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EM算法也称期望最大化（Expectation-Maximum,简称EM）算法，它是一个基础算法，是很多机器学习领域算法的基础，比如隐式马尔科夫算法（HMM）， LDA主题模型的变分推断等等。本文就对EM算法的原理做一个总结。 EM算法要解决的问题 我们经常会从样本观察数据中，找出样本的模型参数。 最常用的方法就是极大化模型分布的对数似然函数。 但是在一些情况下，我们得到的观察数据有未观察到的隐含数据， 此时我们未知的有隐含数据和模型参数，因而无法直接用极大化对数似然函数得到模型分布的参数 。怎么办呢？这就是EM算法可以派上用场的地方了。 EM算法解决这个的思路是使用启发式的迭代方法，既然我们无法直接求出模型分布参数，那么我们 可以先猜想隐含数据（EM算法的E步），接着基于观察数据和猜测的隐含数据一起来极大化对数似然，求解我们的模型参数（EM算法的M步)...

k-d树（k-dimensional树的简称），是一种分割k维数据空间的数据结构。主要应用于 多维空间关键数据的搜索 （如：范围搜索和最近邻搜索）。 应用背景 SIFT算法中做特征点匹配的时候就会利用到k-d树。而特征点匹配实际上就是一个通过距离函数在高维矢量之间进行相似性检索的问题。针对如何快速而准确地找到查询点的近邻，现在提出了很多高维空间索引结构和近似查询的算法，k-d树就是其中一种。 索引结构中相似性查询有两种基本的方式：一种是范围查询（range searches），另一种是K近邻查询（K-neighbor searches）。范围查询就是给定查询点和查询距离的阈值，从数据集中找出所有与查询点距离小于阈值的数据；K近邻查询是给定查询点及正整数K，从数据集中找到距离查询点最近的K个数据，当K=1时，就是最近邻查询（nearest neighbor searches）。...

序言 极大似然估计与贝叶斯估计是统计中两种对模型的参数确定的方法，两种参数估计方法使用不同的思想。 前者来自于频率派，认为参数是固定的，我们要做的事情就是根据已经掌握的数据来估计这个参数；而后者属于贝叶斯派，认为参数也是服从某种概率分布的，已有的数据只是在这种参数的分布下产生的。 所以，直观理解上，极大似然估计就是假设一个参数 \(θ\) ，然后根据数据来求出这个 \(θ\) . 而贝叶斯估计的难点在于 \(p(θ)\) 需要人为设定，之后再考虑结合MAP（maximum a posterior）方法来求一个具体的 \(θ\) . 所以极大似然估计与贝叶斯估计最大的不同就在于是否考虑了先验，而两者适用范围也变成了：极大似然估计适用于数据大量，估计的参数能够较好的反映实际情况；而贝叶斯估计则在数据量较少或者比较稀疏的情况下，考虑先验来提升准确率。 预知识 为了更好的讨论，本节会先给出我们要解决的问题，然后给出一个实际的案例。这节不会具体涉及到极大似然估计和贝叶斯估计的细节，但是会提出问题和实例，便于后续方法理解。 问题前提 首先，我们有一堆数据...

PCA PCA的思想 PCA顾名思义，就是找出数据里最主要的方面，用数据里最主要的方面来代替原始数据。具体的，假如我们的数据集是 \(n\) 维的，共有 \(m\) 个数据 \((𝑥(1),𝑥(2),...,𝑥(𝑚))\) 。我们希望将这 \(m\) 个数据的维度从 \(n\) 维降到 \(n'\) 维，希望这 \(m\) 个 \(n'\) 维的数据集尽可能的代表原始数据集。我们知道数据从 \(n\) 维降到 \(n'\) 维肯定会有损失，但是我们希望损失尽可能的小。那么如何让这 \(n'\) 维的数据尽可能表示原来的数据呢？ 我们先看看最简单的情况，也就是 \(n=2\) ， \(n'=1\) ,也就是将数据从二维降维到一维。数据如下图。我们希望找到某一个维度方向，它可以代表这两个维度的数据。图中列了两个向量方向， \(u_1\) 和 \(𝑢_2\) ，那么哪个向量可以更好的代表原始数据集呢？从直观上也可以看出， \(𝑢_1\) 比 \(𝑢_2\) 好。 为什么 \(𝑢_1\) 比 \(𝑢_2\)...

