Derivazione del normale di Wishart posteriore


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Sto lavorando alla derivazione di un posteriore di Normal-Wishart ma sono bloccato su uno dei parametri (il posteriore della matrice della scala, vedi in basso).

Solo per contesto e completezza, ecco il modello e il resto delle derivazioni:

xi∼N(μ,Λ)μ∼N(μ0,(κ0Λ)−1)Λ∼W(υ0,W0)

Le forme espanse di ciascuno dei tre fattori è (fino a una costante di proporzionalità) sono:

  • Probabilità:

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

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

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

Vogliamo il normale Wishart posteriore ( ) che può essere scomposto come oltre a :μ,Λ|μ′,κ′,υ′,W′N(μ|μ,κ′Λ)W(Λ|υ′,W′)

Degress of freedomυ′

Unendo i primi fattori della probabilità e il Wishart otteniamo il primo fattore del fattore Wishart nella parte posteriore: e quindi abbiamo il primo parametro del posteriore:

|Λ|υ0+N−D−12
υ′=υ0+N

Fattore di scalaκ′

Identifichiamo gli elementi racchiusi tra e per scoprire chi è il precedente aggiornato dalla probabilità: e quindi abbiamo ottenuto il secondo parametro: μTμκ0Λ

μT((κ0+N)Λ)μ
κ′=κ0+N

Meanμ′

Il terzo parametro deriva dall'identificazione di cosa c'è dentro : E quindi abbiamo ottenuto il terzo parametro: 2μT...

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

Matrice di scalaW′

E il quarto parametro deriva dal lavorare sui restanti parametri:

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

Come procedere da qui (se non ho fatto errori finora) e ottenere la soluzione standard per ?W′

Modifica 1 :

Ora riordiniamo i termini, aggiungiamo e sottraggiamo alcuni fattori per ottenere due quadrati come nella soluzione standard:

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)

Semplifichiamo i fattori che rimangono fuori dai quadrati:

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)

Modifica 2 ( follow-up grazie alla risposta di @bdeonovic )

La traccia è ciclica, quindi . Quindi: e quindi: 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)

Quasi! Ma ancora non c'è. L'obiettivo è:

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

Risposte:


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La traccia è ciclica, quindi . Anche la traccia si distribuisce sull'addizione in modo che . Con questi fatti dovresti essere in grado di scorrere il termine verso il retro nei termini della traccia, combinare i termini della traccia insieme. Il risultato dovrebbe essere simile atr(ABC)=tr(BCA)=tr(CAB)tr(A+B)=tr(A)+tr(B)Λ

W′−1=W−1+∑i=1Nxixi⊺+μ0μ0⊺

Grazie! tuttavia, non vedo come ottenere da lì i risultati standard ( en.wikipedia.org/wiki/Conjugate_prior ) che contiene e . Non ho nemmeno segni negativi: O∑(xi−x¯)x¯−μ0
— Alberto

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La probabilità precedente è ×

|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)}.
Questo può essere riscritto come Possiamo riscrivere
|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)
come segue aggiungendo e sottraendo un termine:
(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).
Le prime due linee ora sono scomposte come
(κ0+N)(μ−κ0μ+Nx¯κ0+N)TΛ(μ−κ0μ+Nx¯κ0+N).

Aggiunta e sottrazione di , la seguente: può essere riscritto come 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).
Il termine somma
∑i=1N(xiTΛxi−xiTΛx¯−x¯TΛxi+x¯TΛx¯)
uguale a Ora può essere espanso come
∑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¯),
che è uguale
Nκ0κ0+N(x¯TΛx¯−x¯TΛμ0−μ0TΛx¯+μ0TΛμ0)=Nκ0κ0+N(x¯−μ0)TΛ(x¯−μ0).

I seguenti due termini sono scalari: E qualsiasi scalare è uguale alla sua traccia, quindi

∑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)
può essere riscritto come Poiché , la somma sopra è uguale
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).
Utilizzando il fatto che , possiamo riscrivere la somma come 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).

Mettendo tutto insieme, se lasciamo abbiamo che la probabilità precedente è uguale 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)},
come richiesto.
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