tf.contrib.distributions.MultivariateNormalDiag

Многомерное нормальное распределение на R^k.

tf.contrib.distributions.MultivariateNormalDiag(
    loc=None, scale_diag=None, scale_identity_multiplier=None, validate_args=False,
    allow_nan_stats=True, name='MultivariateNormalDiag'
)

Распределение многомерной нормальной случайной величины определено на R^k и параметризовано (пачкой) вектором длины k loc (также известным как "mu") и (пачкой) k x k scale матрицей; covariance = scale @ scale.T где @ обозначает матричное умножение.

Математические подробности

Функция плотности вероятности (pdf) равна,

pdf(x; loc, scale) = exp(-0.5 ||y||**2) / Z,
y = inv(scale) @ (x - loc),
Z = (2 pi)**(0.5 k) |det(scale)|,

где:

• loc — вектор в R^k,
• scale — линейный оператор в R^{k x k}, cov = scale @ scale.T,
• Z обозначает константу нормировки, и,
• ||y||**2 обозначает квадратную евклидову норму y.

Матрица (без пакета) scale имеет вид:

scale = diag(scale_diag + scale_identity_multiplier * ones(k))

где:

• scale_diag.shape = [k], и,
• scale_identity_multiplier.shape = [].

Дополнительные ведущие размеры (если таковые имеются) будут индексировать пакеты.

Если и scale_diag, и scale_identity_multiplier являются None, то scale — это единичная матрица.

Распределение MultivariateNormal является членом семейства масштабных параметров, т.е. его можно построить как,

X ~ MultivariateNormal(loc=0, scale=1)   # Identity scale, zero shift.
Y = scale @ X + loc

Примеры

import tensorflow_probability as tfp
tfd = tfp.distributions

# Initialize a single 2-variate Gaussian.
mvn = tfd.MultivariateNormalDiag(
    loc=[1., -1],
    scale_diag=[1, 2.])

mvn.mean().eval()
# ==> [1., -1]

mvn.stddev().eval()
# ==> [1., 2]

# Evaluate this on an observation in `R^2`, returning a scalar.
mvn.prob([-1., 0]).eval()  # shape: []

# Initialize a 3-batch, 2-variate scaled-identity Gaussian.
mvn = tfd.MultivariateNormalDiag(
    loc=[1., -1],
    scale_identity_multiplier=[1, 2., 3])

mvn.mean().eval()  # shape: [3, 2]
# ==> [[1., -1]
#      [1, -1],
#      [1, -1]]

mvn.stddev().eval()  # shape: [3, 2]
# ==> [[1., 1],
#      [2, 2],
#      [3, 3]]

# Evaluate this on an observation in `R^2`, returning a length-3 vector.
mvn.prob([-1., 0]).eval()  # shape: [3]

# Initialize a 2-batch of 3-variate Gaussians.
mvn = tfd.MultivariateNormalDiag(
    loc=[[1., 2, 3],
         [11, 22, 33]]           # shape: [2, 3]
    scale_diag=[[1., 2, 3],
                [0.5, 1, 1.5]])  # shape: [2, 3]

# Evaluate this on a two observations, each in `R^3`, returning a length-2
# vector.
x = [[-1., 0, 1],
     [-11, 0, 11.]]   # shape: [2, 3].
mvn.prob(x).eval()    # shape: [2]

Методы

batch_shape_tensor

Посмотреть исходный код

batch_shape_tensor(
    name='batch_shape_tensor'
)

Размер одного образца из одного индекса события в виде одномерного Tensor.

Размер пакетных измерений — индексы независимых, нетождественных параметризаций этого распределения.

cdf

Посмотреть исходный код

cdf(
    value, name='cdf'
)

Функция кумулятивного распределения.

Для случайной величины X, функция кумулятивного распределения cdf имеет вид:

cdf(x) := P[X <= x]

copy

Посмотреть исходный код

copy(
    **override_parameters_kwargs
)

Создает глубокую копию распределения.

Примечание: скопированное распределение может продолжать зависеть от исходных аргументов инициализации.

covariance

Посмотреть исходный код

covariance(
    name='covariance'
)

Ковариация.

Ковариация определена (возможно) только для распределений со значениями событий, отличными от скалярных.

Например, для распределения с вектором длины k, оно вычисляется как,

Cov[i, j] = Covariance(X_i, X_j) = E[(X_i - E[X_i]) (X_j - E[X_j])]

где Cov — (пакетная) k x k матрица, 0 <= (i, j) < k, и E обозначает математическое ожидание.

В качестве альтернативы, для не-векторных, многомерных распределений (например, матричных, Вишарта), Covariance возвращает (пакетную) матрицу при некоторой векторизации событий, т.е.,

Cov[i, j] = Covariance(Vec(X)_i, Vec(X)_j) = [as above]

где Cov — (пакетная) k' x k' матрица, 0 <= (i, j) < k' = reduce_prod(event_shape), и Vec — некоторая функция, отображающая индексы размерностей события этого распределения на индексы вектора длины k'.

cross_entropy

Просмотреть исходный код

cross_entropy(
    other, name='cross_entropy'
)

Вычисляет перекрёстную энтропию (по Шеннону).

