İki Gauss'lu Arasındaki Earth Mover's Distance (EMD)


26

İçin bir kapalı-formlu bir formül (veya bağlı bir tür) arasında EMD var x1∼N(μ1,Σ1) ve x2∼N(μ2,Σ2) ?


2
Göre en.wikipedia.org/wiki/Earth_mover%27s_distance bunu Googlin deneyebilirsiniz EMD, Mallows veya Wasserstein mesafesi aynıdır.
— kjetil b halvorsen

2
Bu makaleyi yararlı bulabilirsiniz: vldb.org/pvldb/vol5/p205_brianeruttenberg_vldb2012.pdf
— jojer

Yanıtlar:


27

Toprak taşıyıcı mesafesi olarak yazılabilir infimum tüm ortak dağılımları üzerinden alınır, X ve Y marjinal ile x \ sim p , Y, \ sim Q . Bu, aynı zamanda, ilk olarak bilinen Wasserstein mesafe olduğu,EMD⁡(P,Q)=infE⁡‖X−Y‖XYX∼PY∼QWp=inf(E⁡‖X−Y‖p)1/p ile aynı ilke.

Let X∼P=N⁡(μx,Σx) ,Y∼Q=N⁡(μy,Σy) .

Alt sınır: Jensen eşitsizliğine göre, normlar dışbükey,

E⁡‖X−Y‖≥‖E⁡(X−Y)‖=‖μx−μy‖,
böylece EMD her zaman en azından araçlar arasındaki mesafe (herhangi bir dağılım için).

göre üst sınır :W2( E ‖ X - Y ‖ ) 2 ≤ E ‖X-Y ‖ 2 W 1 ≤ W 2 W 2 (P,Q ) 2 =‖ μ x - μ y ‖ 2 + t r ( Σ x + Σ y - 2 ( Σ x Σ y ) 1 / 2 Yine Jensen'in eşitsizliği, . Böylece . Ancak Dowson ve Landau (1982) , üzerinde bir üst sınır(E⁡‖X−Y‖)2≤E⁡‖X−Y‖2W1≤W2

W2(P,Q)2=‖μx−μy‖2+tr⁡(Σx+Σy−2(ΣxΣy)1/2),
EMD=W1 .

Daha sıkı bir üst sınır: düşünün Bu Knott ve Smith (1984) tarafından türetilen haritadır. , Optimal dağılım haritası üzerinde , Optimizasyon Teorisi ve Uygulamaları Dergisi, 43 (1) sayfa 39-49 , için optimum haritalama ; ayrıca bu blog gönderisine de bakın . Bunu not et

X∼N⁡(μx,Σx)Y=μy+Σx−12(Σx12ΣyΣx12)12Σx−12⏟A(X−μx).
W2W2A=AT ve
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,
böylece eşleşme geçerlidir.

Mesafesi daha sonra artık olan normal ‖X−Y‖‖D‖

D=X−Y=X−μy−A(X−μx)=(I−A)X−μy+Aμx,
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.

Bu durumda üst giden olduğu . Ne yazık ki, bu beklenti için kapalı bir form, genel çok değişkenli normlar için yazmaktan şaşırtıcı derecede rahatsız edicidir: bu soruya ve ayrıca bakınızW1(P,Q)E⁡‖D‖ bu bir .

Varyansı Eğer biter küresel (örneğin eğer , , daha sonra varyans olurDΣx=σx2IΣy=σy2ID(σx−σy)2I ), eski Soru genelleştirilmiş bir Laguerre polinomu açısından cevabı verir.

Genel olarak, üst giden bir basit olması Jensen eşitsizliğinin göre, ilk söz edilen, örneğin: 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.
Sonunda eşitlik, matrislerin ve benzer olmalarıdır Böylece aynı özdeğerlere sahiptirler ve böylece karekökleri aynı ize sahiptir.ΣxΣyΣx12ΣyΣx12=Σx−12(ΣxΣy)Σx12

Bu eşitsizlik, dejenere olmadığı sürece , bu çoğu durumda .‖D‖Σx≠Σy

Bir varsayım : Belki bu yakın üst sınır, , sıkıdır. Sonra yine, uzun zamandır burada, daha gevşek olan sıkı olduğunu düşündüğüm farklı bir üst sınır vardı , bu yüzden belki de bu varsayımı çok fazla güvenmemelisiniz. :)E⁡‖D‖W2

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.