分类问题 Adaboost 是 Boosting 算法中有代表性的一个。原始的 Adaboost 算法用于解决二分类问题，因此对于一个训练集 \[T = \{\left(x_1, y_1\right), \left(x_2, y_2\right), ..., \left(x_n, y_n\right)\}\] 其中 \(x_i \in \mathcal{X} \subseteq \mathbb{R}^n, y_i \in \mathcal{Y} = \{-1, +1\}\) ，，首先初始化训练集的权重 \[\begin{aligned} D_1 =& \left(w_{11}, w_{12}, ..., w_{1n}\right) \\ w_{1i} =& \dfrac{1}{n}, i = 1, 2, ..., n \end{aligned}\] 根据每一轮训练集的权重 \(D_m\) ，对训练集数据进行抽样得到 \(T_m\) ，再根据 \(T_m\) 训练得到每一轮的基学习器 \(h_m\) 。通过计算可以得出基学习器 \(h_m\) 的误差为 \(e_m\) \[e_m =...

GBDT (Gradient Boosting Decision Tree) 是另一种基于 Boosting 思想的集成算法，除此之外 GBDT 还有很多其他的叫法，例如：GBM (Gradient Boosting Machine)，GBRT (Gradient Boosting Regression Tree)，MART (Multiple Additive Regression Tree) 等等。GBDT 算法由 3 个主要概念构成：Gradient Boosting (GB)，Regression Decision Tree (DT 或 RT) 和 Shrinkage。 Decision Tree：CART回归树 首先，GBDT使用的决策树是CART回归树，无论是处理回归问题还是二分类以及多分类，GBDT使用的决策树通通都是都是CART回归树。为什么不用CART分类树呢？因为GBDT每次迭代要拟合的是 梯度值...

从GBDT到XGBoost 作为GBDT的高效实现，XGBoost是一个上限特别高的算法，因此在算法竞赛中比较受欢迎。简单来说，对比原算法GBDT，XGBoost主要从下面三个方面做了优化： 一是算法本身的优化：在算法的弱学习器模型选择上，对比GBDT只支持决策树，还可以选择很多其他的弱学习器。在算法的损失函数上，除了本身的损失，还加上了正则化部分。在算法的优化方式上，GBDT的损失函数只对误差部分做负梯度（一阶泰勒）展开，而XGBoost损失函数对误差部分做二阶泰勒展开，更加准确。算法本身的优化是我们后面讨论的重点。 二是算法运行效率的优化：对每个弱学习器，比如决策树建立的过程做并行选择，找到合适的子树分裂特征和特征值。在并行选择之前，先对所有的特征的值进行排序分组，方便前面说的并行选择。对分组的特征，选择合适的分组大小，使用CPU缓存进行读取加速。将各个分组保存到多个硬盘以提高IO速度。 三是算法健壮性的优化：对于缺失值的特征，通过枚举所有缺失值在当前节点是进入左子树还是右子树来决定缺失值的处理方式。算法本身加入了L1和L2正则化项，可以防止过拟合，泛化能力更强。...

集成学习主要分为以下几类：Bagging，Boosting以及Stacking。 传统机器学习算法 (例如：决策树，人工神经网络，支持向量机，朴素贝叶斯等) 的目标都是寻找一个最优分类器尽可能的将训练数据分开。集成学习 (Ensemble Learning) 算法的基本思想就是将多个分类器组合，从而实现一个预测效果更好的集成分类器。集成算法可以说从一方面验证了中国的一句老话：三个臭皮匠，赛过诸葛亮。 Thomas G. Dietterich 指出了集成算法在统计，计算和表示上的有效原因： 统计上的原因 一个学习算法可以理解为在一个假设空间 H 中选找到一个最好的假设。但是，当训练样本的数据量小到不够用来精确的学习到目标假设时，学习算法可以找到很多满足训练样本的分类器。所以，学习算法选择任何一个分类器都会面临一定错误分类的风险，因此将多个假设集成起来可以降低选择错误分类器的风险。 计算上的原因 很多学习算法在进行最优化搜索时很有可能陷入局部最优的错误中，因此对于学习算法而言很难得到一个全局最优的假设。事实上人工神经网络和决策树已经被证实为是一 个NP...

