第六章 最大熵模型
作者：互联网
这一章分为三个部分，逻辑斯蒂回归，最大熵模型和模型的最优化算法。
最大熵模型这一块，《统计机器学习》有些地方讲的不清楚，我补充了一部分。
6.1 逻辑斯蒂回归
设X是连续随机变量，且X服从逻辑斯蒂（logistic）分布，也叫sigmoid函数，则：
\[\begin{equation} F(x) = P(X \leq x)=\frac{1}{1+\exp{-(x-\mu)/\gamma}} \end{equation} \]密度函数为：
\[\begin{equation} f(x) = F'(x)=\frac{1+\exp{-(x-\mu)/\gamma}}{\gamma (1+\exp{-(x-\mu)/\gamma})^2} \end{equation} \]其中， \(\mu\) 是位置参数， \(\gamma\) 是形状参数。
logistic分布的密度函数和分布函数
模型
logistic回归模型定义为：
\[\begin{equation} \begin{split} P(Y=1|x)=\frac{\exp(w\cdot x+b)}{1+\exp(w\cdot x+b)} \\ P(Y=0|x)=\frac{1}{1+\exp(w\cdot x+b)} \end{split} \end{equation} \]其中， \(x \in \mathbb{R}^n\) 是输入， \(Y \in \{0,1\}\) 是输出； \(w\in \mathbb{R}^n\) ， \(b\) 是可学习参数。
参数估计
设模型为：
\[\begin{equation} \begin{aligned} P(Y=1| x)&=\pi (x) \\ P(Y=0| x)&=1-\pi (x) \end{aligned} \end{equation} \]其中 \(x\in \mathbb{R}^{n+1}\) ，则似然函数为：
\[\begin{equation} \prod^{n}_{i=1}[\pi(x)]^{y_i}[1-\pi(x)]^{1-y_i} \end{equation} \]则对数似然函数为：
\[\begin{equation} \begin{aligned} L(w) &=\sum_{i=1}^{N}[y_{i} \log \pi(x_{i})+(1-y_{i}) \log (1-\pi(x_{i}))] \\ &=\sum_{i=1}^{N}[y_{i} \log \frac{\pi(x_{i})}{1-\pi(x_{i})}+\log (1-\pi(x_{i}))] \\ &=\sum_{i=1}^{N}[y_{i}(w \cdot x_{i})-\log (1+\exp (w \cdot x_{i})]. \end{aligned} \end{equation} \]对 \(L(w)\) 求极大值，可以得到 \(w\) 的估计值。为题转化为最优化问题，可以采用梯度下降法或者牛顿法。
多项式逻辑回归
\(K\) 分类逻辑回归模型：
\[\begin{equation} \begin{aligned} P(Y=k | x)&=\frac{\exp (w_{k} \cdot x)}{1+\sum_{k=1}^{K-1} \exp (w_{k} \cdot x)}, \quad k=1,2, \cdots, K-1 \\ P(Y=K | x)&=\frac{1}{1+\sum_{k=1}^{K-1} \exp (w_{k} \cdot x)} \end{aligned} \end{equation} \]6.2 最大熵模型
最大熵原理
最大熵原理认为，学习概率模型的时候，在所有可能的概率模型中，熵最大的模型是最好的。熵定义为 \(H(P)=-\sum \limits _x P(x) \log P(x)\) ，有下面的性质：
\[\begin{equation} 0 \leq H(P) \leq \log |X| \end{equation} \]其中，\(|X|\)是\(X\)的取值个数，当且仅当\(X\)取均匀分布的时候， \(H(P)\) 最大。
最大熵模型
假设分类模型服从条件概率分布 \(P(Y | X)\)，\(X \in \mathbb{R}^n\) 表示输入， \(Y \in \mathbb{R}\) 表示输出。给定下列训练数据集 \(T=\{(x_1,y_1),...,(x_N,y_N)\}\) ，学习的目标是根据最大熵原理选择最好的分类模型。
首先确定 \(P(X,Y)\) 和 \(P(X)\) 的经验分布，用 \(\widetilde{P}(X,Y)\)和\(\widetilde{P}(X)\) 表示：
\[\begin{equation} \begin{aligned} \widetilde{P}(X=x,Y=y)&=\frac{count(X=x,Y=y)}{N} \\ \widetilde{P}(X=x)&=\frac{count(X=x)}{N} \end{aligned} \end{equation} \]用特征函数 \(f(x,y)\) 描述 \(x\) 和 \(y\) 的某一个事实：
