贝叶斯多元线性回归

统计学中，贝叶斯多元线性回归是一种多元线性回归（预测结果为相关随机变量向量，而非标量随机变量的线性回归）的贝叶斯推断方法。这种方法的更一般论述见最小均方误差。

细节

考虑一回归问题，其中需要预测的自变量不是实标量而是相关实数组成的m维向量。与标准回归设置一样，有n个观测值，其中每个观测i包含k−1个解释变量，归为k维向量$\mathbf {x} _{i}$（添加值为1的虚拟变量，以允许截距系数）。对每个观测i，可以视作m个相关回归问题： $${\begin{aligned}y_{i,1}&=\mathbf {x} _{i}^{\mathsf {T}}{\boldsymbol {\beta }}_{1}+\epsilon _{i,1}\\&\;\;\vdots \\y_{i,m}&=\mathbf {x} _{i}^{\mathsf {T}}{\boldsymbol {\beta }}_{m}+\epsilon _{i,m}\end{aligned}}$$ 其中误差集$\{\epsilon _{i,1},\ldots ,\epsilon _{i,m}\}$都是相关的。等价地，也可以视作单一回归问题，其中结果是行向量$\mathbf {y} _{i}^{\mathsf {T}}$，回归系数向量排在一起： $$\mathbf {y} _{i}^{\mathsf {T}}=\mathbf {x} _{i}^{\mathsf {T}}\mathbf {B} +{\boldsymbol {\epsilon }}_{i}^{\mathsf {T}}.$$

系数矩阵B是$k\times m$矩阵，其中每个回归问题的系数向量${\boldsymbol {\beta }}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {\beta }}_{m}$垂直排列在一起： $$\mathbf {B} ={\begin{bmatrix}{\begin{pmatrix}\\{\boldsymbol {\beta }}_{1}\\\\\end{pmatrix}}\cdots {\begin{pmatrix}\\{\boldsymbol {\beta }}_{m}\\\\\end{pmatrix}}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}{\begin{pmatrix}\beta _{1,1}\\\vdots \\\beta _{k,1}\end{pmatrix}}\cdots {\begin{pmatrix}\beta _{1,m}\\\vdots \\\beta _{k,m}\end{pmatrix}}\end{bmatrix}}.$$

每个观测i的噪声向量${\boldsymbol {\epsilon }}_{i}$服从联合常态分布，因此给定观测的结果是相关的： $${\boldsymbol {\epsilon }}_{i}\sim N(0,{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }).$$

可以将整个回归问题写成矩阵形式： $$\mathbf {Y} =\mathbf {X} \mathbf {B} +\mathbf {E} ,$$ 其中Y、E是$n\times m$矩阵。设计矩阵X是$n\times k$矩阵，观测如标准线性回归垂直排列： $$\mathbf {X} ={\begin{bmatrix}\mathbf {x} _{1}^{\mathsf {T}}\\\mathbf {x} _{2}^{\mathsf {T}}\\\vdots \\\mathbf {x} _{n}^{\mathsf {T}}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}x_{1,1}&\cdots &x_{1,k}\\x_{2,1}&\cdots &x_{2,k}\\\vdots &\ddots &\vdots \\x_{n,1}&\cdots &x_{n,k}\end{bmatrix}}.$$

经典频率学派线性最小二乘解利用摩尔－彭若斯广义逆，简单地估计回归系数矩阵${\hat {\mathbf {B} }}$： $${\hat {\mathbf {B} }}=(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} )^{-1}\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {Y} .$$

求贝叶斯解，要先指定条件似然，再找到适当的共轭先验。与线性贝叶斯回归不同，可以指定一个自然的条件共轭先验（与规模相关）。

把条件似然写成 $$\rho (\mathbf {E} |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })\propto |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-n/2}\exp \left(-{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} \left(\mathbf {E} ^{\mathsf {T}}\mathbf {E} {\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}\right)\right),$$ 误差$\mathbf {E}$表为$\mathbf {Y} ,\mathbf {X} ,\mathbf {B}$，则有 $$\rho (\mathbf {Y} |\mathbf {X} ,\mathbf {B} ,{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })\propto |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-n/2}\exp(-{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} ((\mathbf {Y} -\mathbf {X} \mathbf {B} )^{\mathsf {T}}(\mathbf {Y} -\mathbf {X} \mathbf {B} ){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1})),$$

寻找一个自然共轭先验——联合密度$\rho (\mathbf {B} ,\Sigma _{\epsilon })$，其泛函形式与似然相同。由于似然在$\mathbf {B}$中是二次的，因此我们重写似然使其在$(\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }})$（与经典样本估计的差）是正态的。 用与贝叶斯线性回归相同的技术，可用矩阵形式的平方和分解指数项。不过此处还要用到矩阵微分（克罗内克积和向量化变换）。

