顾小东复习

概率论

贝叶斯网络

贝叶斯网络可以视为联合概率的一种分解的图表示。贝叶斯网络的参数为条件概率表 CPT。

对于节点 Y 在给定其父节点 Parents(Y)={X1,X2,,Xk} 的情况下,其与所有非后代节点条件独立

联合概率的边缘化在贝叶斯网络中

Causal prediction:P(Effect | Reason) 直接查表
Diagnostic inference:P(Reason | Effect),使用贝叶斯定理

d-separation

考虑三点二边的基本情况:

  1. Common cause / Fork:XZY
    • Z 未知时,X,Y 不独立(存在信息流)
    • Z 已知时,X,Y 条件独立。X,Y 的概率分布都可以通过 Z 的 Causal prediction 确定。
    • UmbrellaRainWet
  2. Chain / Causal chain:XZY
    • Z 未知时,X,Y 不独立
    • Z 已知时,X,Y 条件独立。X 的概率分布可以通过 Z 的 Diagnostic inference 确定,Y 的概率分布可以用 Z 的 Causal prediction 确定
    • VirusFeverSkip class
  3. Collider / V-structure:XZY
    • Z 未知时,X,Y 条件独立独立
    • Z 已知,X,Y 不独立
    • EarthquakeAlarmTheft

如果 X,Y 之间的所有通路都被上述中的 Z(已知或未知)阻断,那么 X,Y 在给定已知的 Z 的情况下条件独立

Markov Blanket

一个结点 X 的马尔可夫毯包括

VMB(X) 的信息相对于 MB(X) 提供的信息而言都是冗余的,马尔可夫毯是最小的能够提供完全描述 X 的信息的点集,或者说屏蔽 X 所需要的最小集合

信息论

决策树

决策树(DAG?)描述了一个以最大化信息获取效率消除不确定性的过程

根节点是原始数据,每个中间节点进行一次特征划分,叶子节点是已经被完全分类的数据。

对于一个中间节点,待划分的随机变量为 Y,候选的划分特征为 X1,X2,,Xk,我们的策略是选择 argmaxXiGain(Y,Xi) 其中信息增益 Gain(Y,Xi)=H(Y)H(YX)=I(Y;X)(知道 X 能减少多少 Y 的不确定性)

随机过程

随机过程是一列表示不同时间的系统状态的随机变量 S1,S2,,St

Markov 过程是满足 P(St+1S1,S2,,St)=P(St+1St) 的随机过程,如果系统状态的全集为有限集 U,那么我们可以用状态转移矩阵 P 来描述 Markov 过程,Pij 表示已知当前状态 si,下一个状态为 sj 的概率,如果把状态 Si 视为一个以不同状态取值概率的列向量,我们有 (St+1)j=iPij(St)i=P:jTStSt+1=PTStSt+1T=StTP,所以把 Si 定义为行向量会更好。定义行向量 πi 满足 (πi)j=P(Si=sj) 就有 πn=π0Pn

平稳分布 π=πP 对应 P 的特征值为 1 的正单位左特征向量。

收敛性?

马尔可夫决策过程

马尔可夫决策过程(MDP):(S,A,P,R,γ)

我们的目标是找到策略 π(as) 来最大化累计回报 Gt=Rt+1+γRt+2+γ2Rt+3+

状态价值函数 Vπ(s) 当前处于 s 按照 π 走下去的期望总回报
动作价值函数 Qπ(s,a) 当前处于 s 并采取 a 之后按照 π 走下去的期望总回报。

优化

一般形式 minf(x) s.t. gi(x)0(i=1,2,,m),hj(x)=0(j=1,2,,n) ,其中 XRd,f:RdR,gi:RdR,hj:RdR

我们只关注具有良好性质的优化问题:凸优化问题

这些性质蕴含了

凸函数的定义

我们考虑的函数为 f:ΩRΩRd 的一个凸集。

零阶几何定义:任意 x,yΩθ[0,1] 都有 f(θx+(1θ)y)θf(x)+(1θ)f(y)
一阶微分定义:如果 fC1(Ω),那么 f 的凸性等价于任意 x,yΩ 都有 f(y)f(x)+f(x)T(yx),其中 f(x)=[fx1fxd]T
二阶微分定义:如果 fC2(Ω),那么 f 的凸性等价于任意 xΩ 都有 2f(x)0,其中 2f(x) 为海森矩阵。

等价性证明?