\[\begin{equation} f(x,y)= \begin{cases} 1,\quad (x,y)\ satisfy\ a\ certain\ fact; \\ 0,\quad otherwise; \end{cases} \end{equation} \]如果模型 \(P(Y|X)\) 能够学习到知识，则特征函数 \(f(x,y)\) 关于经验分布 \(\widetilde{P}(X,Y)\) 与模型 \(P(Y| X)\) 和经验分布 \(\widetilde{P}(x)\) 的期望值应相等，即：
\[\begin{equation} E_{\widetilde{P}}(f)=E_{P}(f) \end{equation} \]其中：
\[\begin{aligned} E_{\widetilde{P}}(f)&=\sum _{x,y}\widetilde{P}(x,y)f(x,y)\\ E_{P}(f)&=\sum _{x,y}\widetilde{P}(x)P(y|x)f(x,y) \end{aligned} \]若有 \(n\) 个特征函数 \(\{f_1,...,f_n\}\) ，则对应 \(n\) 个约束条件，则最大熵模型定义为满足所有约束条件的模型集合 \(\mathcal{C} = \{P\in \mathcal{P}|E_{\widetilde{P}}(f_i)=E_{P}(f_i), \quad i=1,...,n\}\) 中，定义在条件概率分布 \(P(Y|X)\) 上条件熵最大的模型。该条件熵为：
\[\begin{equation} H(P)=-\sum _{x,y} \widetilde{P}(x)P(y|x)\log P(y|x) \end{equation} \]最大熵模型的学习
最大熵模型可以形式化为约束优化问题：
\[\begin{equation} \max \limits _{P\in \mathcal{C}} H(P)=-\sum _{x,y} \widetilde{P}(x)P(y|x)\log P(y|x) \end{equation} \]\[\begin{aligned} s.t.\quad &E_{\widetilde{P}}(f_i)=E_{P}(f_i), \quad i=1,...,n\\ &\sum _{y}P(y|x)=1 \end{aligned} \]改成最小化问题为：
\[\begin{equation} \min \limits _{P\in \mathcal{C}} -H(P)=\sum _{x,y} \widetilde{P}(x)P(y|x)\log P(y|x) \end{equation} \]\[\begin{aligned} s.t.\quad &E_{\widetilde{P}}(f_i)=E_{P}(f_i), \quad i=1,...,n\\ &\sum _{y}P(y|x)=1 \end{aligned} \]用拉格朗日乘子法，将带约束的最优化问题转化为无约束的最优化问题，引进拉格朗日乘子 \(\{w_0,w_1,...,w_n\}\) ，则拉格朗日函数：
\[\begin{equation} \begin{aligned} L(P, w) \equiv &-H(P)+w_{0}(1-\sum_{y} P(y | x))+\sum_{i=1}^{n} w_{i}(E_{\tilde{P}}(f_{i})-E_{P}(f_{i})) \\ =& \sum_{x, y} \tilde{P}(x) P(y | x) \log P(y | x)+w_{0}(1-\sum_{y} P(y | x))+\sum_{i=1}^{n} w_{i}(\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) f_{i}(x, y)-\sum_{x, y} \tilde{P}(x) P(y | x) f_{i}(x, y)) \end{aligned} \end{equation} \]原始问题是：
\[\begin{equation} \min _{p\in \mathcal{C}} \max _{w} L(P,w) \end{equation} \]对偶问题是:
\[\begin{equation} \max _{w} \min _{P \in \mathcal{C}} L(P,w) \end{equation} \]原书中说 \(L(P,w)\)是对\(P\) 的凸函数，因为 \(L(P,w)\) 对 \(P\)相当于\(P\log P\) 。这里满足 Slater 条件，具有强对偶性，具体内容可以看这本书的附录。
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首先计算 \(\min \limits _{P \in \mathcal{C}} L(P,w)\) 此内部极小化过程，并做如下记号：
\[\begin{equation} P_w = \arg \min \limits _{P \in \mathcal{C}} L(P,w) = P_w(y|x) \end{equation} \]\[\begin{equation} \mathit{\Psi}(w) = \min \limits _{P \in \mathcal{C}} L(P,w) = L(P_w,w) \end{equation} \]具体过程如下：