首先，应用平方和得到新的似然表达式： $$\rho (\mathbf {Y} |\mathbf {X} ,\mathbf {B} ,{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })\propto |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-(n-k)/2}\exp(-\operatorname {tr} ({\tfrac {1}{2}}\mathbf {S} ^{\mathsf {T}}\mathbf {S} {\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}))|{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-k/2}\exp(-{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} ((\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }})^{\mathsf {T}}\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} (\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }}){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1})),$$ $$\mathbf {S} =\mathbf {Y} -\mathbf {X} {\hat {\mathbf {B} }}$$

我们想开发一种先验的条件形式： $$\rho (\mathbf {B} ,{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })=\rho ({\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })\rho (\mathbf {B} |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }),$$ 其中$\rho ({\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })$服从逆威沙特分布，$\rho (\mathbf {B} |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })$是矩阵$\mathbf {B}$中某种形式的常态分布。这是通过向量化变换实现的，它将似然从矩阵$\mathbf {B} ,{\hat {\mathbf {B} }}$的函数变换为向量${\boldsymbol {\beta }}=\operatorname {vec} (\mathbf {B} ),{\hat {\boldsymbol {\beta }}}=\operatorname {vec} ({\hat {\mathbf {B} }})$的函数。

$$\operatorname {tr} ((\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }})^{\mathsf {T}}\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} (\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }}){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1})=\operatorname {vec} (\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }})^{\mathsf {T}}\operatorname {vec} (\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} (\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }}){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1})$$

令 $$\operatorname {vec} (\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} (\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }}){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1})=({\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}\otimes \mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} )\operatorname {vec} (\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }}),$$ 其中$\mathbf {A} \otimes \mathbf {B}$表示矩阵A、B的克罗内克积，其是外积的推广。

则 $${\begin{aligned}&\operatorname {vec} (\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }})^{\mathsf {T}}({\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}\otimes \mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} )\operatorname {vec} (\mathbf {B} -{\hat {\mathbf {B} }})\\&=({\boldsymbol {\beta }}-{\hat {\boldsymbol {\beta }}})^{\mathsf {T}}({\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}\otimes \mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} )({\boldsymbol {\beta }}-{\hat {\boldsymbol {\beta }}})\end{aligned}}$$ 产生的似然在$({\boldsymbol {\beta }}-{\hat {\boldsymbol {\beta }}})$中正态。

有了更易理解的似然，就可以找到自然的（条件）共轭先验了。

共轭先验分布

由向量化的${\boldsymbol {\beta }}$得到的自然共轭先验形式为 $$\rho ({\boldsymbol {\beta }},{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })=\rho ({\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })\rho ({\boldsymbol {\beta }}|{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }),$$ 其中 $$\rho ({\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })\sim {\mathcal {W}}^{-1}(\mathbf {V} _{0},{\boldsymbol {\nu }}_{0})$$

$$\rho ({\boldsymbol {\beta }}|{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })\sim N({\boldsymbol {\beta }}_{0},{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }\otimes {\boldsymbol {\Lambda }}_{0}^{-1}).$$

后验分布

利用上述先验与似然，可得到后验 $${\begin{aligned}\rho ({\boldsymbol {\beta }},{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|\mathbf {Y} ,\mathbf {X} )\propto {}&|{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-({\boldsymbol {\nu }}_{0}+m+1)/2}\exp {(-{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} (\mathbf {V} _{0}{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}))}\\&\times |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-k/2}\exp {(-{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} ((\mathbf {B} -\mathbf {B} _{0})^{\mathsf {T}}{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}(\mathbf {B} -\mathbf {B} _{0}){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}))}\\&\times |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-n/2}\exp {(-{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} ((\mathbf {Y} -\mathbf {XB} )^{\mathsf {T}}(\mathbf {Y} -\mathbf {XB} ){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}))},\end{aligned}}$$ 其中$\operatorname {vec} (\mathbf {B} _{0})={\boldsymbol {\beta }}_{0}$。 记${\boldsymbol {\Lambda }}_{0}=\mathbf {U} ^{\mathsf {T}}\mathbf {U}$，涉及$\mathbf {B}$的项可以分类为 $${\begin{aligned}&\left(\mathbf {B} -\mathbf {B} _{0}\right)^{\mathsf {T}}{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\left(\mathbf {B} -\mathbf {B} _{0}\right)+\left(\mathbf {Y} -\mathbf {XB} \right)^{\mathsf {T}}\left(\mathbf {Y} -\mathbf {XB} \right)\\={}&\left({\begin{bmatrix}\mathbf {Y} \\\mathbf {U} \mathbf {B} _{0}\end{bmatrix}}-{\begin{bmatrix}\mathbf {X} \\\mathbf {U} \end{bmatrix}}\mathbf {B} \right)^{\mathsf {T}}\left({\begin{bmatrix}\mathbf {Y} \\\mathbf {U} \mathbf {B} _{0}\end{bmatrix}}-{\begin{bmatrix}\mathbf {X} \\\mathbf {U} \end{bmatrix}}\mathbf {B} \right)\\={}&\left({\begin{bmatrix}\mathbf {Y} \\\mathbf {U} \mathbf {B} _{0}\end{bmatrix}}-{\begin{bmatrix}\mathbf {X} \\\mathbf {U} \end{bmatrix}}\mathbf {B} _{n}\right)^{\mathsf {T}}\left({\begin{bmatrix}\mathbf {Y} \\\mathbf {U} \mathbf {B} _{0}\end{bmatrix}}-{\begin{bmatrix}\mathbf {X} \\\mathbf {U} \end{bmatrix}}\mathbf {B} _{n}\right)+\left(\mathbf {B} -\mathbf {B} _{n}\right)^{\mathsf {T}}\left(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\right)\left(\mathbf {B} -\mathbf {B} _{n}\right)\\={}&\left(\mathbf {Y} -\mathbf {X} \mathbf {B} _{n}\right)^{\mathsf {T}}\left(\mathbf {Y} -\mathbf {X} \mathbf {B} _{n}\right)+\left(\mathbf {B} _{0}-\mathbf {B} _{n}\right)^{\mathsf {T}}{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\left(\mathbf {B} _{0}-\mathbf {B} _{n}\right)+\left(\mathbf {B} -\mathbf {B} _{n}\right)^{\mathsf {T}}\left(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\right)\left(\mathbf {B} -\mathbf {B} _{n}\right),\end{aligned}}$$ 其中 $$\mathbf {B} _{n}=\left(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\right)^{-1}\left(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} {\hat {\mathbf {B} }}+{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\mathbf {B} _{0}\right)=\left(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\right)^{-1}\left(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {Y} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\mathbf {B} _{0}\right).$$

