吉布斯采样

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吉布斯采样英语:Gibbs sampling)是统计学中用于马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)的一种算法,用于在难以直接采样时从某一多变量概率分布中近似抽取样本序列。该序列可用于近似联合分布、部分变量的边缘分布或计算积分(如某一变量的期望值)。某些变量可能为已知变量,故对这些变量并不需要采样。

吉布斯采样常用于统计推断(尤其是贝叶斯推断)之中。这是一种随机化算法,与最大期望算法等统计推断中的确定性算法相区别。与其他MCMC算法一样,吉布斯采样从马尔科夫链中抽取样本,可以看作是Metropolis–Hastings算法的特例。

该算法的名称源于约西亚·威拉德·吉布斯,由斯图尔特·杰曼英语Stuart Geman唐纳德·杰曼英语Donald Geman兄弟于1984年提出。[1]

算法[编辑]

吉布斯采样适用于条件分布比边缘分布更容易采样的多变量分布。假设我们需要从联合分布中抽取个样本。记第个样本为。吉布斯采样的过程则为:

  1. 确定初始值
  2. 假设已得到样本,记下一个样本为。于是可将其看作一个向量,对其中某一分量,可通过在其他分量已知的条件下该分量的概率分布来抽取该分量。对于此条件概率,我们使用样本中已得到的分量以及上一样本中的分量,即
  3. 重复上述过程次。

在采样完成后,我们可以用这些样本来近似所有变量的联合分布。如果仅考虑其中部分变量,则可以得到这些变量的边缘分布。此外,我们还可以对所有样本求某一变量的平均值来估计该变量的期望。

参考文献[编辑]

  1. ^ Geman, S.; Geman, D. Stochastic Relaxation, Gibbs Distributions, and the Bayesian Restoration of Images. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1984, 6 (6): 721–741. doi:10.1109/TPAMI.1984.4767596. 
  • Bishop, Christopher M., Pattern Recognition and Machine Learning, Springer, 2006, ISBN 0-387-31073-8 
  • Bolstad, William M. (2010), Understanding Computational Bayesian Statistics, John Wiley ISBN 978-0-470-04609-8
  • Casella, G.; George, E. I. Explaining the Gibbs Sampler. The American Statistician. 1992, 46 (3): 167. JSTOR 2685208. doi:10.2307/2685208. 
  • Gelfand, Alan E.; Smith, Adrian F. M., Sampling-Based Approaches to Calculating Marginal Densities, Journal of the American Statistical Association, 1990, 85 (410): 398–409, JSTOR 2289776, MR 1141740, doi:10.2307/2289776 
  • Gelman, A., Carlin J. B., Stern H. S., Dunson D., Vehtari A., Rubin D. B. (2013), Bayesian Data Analysis, third edition. London: Chapman & Hall.
  • Levin, David A.; Peres, Yuval; Wilmer, Elizabeth L. (2008), "Markov Chains and Mixing Times", American Mathematical Society.
  • Robert, C. P.; Casella, G. (2004), Monte Carlo Statistical Methods (second edition), Springer-Verlag.