fダイバージェンス


確率論において、 -ダイバージェンスとは、2つの確率分布と の差を測定する特定の種類の関数です。KLダイバージェンスヘリンガー距離全変動距離など、多くの一般的なダイバージェンスは、 -ダイバージェンスの特殊なケースです

歴史

これらのダイバージェンスは、アルフレッド・レーニ[1]によって、よく知られたレーニエントロピーを 導入した同じ論文で導入されました。彼は、これらのダイバージェンスがマルコフ過程において減少することを証明しました。fダイバージェンス、Csiszár (1963)、Morimoto (1963)、Ali & Silvey (1966)によって独立に研究され、Csiszárダイバージェンス、Csiszár–Morimotoダイバージェンス、またはAli–Silvey距離と呼ばれることもあります。

意味

非特異ケース

空間 上の2つの確率分布と をに関して絶対連続(つまり のどこであっても)となるようなものとしよう。すると、 、 、 (無限大となる可能性もある)のすべてに対して有限となる凸関数に対してから-発散よう定義される 。

のジェネレータを と呼びます

具体的な応用では、には通常参照分布(例えば のとき、参照分布はルベーグ測度)が存在し、 となる。この場合、ラドン・ニコディムの定理を用いてそれらの確率密度およびをとって

そのような参照分布が手元にない場合は、単に を定義して、上記と同じように進めることができます。これは、より抽象的な証明において有用な手法です。

上記の定義は、が満たされなくなった場合にも拡張できる( [2]の定義7.1 )。

は凸関数であり、 であるため、関数は非減少でなければならないため、 が存在し、 に値を取ります

任意の に対して が成り立つため、f ダイバージェンスを に拡張できます

プロパティ

fダイバージェンス間の基本的な関係

  • 線形性:非負の実数と生成子の有限シーケンスが与えられます
  • 何らかの の場合に限ります
証拠

ならば定義により。

逆に、 ならば とする。集合 上の任意の2つの確率測度について、 なので

それぞれの確率測度には自由度が 1 つあるため、のあらゆる選択について解くことができます

線型代数により が得られ、これは有効な確率測度である。そして を得る

したがって、 いくつかの定数 の場合、式を に代入すると となります

fダイバージェンスの基本特性

  • 非負性ƒ発散は常に正である。測度PQが一致する場合、ƒ 発散はゼロとなる。これはジェンセンの不等式から直ちに導かれる
  • データ処理不等式κが測度PQそれぞれPκ変換する任意の遷移確率である場合、
    ここでの等式は、遷移が{ PQ }に関する十分な統計量から誘導される場合にのみ成立します。
  • ジョイント凸性:任意の0 ≤ λ ≤ 1に対して
    これは上の写像の凸性から導かれます
  • 凸反転による反転:任意の関数 に対して、その凸反転は と定義されますが f-ダイバージェンス生成子の定義特性( 、 、 に対して有限)を満たす場合同じ特性を満たし、したがって f-ダイバージェンス を定義します。これは の「逆」であり、互いに絶対連続であるすべての に対してが となるという意味です。このように、すべての f-ダイバージェンスはによって対称化できます。例えば、この対称化を行うと、KL-ダイバージェンスは Jeffreys ダイバージェンス に変換されます。

特に、単調性とは、マルコフ過程が正の均衡確率分布を持つ場合、 が時間の単調(非増加)関数であることを意味します。ここで、確率分布は、マルコフ過程における確率分布の時間発展を記述するために使用されるコルモゴロフ順方向方程式(またはマスター方程式の解です。これは、すべてのfダイバージェンスがコルモゴロフ順方向方程式のリャプノフ関数であることを意味します。逆の命題も真です。 が正の均衡を持つすべてのマルコフ連鎖のリャプノフ関数であり、 がトレース形式()である場合、何らかの凸関数fに対して が成り立ちます。[3] [4]たとえば、ブレグマン ダイバージェンスは一般にこのような特性を持たず、マルコフ過程で増加する可能性があります。[5]

分析特性

f ダイバージェンスはテイラー級数を使用して表現でき、カイ二乗距離の加重和を使用して書き直すことができます (Nielsen & Nock (2013))。

基本的な変分表現

を の凸共役とする有効定義域、つまりとすると、 の2つの変分表現が得られる。これらについては後述する。

上記の設定では、

定理

これは定理7.24インチです。[2]

アプリケーション例

この定理を全変動距離に適用すると、生成元が のとき、その凸共役は となり、次の式が得られます。によって定義されるカイ 2 乗ダイバージェンスについては、次の式が得られます 。 が変化する領域がアフィン不変あっても、 では変動項はアフィン不変ではないため、アフィン不変量を利用してより簡潔な表現を取得できます。