简介 生成对抗网络 ( Generative Adversarial Network, GAN ) 是由 Goodfellow 于 2014 年提出的一种对抗网络。这个网络框架包含两个部分，一个生成模型 (generative model) 和一个判别模型 (discriminative model)。其中，生成模型可以理解为一个伪造者，试图通过构造假的数据骗过判别模型的甄别；判别模型可以理解为一个警察，尽可能甄别数据是来自于真实样本还是伪造者构造的假数据。两个模型都通过不断的学习提高自己的能力，即生成模型希望生成更真的假数据骗过判别模型，而判别模型希望能学习如何更准确的识别生成模型的假数据。 网络框架 GAN 由两部分构成，一个 生成器 ( Generator ) 和一个 判别器 ( Discriminator )。对于生成器，我们需要学习关于数据 \(x\) 的一个分布 \(p_g\) ，首先定义一个输入数据的先验分布 \(p_z(z)\) ，其次定义一个映射 \(G \left(\boldsymbol{z}; \theta_g\right): \boldsymbol{z}...

本文受启发于著名的国外博文 《Wasserstein GAN and the Kantorovich-Rubinstein Duality》 ，内容跟它大体上相同，但是删除了一些冗余的部分，对不够充分或者含糊不清的地方作了补充。 Wasserstein距离 显然，整篇文章必然围绕着Wasserstein距离（ \(\mathcal{W}\) 距离）来展开。假设我们有了两个概率分布 \(p(x),q(x)\) ，那么Wasserstein距离的定义为 \[\mathcal{W}[p,q]=\inf_{\gamma\in \Pi[p,q]} \iint \gamma(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}) d(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}) d\boldsymbol{x}d\boldsymbol{y}\] 事实上，这也算是最优传输理论中最核心的定义了。 成本函数 首先 \(d(x,y)\) ，它不一定是距离，其准确含义应该是一个成本函数，代表着从 \(x\) 运输到 \(y\) 的成本。常用的 \(d\) 是基于 \(l\)...

2022年中旬，以扩散模型为核心的图像生成模型将AI绘画带入了大众的视野。实际上，在更早的一年之前，就有了一个能根据文字生成高清图片的模型——VQGAN。VQGAN不仅本身具有强大的图像生成能力，更是传承了前作VQVAE把图像压缩成离散编码的思想，推广了「先压缩，再生成」的两阶段图像生成思路，启发了无数后续工作。 VQGAN 核心思想 VQGAN的论文名为 Taming Transformers for High-Resolution Image Synthesis，直译过来是「驯服Transformer模型以实现高清图像合成」。可以看出，该方法是在用Transformer生成图像。可是，为什么这个模型叫做VQGAN，是一个GAN呢？这是因为，VQGAN使用了两阶段的图像生成方法： 训练时，先训练一个图像压缩模型（包括编码器和解码器两个子模型），再训练一个生成压缩图像的模型。 生成时， 先用第二个模型生成出一个压缩图像，再用第一个模型复原成真实图像 。 其中，第一个图像压缩模型叫做VQGAN，第二个压缩图像生成模型是一个基于Transformer的模型。...

DDPM 有一个非常明显的问题：采样过程很慢。因为 DDPM 的反向过程利用了马尔可夫假设， 所以每次都必须在相邻的时间步之间进行去噪，而不能跳过中间步骤 。原始论文使用了 1000 个时间步，所以我们在采样时也需要循环 1000 次去噪过程，这个过程是非常慢的。 为了加速 DDPM 的采样过程，DDIM 在不利用马尔可夫假设的情况下推导出了 diffusion 的反向过程，最终可以实现仅采样 20～100 步的情况下达到和 DDPM 采样 1000 步相近的生成效果，也就是提速 10～50 倍。这篇文章将对 DDIM 的理论进行讲解，并实现 DDIM 采样的代码。 DDPM 的反向过程 首先我们回顾一下 DDPM 反向过程的推导，为了推导出 \(q(\mathbf{x}_{t-1}|\mathbf{x}_t)\) 这个条件概率分布，DDPM 利用贝叶斯公式将其变成了先验分布的组合， 并且通过向条件中加入 \(\mathbf{x}_0 \) 将所有的分布转换为已知分布 ：...