\[\begin{equation} \begin{aligned} \frac{\partial L(P, w)}{\partial P(y | x)} &=\sum_{x, y} \tilde{P}(x)(\log P(y | x)+1)-\sum_{y} w_{0}-\sum_{x, y}(\tilde{P}(x) \sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)) \\ &=\sum_{x, y} \tilde{P}(x)(\log P(y | x)+1-w_{0}-\sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)) \end{aligned} \end{equation} \]
求解 \(L(P,w)\)对\(P\) 的偏导数，令之等于0可以解出：
\[\begin{equation} P(y | x)=\exp (\sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)+w_{0}-1)=\frac{\exp (\sum \limits _{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y))}{\exp (1-w_{0})} \end{equation} \]由于 \(\sum \limits _{y} P(y | x)=1\) ，得
\[\begin{equation} P_{w}(y | x)=\frac{1}{Z_{w}(x)} \exp (\sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)) \end{equation} \]其中 \(Z_{w}(x)\) 是规范化因子：
\[\begin{equation} Z_{w}(x)=\sum_{y} \exp (\sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)) \end{equation} \]在这里省略了求解过程，具体为：先求出 \(w_0\) ，再代回整理 \((1-w_0)\) 为 \(Z_w\)。
最大熵模型可以用 \((22)\) ， \((23)\) 两式表示。
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然后求解对偶问题的极大化问题\(\max \limits _w \mathit{\Psi}(w)\)，并记解为：
\[\begin{equation} w^* = \arg \max \mathit{\Psi}(w) \end{equation} \]可以证明，极大化问题等价于 \((22)\) ， \((23)\) 的最大似然。证明如下：
\[\begin{equation} \begin{aligned} L_{\tilde{P}}(P_{w}) &=\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \log P(y | x) \\ &=\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)-\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \log Z_{w}(x) \\ &=\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)-\sum_{x} \tilde{P}(x) \log Z_{w}(x) \end{aligned} \end{equation} \]
对数似然函数：再看对偶函数 \(\mathit{\Psi}(w)\) 。由式 \((14)\) 和 \((19)\) 可得：
\[\begin{equation} \begin{aligned} \mathit{\Psi}(w)=& \sum_{x, y} \tilde{P}(x) P_{w}(y | x) \log P_{w}(y | x)+\\ & \sum_{i=1}^{n} w_{i}(\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) f_{i}(x, y)-\sum_{x, y} \tilde{P}(x) P_{w}(y | x) f_{i}(x, y)) \\ =& \sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)+\sum_{x, y} \tilde{P}(x) P_{w}(y | x)(\log P_{w}(y | x)-\sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)) \\ -& \sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)-\sum_{x, y} \tilde{P}(x) P_{w}(y | x) \log Z_{w}(x) \\ =& \sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \sum_{i=1}^{n} w_{i} f_{i}(x, y)-\sum_{x} \tilde{P}(x) \log Z_{w}(x) \end{aligned} \end{equation} \]两式相等，证毕。
6.3 最优化算法
改进迭代尺度算法
