机器算法验证 - 当 PMF 包含 0 时，如何计算 Kullback-Leibler 散度？ - 吾爱随笔录

当 PMF 包含 0 时，如何计算 Kullback-Leibler 散度？

机器算法验证时间序列可能性多元分析直方图 kullback-leibler

2022-03-01 08:23:24

我有以下时间序列

在此处输入图像描述

使用下面发布的数据获得。

对于 10 的滑动窗口大小，我试图计算当前滑动窗口内的值的 PMF 和历史的 PMF 之间的 KL 散度，最终目标是绘制 KL 散度值随时间变化的值，以便我可以比较两个时间序列。

到目前为止，我面临一个概念问题（我将使用 Python 进行解释）：

In [228]: samples = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1]

# In reality this 10 should be 20 because that is the max value I have seen in the timeseries
In [229]: bins = scipy.linspace(0, 10, 21) 
In [230]: bins
Out[230]:
array([  0. ,   0.5,   1. ,   1.5,   2. ,   2.5,   3. ,   3.5,   4. ,
         4.5,   5. ,   5.5,   6. ,   6.5,   7. ,   7.5,   8. ,   8.5,
         9. ,   9.5,  10. ])
In [231]: scipy.histogram(samples, bins=bins, density=True)
Out[231]:
(array([ 1.63636364,  0.        ,  0.36363636,  0.        ,  0.        ,
        0.        ,  0.        ,  0.        ,  0.        ,  0.        ,
        0.        ,  0.        ,  0.        ,  0.        ,  0.        ,
        0.        ,  0.        ,  0.        ,  0.        ,  0.        ]),
 array([  0. ,   0.5,   1. ,   1.5,   2. ,   2.5,   3. ,   3.5,   4. ,
         4.5,   5. ,   5.5,   6. ,   6.5,   7. ,   7.5,   8. ,   8.5,
         9. ,   9.5,  10. ]))

问题是结果PMF包含0s，因此我不能真正将两个PMFs 乘以得到 KL 散度。有人能告诉我如何缓解这个问题吗？

数据

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3个回答

处理这个问题的一个标准技巧是使用所谓的拉普拉斯校正。实际上，您将一个“计数”添加到所有 bin，然后重新归一化。添加 0.5 个计数也有充分的理由：这个特定的估计器称为Krichevsky-Trofimov估计器。

考虑问题的一种方法是，您对根据直方图计算的 PMF 并不真正有信心。您可能需要在模型中稍微先验一下。因为如果您对 PMF 有信心，那么 KL 散度应该是无穷大的，因为您在一个 PMF 中获得的值在另一个 PMF 中是不可能的。另一方面，如果你有一个轻微的、无信息的先验，那么总是有一些小概率会看到某个结果。引入这一点的一种方法是向直方图添加一个乘以某个标量的向量。您将使用的理论先验分布是狄利克雷分布，它是分类分布的共轭先验。但出于实际目的，您可以执行类似的操作

pmf_unnorm = scipy.histogram(samples, bins=bins, density=True)[0] +  w * scipy.ones(len(bins)-1)
pmf = pmf_unnor / sum(pmf_unnorm)

一些正权重在哪里w，取决于您想要拥有的先验强度。

我会将数据分箱，以便您可以比较两个 PMF；给定两个 PMF 估计和，您可以简单地计算 KLD：，其中越过垃圾箱。 $\hat P$ $\hat Q$ $D_{KL}(\hat P \| \hat Q) \equiv \sum_i \hat P(i) \log \dfrac{\hat P(i)}{\hat Q(i)}$ $i$

对不起，我不知道R。

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