Algoritmo EM Problema de práctica

Este es un problema de práctica para un examen de mitad de período. El problema es un ejemplo de algoritmo EM. Tengo problemas con la parte (f). Enumero las partes (a) - (e) para completar y en caso de que haya cometido un error antes.

Supongamos que son variables aleatorias exponenciales independientes con tasa θ . Desafortunadamente, los valores reales de X no se observan, y solo observamos si los valores de X caen dentro de ciertos intervalos. Sea G 1 j = 1 { X j < 1 } , G 2 j = 1 { 1 < X j < 2 } y G 3 j = 1 $X_1,\ldots,X_n$$\theta$$X$$X$$G_{1j} = \mathbb{1}\left\{X_j < 1\right\}$$G_{2j} = \mathbb{1}\left\{1< X_j<2\right\}$ paraj=1,...,n. Los datos observados consisten en( G 1 j , G 2 j , G 3 j ).$G_{3j} = \mathbb{1}\left\{X_j > 2\right\}$$j=1,\ldots,n$$(G_{1j},G_{2j},G_{3j})$

(a) Indique la probabilidad de datos observados:

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

(b) Proporcione la probabilidad de datos completa

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

(c) Derive la densidad predictiva de la variable latente $f(x_j|G,\theta)$

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

(d) E-step. Dar la función $Q(\theta,\theta^i)$

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

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

(e) Dé expresiones para para r = 1 , 2 , 3 .$\text{E}\left[X_j|G_{rj}=1,\theta^i\right]$$r=1,2,3$

Enumeraré mis resultados, que estoy bastante seguro de que son correctos, pero las derivaciones serían un poco largas para esta pregunta que ya es muy extensa:

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

Esta es la parte en la que estoy atascado, y podría deberse a un error anterior:

(f) M-Step. Encuentre el que maximiza Q ( θ , θ i$\theta$$Q(\theta,\theta^i)$

De la ley de la expectativa total tenemos Por lo tanto$\begin{align*} \text{E}\left[X_j|G,\theta^i\right] &= \left(\dfrac{1}{\theta^i}-e^{-\theta^i}(1+1/\theta^i)\right) + \left(e^{-\theta^i}(1+1/\theta^i)-e^{-2\theta^i}(2+1/\theta^i)\right) + \left(e^{-2\theta^i}(2+1/\theta^i)\right)\\ &= 1/\theta^i \end{align*}$

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

$\theta$$\theta$

$\theta$$X$$G_{rj}$$G$

En la parte (d) debería tomarse la expectativa de la probabilidad de registro de datos completa, no la probabilidad de registro de datos observada.

$X_j$$X_j^{(i)}$

Basado en los comentarios de @ jsk, intentaré remediar mis errores:

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

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

$\theta$$\theta^{(i+1)} = \dfrac{n}{N_1A+N_2B+N_3C}$