改进迭代尺度法（improved iterative scaling，IIS）是最大熵模型的学习算法。IIS的基本想法是：对于学习参数 \(w=\{w_1,\cdots,w_n\}\) ，寻找一个 \(\delta\) 迭代 \(w\larr w+\delta\) 使得似然函数 \((25)\) 不断增大，然而同时优化困难，所以单独优化 \(w\) 的某一个。推导如下：
\[\begin{equation} \begin{aligned} L(w+\delta)-L(w) &=\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \log P_{w+\delta}(y | x)-\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \log P_{w}(y | x) \\ &=\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \sum_{i=1}^{n} \delta_{i} f_{i}(x, y)-\sum_{x} \tilde{P}(x) \log \frac{Z_{w+\delta}(x)}{Z_{w}(x)} \end{aligned} \end{equation} \]利用不等式 \(-\log \alpha \geqslant 1-\alpha, \quad \alpha>0\) ，可以得到：
\[\begin{equation} \begin{aligned} L(w+\delta)-L(w) & \geqslant \sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \sum_{i=1}^{n} \delta_{i} f_{i}(x, y)+1-\sum_{x} \tilde{P}(x) \frac{Z_{w+\delta}(x)}{Z_{w}(x)} \\ &=\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) \sum_{i=1}^{n} \delta_{i} f_{i}(x, y)+\\ 1-\sum_{x} \tilde{P}(x) \sum_{y} P_{w}(y | x) \exp \sum_{i=1}^{n} \delta_{i} f_{i}(x, y) \end{aligned} \end{equation} \]将右端记为： \(A(\delta | w)\)，为\(L(w+\delta)-L(w)\) 的下界。
引进 \(f^{\#}(x, y)=\sum_{i} f_{i}(x, y)\) ，表示所有特征在 \((x, y)\) 出现的次数。这样， \(A(\delta | w)\) 可以改写为
利用指数函数的凸性以及对任意 \(i\) , 有 \(\frac{f_{i}(x, y)}{f^{\#}(x, y)} \geqslant 0\) 且 \(\sum \limits _{i=1}^{n} \frac{f_{i}(x, y)}{f^{\#}(x, y)}=1\) 这一事实, 根据 Jensen 不等式, 得到
\[\begin{equation} \exp (\sum_{i=1}^{n} \frac{f_{i}(x, y)}{f^{\#}(x, y)} \delta_{i} f^{\#}(x, y)) \leqslant \sum_{i=1}^{n} \frac{f_{i}(x, y)}{f^{\#}(x, y)} \exp (\delta_{i} f^{\#}(x, y)) \end{equation} \]将不等式右端记为 \(B(\delta|w)\) 。于是有：
\[\begin{equation} L(w+\delta)-L(w) \geqslant A(\delta|w) \geqslant B(\delta|w) \end{equation} \]求 \(B(\delta | w)\) 对 \(\delta_{i}\) 的偏导数:
\[\begin{equation} \frac{\partial B(\delta | w)}{\partial \delta_{i}}=\sum_{x, y} \tilde{P}(x, y) f_{i}(x, y)-\sum_{x} \tilde{P}(x) \sum_{y} P_{w}(y | x) f_{i}(x, y) \exp (\delta_{i} f^{\#}(x, y)) \end{equation} \]在式 \((6.32)\) 里, 除 \(\delta_{i}\) 外不含任何其他变量。令偏导数 0 得到
\[\begin{equation} \sum_{x, y} \tilde{P}(x) P_{w}(y | x) f_{i}(x, y) \exp (\delta_{i} f^{\#}(x, y))=E_{\tilde{P}}(f_{i}) \end{equation} \]于是, 依次对 \(\delta_{i}\) 求解方程 \((32)\) 可以求出 \(\delta\) 。
牛顿法
牛顿法和拟牛顿法按照标准算法流程优化\(-L_{\tilde{P}}(P_{w})\)即可。
下一章介绍。
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