凸优化问题

凸优化问题的可行域是一个凸集:可行域 D={xRdgi(x)0,hj(x)=0},考虑任意 x,yDθ[0,1]

凸优化问题在可行域上的局部极小值必定是全局最小值:利用反证法,根据可行域的凸性构造取值在局部极小值和全局最小值之间的点,和局部极小值的局部最小性引发矛盾。

优化方法

Unconstrained minimization:

Constrained minimization:

External Penalty Method:

P(x,σk)=f(x)+σk[i=1mmax(0,gi(x))2+j=1p(hj(x))2]

gi(x)>0hj(x)0 施加关于差的二次约束,通过不断求解问题 P(x,σk) 并增大惩罚因子来逼近最优解(最终时尽量进入约束范围)

Internal Penalty Method(只有不等式约束)

B(x,μk)=f(x)μki=1mln(gi(x))

需要找到一个合格的初始点,迭代点始终可行,通过不断求解问题 B(x,μk) 并减小障碍因子来逼近最优解(开始时尽量远离边界)

Central path:x(μ)=argminxB(x,μ)

内点法的迭代方法通常需要一步额外的投影(到可行域)

线性规划 Linear Programming

规范形式(Canonical Form):

mincTx s.t. Axb,x0

转化

规律:

线性规划基本定理:线性规划问题的可行域是一个凸多面体,且其最优解必定在可行域的某个顶点上取到。

单纯形法:目标函数极大化,约束条件通过引入松弛变量变为等式,变量全非负。变为 n 个变量 m 个线性方程

二次规划 Quadratic Programming

min12xPx+qx+r s.t. Axb,P0

转化

二次约束二次规划 Quadratically Constrained Quadratic Programming

min12xP0x+q0x+r0 s.t. 12xPix+qix+ri0,Ax=b,Pi0

转化

图的最大割:分割无向图 G=(V,E)VS,T,最大化 card(S×TE),令 xi=1 if viS else 1

几何规划 Geometric Programming

几何规划的原始形式是非凸,但是通过对数变量带话可以被转化为凸优化问题

GP 单项式(Monomial):f(x)=cx1a1x2a2xnan 满足 c>0aiR
GP 正项式(Posynomial):多个 GP 单项式的和

minfs.t. gi(x)bi,hj(x)=cj,x>0

半正定规划 Semidefinite Programming

?

半正定矩阵约束?

凸优化问题分类之间的包含关系?

Lagrange 对偶

Primal problem:

p=minxf(x)s.t. gi(x)0,hj(x)=0

引入 λi0μjR 构造 Lagrange 函数并改写原问题的目标函数(Primal Objective)

L(x,λ,μ)=f(x)+i=1mλigi(x)+j=1nμihj(x)θP(x)=maxλ0,μL(x,L,μ)since maxλ0,μL(x,L,μ)=f(x) if xDand maxλ0,μL(x,L,μ)=+ if xDp=minxθP(x)=minxmaxλ0,μL(x,L,μ)

定义 Lagrange 对偶函数和 Lagrange 对偶问题

θD(λ,μ)=minxL(x,λ,μ) is concaved=maxλ0,μθD(λ,μ)=maxλ0,μminxL(x,L,μ)

弱对偶性:恒成立 dp
强对偶性:d=p

Slater 条件是凸优化问题的强对偶性成立的一个充分条件:

原问题的最优解为 x,对偶问题的最优解为 λ,μ

KKT 条件:

理解平稳性:

(f(x))+(i=1mλigi(x))+(j=1nμjhj(x))=0

f(x)f 梯度带来的向低处的拉力,gi 是超平面单向墙,gi(x)gi 带来的防止走出墙外的拉力方向,λi 是这个拉力的相对大小,hi 是超平面轨迹限制,hj(x)hj 带来的防止偏离轨迹的拉力方向,μj 是这个拉力的相对大小。三者达成一个受力平衡

理解互补松驰性