(x¯−μ0)(x¯−μ0)TΛ+(N−κ0)x¯x¯TΛ+2κ0x¯μ0TΛ)
tr(W′−1)=tr(W−1+∑i=1N(xi−x¯)(xi−x¯)T+κ0(x¯−μ0)(x¯−μ0)T+(N−κ0)x¯x¯T+2κ0x¯μ0T)

¡Casi! Pero aún no está allí. El objetivo es:

W−1+∑i=1N(xi−x¯)(xi−x¯)T+κ0Nκ0+N(x¯−μ0)(x¯−μ0)T

Respuestas:


4

La traza es cíclica, por lo que . Además, la traza se distribuye sobre la suma de modo que . Con estos hechos, debería poder término hacia atrás en los términos de seguimiento, combinar los términos de seguimiento juntos. El resultado debería parecerse atr(ABC)=tr(BCA)=tr(CAB)tr(A+B)=tr(A)+tr(B)Λ

W′−1=W−1+∑i=1Nxixi⊺+μ0μ0⊺

¡Gracias! sin embargo, no veo cómo llegar a los resultados estándar ( en.wikipedia.org/wiki/Conjugate_prior ) que contiene y . Ni siquiera tengo signos negativos: O∑(xi−x¯)x¯−μ0
— alberto

3

La probabilidad anterior es ×

|Λ|N/2exp⁡{−12(∑i=1NxiTΛxi−Nx¯TΛμ−μTΛNx¯+NμTΛμ)}×|Λ|(ν0−D−1)/2exp⁡{−12tr(W0−1Λ)}×|Λ|1/2exp⁡{−κ02(μTΛμ−μTΛμ0−μ0TΛμ+μ0TΛμ0)}.
Esto puede reescribirse como Podemos reescribir
|Λ|1/2|Λ|(ν0+N−D−1)/2×exp⁡{−12((κ0+N)μTΛμ−μTΛ(κ0μ0+Nx¯)−(κ0μ0+Nx¯)TΛμ+κ0μ0TΛμ0+∑i=1NxiTΛxi+tr(W0−1Λ))}
(κ0+N)μTΛμ−μTΛ(κ0μ0+Nx¯)−(κ0μ0+Nx¯)TΛμ+κ0μ0TΛμ0+∑i=1NxiTΛxi+tr(W0−1Λ)
siguiente manera sumando y restando un término:
(κ0+N)μTΛμ−μTΛ(κ0μ0+Nx¯)−(κ0μ0+Nx¯)TΛμ+1κ0+N(κ0μ0+Nx¯)TΛ(κ0μ0+Nx¯)−1κ0+N(κ0μ0+Nx¯)TΛ(κ0μ0+Nx¯)+κ0μ0TΛμ0+∑i=1NxiTΛxi+tr(W0−1Λ).
Las dos primeras líneas ahora se factorizan como
(κ0+N)(μ−κ0μ+Nx¯κ0+N)TΛ(μ−κ0μ+Nx¯κ0+N).

Sumando y restando , lo siguiente: se puede reescribir como Nx¯TΛx¯

−1κ0+N(κ0μ0+Nx¯)TΛ(κ0μ0+Nx¯)+κ0μ0TΛμ0+∑i=1NxiTΛxi+tr(W0−1Λ)
∑i=1N(xiTΛxi−xiTΛx¯−x¯TΛxi+x¯TΛx¯)+Nx¯TΛx¯+κ0μ0TΛμ0−1κ0+N(κ0μ0+Nx¯)TΛ(κ0μ0+Nx¯)+tr(W0−1Λ).
El término suma
∑i=1N(xiTΛxi−xiTΛx¯−x¯TΛxi+x¯TΛx¯)
es igual a Ahora se puede expandir como
∑i=1N(xi−x¯)TΛ(xi−x¯).
Nx¯TΛx¯+κ0μ0TΛμ0−1κ0+N(κ0μ0+Nx¯)TΛ(κ0μ0+Nx¯)
Nx¯TΛx¯+κ0μ0TΛμ0−1κ0+N(κ02μ0TΛμ0+Nκ0μ0TΛx¯0+Nκ0x¯TΛμ0+N2x¯TΛx¯),
que es igual a
Nκ0κ0+N(x¯TΛx¯−x¯TΛμ0−μ0TΛx¯+μ0TΛμ0)=Nκ0κ0+N(x¯−μ0)TΛ(x¯−μ0).

Los siguientes dos términos son escalares: Y cualquier escalar es igual a su trazo, así que

∑i=1N(xi−x¯)TΛ(xi−x¯),Nκ0κ0+N(x¯−μ0)TΛ(x¯−μ0).
tr(W0−1Λ)+∑i=1N(xi−x¯)TΛ(xi−x¯)+Nκ0κ0+N(x¯−μ0)TΛ(x¯−μ0)
puede reescribirse como Como , la suma anterior es igual a
tr(W0−1Λ)+tr(∑i=1N(xi−x¯)TΛ(xi−x¯))+tr(Nκ0κ0+N(x¯−μ0)TΛ(x¯−μ0)).
tr(ABC)=tr(CAB)
tr(W0−1Λ)+tr(∑i=1N(xi−x¯)(xi−x¯)TΛ)+tr(Nκ0κ0+N(x¯−μ0)(x¯−μ0)TΛ).
Usando el hecho de que , podemos reescribir la suma como tr(A+B)=tr(A)+tr(B)
tr(W0−1Λ+∑i=1N(xi−x¯)(xi−x¯)TΛ+Nκ0κ0+N(x¯−μ0)(x¯−μ0)TΛ)=tr((W0−1+∑i=1N(xi−x¯)(xi−x¯)T+Nκ0κ0+N(x¯−μ0)(x¯−μ0)T)Λ).

Poniendo todo eso junto, si dejamos tenemos que la probabilidad anterior es igual a S=∑i=1N(xi−x¯)(xi−x¯)T×

|Λ|1/2exp⁡{−κ0+N2(μ−κ0μ+Nx¯κ0+N)TΛ(μ−κ0μ+Nx¯κ0+N)}×|Λ|(ν0+N−D−1)/2exp⁡{−12tr((W0−1+S+Nκ0κ0+N(x¯−μ0)(x¯−μ0)T)Λ)},
según sea necesario.
Al usar nuestro sitio, usted reconoce que ha leído y comprende nuestra Política de Cookies y Política de Privacidad.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.