を で置き換え、 の最大値を取ると、 が得られます 。これは、 Hammersley–Chapman–Robbins の境界Cramér–Rao の境界からわずか数ステップしか離れていません( [2]の定理 29.1 とその系)。

との -発散について、 が成り立ち、範囲は です。その凸共役はであり、範囲は です

この定理を適用すると、 を代入した後、 が得られる。あるいはの制約を解除した後を設定すると、上で得られた - 発散の変分表現が得られる

が変化する領域は、-発散の場合とは異なり、一般にはアフィン不変ではありません。-発散は特別なケースで、その場合、からを除去できます

一般に、 が変化する領域は、単にスケール不変 である。上と同様に、を で置き換え、 を最小値として を得る。を設定しをもう一度 で置き換えると、平方ヘリンガー距離の2つの変分表現が得られる。この定理を で定義されるKLダイバージェンスに適用すると、が得られる 。 これは、ドンスカー・ヴァラダン表現よりも明らかに効率が悪い。この欠陥は次の定理で修正される。

改良された変分表現

このセクションの冒頭の設定(「変分表現」)を想定します。

定理オンの 場合必要であれば再定義)、

ここでであり、 はある基礎測度に関するの確率密度関数です。

の特別な場合には

これは定理7.25インチです。[2]

アプリケーション例

この定理を KL ダイバージェンスに適用すると、Donsker–Varadhan 表現が得られます。

この定理を一般的な-発散に適用しようとすると、閉じた形式の解は得られません。

よくある例f-相違点

以下の表は、確率分布と、それらに対応する可能性のある生成関数との間の一般的な乖離の多くを列挙している。特に、全変動距離を除く他のすべての関数は、-乖離の特殊なケース、つまり-乖離の線形和である

それぞれのf-ダイバージェンス に対して、その生成関数は一意に定義されるわけではなく、 までしか定義されません。ここでは任意の実定数です。つまり、f-ダイバージェンスを生成する任意の に対して、 が成り立ちます。この自由度は便利なだけでなく、実際に必要です。

発散対応するf(t)離散形式
-発散、
総変動距離
αダイバージェンス
KLダイバージェンス
逆KLダイバージェンス(
ジェンセン・シャノン距離
ジェフリーズダイバージェンス(KL + 逆KL)
ヘリンガー距離の二乗
ネイマンダイバージェンス
ピアソン発散
アルファが -1 から 2 まで変化するときのアルファ ダイバージェンスの生成元間の比較。

を -ダイバージェンスの生成元とすると、と は互いに凸反転となるため、 となります特に、これは 2 乗ヘリンガー距離とジェンセン・シャノン・ダイバージェンスが対称であることを示しています。

文献では、-ダイバージェンスは次のようにパラメータ化されることがある。

これは、 を代入したこのページのパラメーター化と同等です

他の統計的相違との関係

ここでは、fダイバージェンスを他の統計的ダイバージェンスと比較します

レーニ分岐

レーニイ・ダイバージェンスは、次のように定義されるダイバージェンスのファミリーである。

のとき。極限をとることでの場合にも拡張される。

簡単な代数により、 であることが示されます。ここで、は上で定義した - 発散です

ブレグマンダイバージェンス

ブレグマンダイバージェンスでもある唯一のfダイバージェンスはKLダイバージェンスである。[6]

積分確率メトリクス

積分確率指標でもある唯一のfダイバージェンスは総変動である。[7]

財務解釈

一対の確率分布は、一方の分布が公式オッズを定義し、もう一方の分布が実際の確率を含む、偶然のゲームと見なすことができます。実際の確率を知ることで、プレイヤーはゲームから利益を得ることができます。多くの合理的なプレイヤーにとって、期待利益率はƒ-ダイバージェンスと同じ一般的な形をとります。[8]

参照

参考文献

  1. ^ レニイ, アルフレッド (1961). エントロピーと情報の尺度について(PDF) . 第4回バークレー数学・統計・確率シンポジウム, 1960. カリフォルニア州バークレー: カリフォルニア大学出版局. pp.  547– 561.式(4.20)
  2. ^ abcd Polyanskiy, Yury; Yihong, Wu (2022). 情報理論:コーディングから学習へ(2022年10月20日草稿)(PDF)ケンブリッジ大学出版局. 2023年2月1日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
  3. ^ Gorban, Pavel A. (2003年10月15日). 「単調等価エントロピーと加法方程式の解」. Physica A. 328 ( 3–4 ) : 380– 390. arXiv : cond-mat/0304131 . Bibcode :2003PhyA..328..380G. doi :10.1016/S0378-4371(03)00578-8. S2CID  14975501.
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  • Csiszár, I. ; Shields, P. (2004). 「情報理論と統計:チュートリアル」(PDF) .通信と情報理論の基礎と動向. 1 (4): 417– 528. doi :10.1561/0100000004 . 2009年4月8日閲覧.
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