现在可以用更有用的形式来写后验： $${\begin{aligned}\rho ({\boldsymbol {\beta }},{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|\mathbf {Y} ,\mathbf {X} )\propto {}&|{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-({\boldsymbol {\nu }}_{0}+m+n+1)/2}\exp {(-{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} ((\mathbf {V} _{0}+(\mathbf {Y} -\mathbf {XB_{n}} )^{\mathsf {T}}(\mathbf {Y} -\mathbf {XB_{n}} )+(\mathbf {B} _{n}-\mathbf {B} _{0})^{\mathsf {T}}{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}(\mathbf {B} _{n}-\mathbf {B} _{0})){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}))}\\&\times |{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|^{-k/2}\exp {(-{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} ((\mathbf {B} -\mathbf {B} _{n})^{\mathsf {T}}(\mathbf {X} ^{T}\mathbf {X} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0})(\mathbf {B} -\mathbf {B} _{n}){\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }^{-1}))}.\end{aligned}}$$

其形式为逆威沙特分布乘以矩阵常态分布： $$\rho ({\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }|\mathbf {Y} ,\mathbf {X} )\sim {\mathcal {W}}^{-1}(\mathbf {V} _{n},{\boldsymbol {\nu }}_{n})$$ $$\rho (\mathbf {B} |\mathbf {Y} ,\mathbf {X} ,{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon })\sim {\mathcal {MN}}_{k,m}(\mathbf {B} _{n},{\boldsymbol {\Lambda }}_{n}^{-1},{\boldsymbol {\Sigma }}_{\epsilon }).$$

此后验的参数由下式给出 $$\mathbf {V} _{n}=\mathbf {V} _{0}+(\mathbf {Y} -\mathbf {XB_{n}} )^{\mathsf {T}}(\mathbf {Y} -\mathbf {XB_{n}} )+(\mathbf {B} _{n}-\mathbf {B} _{0})^{\mathsf {T}}{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}(\mathbf {B} _{n}-\mathbf {B} _{0})$$ $${\boldsymbol {\nu }}_{n}={\boldsymbol {\nu }}_{0}+n$$ $$\mathbf {B} _{n}=(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0})^{-1}(\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {Y} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}\mathbf {B} _{0})$$ $${\boldsymbol {\Lambda }}_{n}=\mathbf {X} ^{\mathsf {T}}\mathbf {X} +{\boldsymbol {\Lambda }}_{0}$$

另见

• 贝叶斯线性回归
• 矩阵常态分布

参考文献

• Box, G. E. P.; Tiao, G. C. 8. Bayesian Inference in Statistical Analysis. Wiley. 1973. ISBN 0-471-57428-7. 
• Geisser, S. Bayesian Estimation in Multivariate Analysis. The Annals of Mathematical Statistics. 1965, 36 (1): 150–159. JSTOR 2238083. 
• Tiao, G. C.; Zellner, A. On the Bayesian Estimation of Multivariate Regression. Journal of the Royal Statistical Society. Series B (Methodological). 1964, 26 (2): 277–285. JSTOR 2984424.