Обозначим данное распределение (self) как P, а распределение other — как Q. Предполагая, что P, Q абсолютно непрерывны относительно друг друга и допускают плотности p(x) dr(x) и q(x) dr(x), перекрёстная энтропия (по Шеннону) определяется следующим образом:

H[P, Q] = E_p[-log q(X)] = -int_F p(x) log q(x) dr(x)

где F обозначает область определения случайной величины X ~ P.

entropy

Просмотреть исходный код

entropy(
    name='entropy'
)

Энтропия Шеннона в натах.

event_shape_tensor

Просмотреть исходный код

event_shape_tensor(
    name='event_shape_tensor'
)

Форма единственного выборки из одного пакета как 1-мерный int32 Tensor.

is_scalar_batch

Просмотреть исходный код

is_scalar_batch(
    name='is_scalar_batch'
)

Указывает, что batch_shape == [].

is_scalar_event

Просмотреть исходный код

is_scalar_event(
    name='is_scalar_event'
)

Указывает, что event_shape == [].

kl_divergence

Просмотреть исходный код

kl_divergence(
    other, name='kl_divergence'
)

Вычисляет расхождение Кульбака—Лейблера.

Обозначим данное распределение (self) как p, а распределение other — как q. Предполагая, что p, q абсолютно непрерывны относительно опорной меры r, расхождение Кульбака—Лейблера определяется как:

KL[p, q] = E_p[log(p(X)/q(X))]
         = -int_F p(x) log q(x) dr(x) + int_F p(x) log p(x) dr(x)
         = H[p, q] - H[p]

где F обозначает область определения случайной величины X ~ p, H[., .] обозначает (перекрёстную) энтропию Шеннона, а H[.] обозначает (перекрёстную) энтропию Шеннона.

log_cdf

Просмотреть исходный код

log_cdf(
    value, name='log_cdf'
)

Логарифмическая кумулятивная функция распределения.

Для случайной величины X, кумулятивная функция распределения cdf имеет вид:

log_cdf(x) := Log[ P[X <= x] ]

Часто для log_cdf(x) используется численное приближение, которое даёт более точный результат, чем просто взятие логарифма от cdf при x << -1.

log_prob

Просмотреть исходный код

log_prob(
    value, name='log_prob'
)

Логарифм функции плотности/массы вероятности.

Дополнительная документация от MultivariateNormalLinearOperator:

value — это пакетный вектор с совместимой формой, если value — это Tensor, чья форма может быть расширена до:

self.batch_shape + self.event_shape

или

[M1, ..., Mm] + self.batch_shape + self.event_shape

log_survival_function

Просмотреть исходный код

log_survival_function(
    value, name='log_survival_function'
)

Логарифмическая функция выживаемости.

Для случайной величины X, функция выживаемости определяется как:

log_survival_function(x) = Log[ P[X > x] ]
                         = Log[ 1 - P[X <= x] ]
                         = Log[ 1 - cdf(x) ]

Обычно используются различные численные приближения для логарифмической функции выживаемости, которые точнее, чем 1 - cdf(x) при x >> 1.

mean

Просмотреть исходный код

mean(
    name='mean'
)

Среднее значение.

mode

Просмотреть исходный код

mode(
    name='mode'
)

Мода.

param_shapes

Просмотреть исходный код

@classmethod
param_shapes(
    sample_shape, name='DistributionParamShapes'
)

Формы параметров при заданной форме вызова sample().

Это метод класса, который описывает, какие аргументы ключ/значение необходимы для создания экземпляра данного Distribution, чтобы для вызова sample() этим экземпляром возвращалась определённая форма.

Подклассы должны переопределять метод класса _param_shapes.

param_static_shapes

Посмотреть исходный код

@classmethod
param_static_shapes(
    sample_shape
)

param_shapes со статическими (т. е. TensorShape) формами.

Это метод класса, который описывает, какие аргументы ключ/значение необходимы для создания экземпляра данного Distribution, чтобы для вызова sample() этим экземпляром возвращалась определённая форма. Предполагается, что форма выборки известна статически.

Подклассы должны переопределять метод класса _param_shapes для возврата тензоров с постоянными значениями при подаче постоянных значений.

prob

Посмотреть исходный код

prob(
    value, name='prob'
)

Функция плотности/массы вероятности.

Дополнительная документация из MultivariateNormalLinearOperator:

value — это вектор пакетной формы, совместимый по форме, если value — это Tensor форма которого может быть расширена до:

self.batch_shape + self.event_shape

или

[M1, ..., Mm] + self.batch_shape + self.event_shape

quantile

Посмотреть исходный код

quantile(
    value, name='quantile'
)

Функция квантиля. Также известна как "обратная функция распределения" или "функция процентиля".

Для случайной величины X и p in [0, 1], quantile:

quantile(p) := x such that P[X <= x] == p

sample

Посмотреть исходный код

sample(
    sample_shape=(), seed=None, name='sample'
)

Генерирует образцы заданной формы.

Обратите внимание, что вызов sample() без аргументов сгенерирует один образец.

stddev

Посмотреть исходный код

stddev(
    name='stddev'
)

Среднее квадратичное отклонение.

Среднее квадратичное отклонение определяется как,

stddev = E[(X - E[X])**2]**0.5

где X — случайная величина, связанная с этим распределением, E обозначает математическое ожидание, и stddev.shape = batch_shape + event_shape.

survival_function

Посмотреть исходный код

survival_function(
    value, name='survival_function'
)

Функция выживаемости.

Для случайной величины X, функция выживаемости определяется:

survival_function(x) = P[X > x]
                     = 1 - P[X <= x]
                     = 1 - cdf(x).

variance

Посмотреть исходный код

variance(
    name='variance'
)

Дисперсия.

Дисперсия определяется как,

Var = E[(X - E[X])**2]

где X — случайная величина, связанная с этим распределением, E обозначает математическое ожидание, и Var.shape = batch_shape + event_shape.