Jarak Earth Mover (EMD) antara dua Gaussians


26

Apakah ada rumus bentuk tertutup untuk (atau semacam ikatan) EMD antara x1∼N(μ1,Σ1) dan x2∼N(μ2,Σ2) ?


2
Menurut en.wikipedia.org/wiki/Earth_mover%27s_distance , EMD sama dengan jarak Mallows atau Wasserstein, jadi Anda dapat mencoba googlin itu.
— kjetil b halvorsen

2
Anda mungkin menemukan makalah ini berguna: vldb.org/pvldb/vol5/p205_brianeruttenberg_vldb2012.pdf
— jojer

Jawaban:


27

EMD⁡(P,Q)=infE⁡‖X−Y‖XYX∼PY∼QWp=inf(E⁡‖X−Y‖p)1/p

Biarkan X∼P=N⁡(μx,Σx) , Y∼Q=N⁡(μy,Σy) .

bawah: Oleh ketidaksetaraan Jensen, karena norma adalah cembung, jadi EMD selalu setidaknya jarak antar sarana (untuk distribusi apa pun).

E⁡‖X−Y‖≥‖E⁡(X−Y)‖=‖μx−μy‖,

Batas atas berdasarkan pada W2 : Sekali lagi oleh ketidaksetaraan Jensen, (E⁡‖X−Y‖)2≤E⁡‖X−Y‖2 . Demikian W1≤W2 . Tetapi Dowson dan Landau (1982) menetapkan itu

W2(P,Q)2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−2(ΣxΣy)1/2),
E M D = W 1 memberikan batas atas pada .EMD=W1

Batas atas yang lebih rapat: Pertimbangkan penggabungan Ini adalah peta yang diturunkan oleh Knott dan Smith (1984) , Pada pemetaan distribusi yang optimal , Journal of Optimization Theory and Applications, 43 (1) hal 39-49 sebagai pemetaan optimal untuk ; lihat juga posting blog ini . Perhatikan bahwa dan

X∼N⁡(μx,Σx)Y=μy+Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12⏟A(X−μx).
W2A=AT
E⁡Y=μy+A(E⁡X−μx)=μyVar⁡Y=AΣxAT=Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12ΣxΣx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12=Σx−12(Σx12ΣyΣx12)Σx−12=Σy,
sehingga kopling valid.

Jarak adalah , di mana sekarang ‖X−Y‖‖D‖

D=X−Y=X−μy−A(X−μx)=(I−A)X−μy+Aμx,
yang normal dengan
E⁡D=μx−μyVar⁡D=(I−A)Σx(I−A)T=Σx+AΣxA−AΣx−ΣxA=Σx+Σy−Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx12−Σx12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12.

Jadi batas atas untuk adalah . Sayangnya, formulir tertutup untuk harapan ini secara mengejutkan tidak menyenangkan untuk ditulis untuk normals multivariat umum: lihat pertanyaan ini , serta yang ini .W1(P,Q)E⁡‖D‖

Jika varian akhirnya berbentuk bulat (mis. Jika , , maka varian menjadi ), yang pertama pertanyaan memberikan jawaban dalam hal polinomial Laguerre umum.DΣx=σx2IΣy=σy2ID(σx−σy)2I

Secara umum, kami memiliki batas atas sederhana untuk berdasarkan ketidaksetaraan Jensen, diturunkan misalnya dalam pertanyaan pertama: E⁡‖D‖

(E⁡‖D‖)2≤E⁡‖D‖2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−AΣx−ΣxA)=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx)+tr⁡(Σy)−2tr⁡(Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx12)=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx)+tr⁡(Σy)−2tr⁡((Σx12ΣyΣx12)12)=W2(P,Q)2.
Kesetaraan pada akhirnya adalah karena matriks danΣxΣyΣx12ΣyΣx12=Σx−12(ΣxΣy)Σx12 serupa , sehingga mereka memiliki nilai eigen yang sama, dan dengan demikian akar kuadratnya memiliki jejak yang sama.

Ketidaksetaraan ini sangat ketat selama tidak mengalami kemunduran, yang biasanya terjadi ketika .‖D‖Σx≠Σy

Dugaan : Mungkin batas atas yang lebih dekat ini, , ketat. Kemudian lagi, saya memiliki batas atas yang berbeda di sini untuk waktu yang lama yang saya duga ketat yang sebenarnya lebih longgar daripada , jadi mungkin Anda tidak boleh terlalu mempercayai dugaan ini. :)E⁡‖D‖W2

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.