tf.compat.v1.distributions.Distribution

Базовый класс для распределений вероятностей.

tf.compat.v1.distributions.Distribution(
    dtype, reparameterization_type, validate_args, allow_nan_stats, parameters=None,
    graph_parents=None, name=None
)

Distribution — это базовый класс для построения и организации свойств (например, математического ожидания, дисперсии) случайных величин (например, Бернулли, Гаусса).

Наследование

Подклассы должны реализовывать функцию с ведущим нижним подчеркиванием с тем же именем. Подпись аргументов должна быть идентичной, за исключением отсутствия name="...". Например, чтобы включить log_prob(value, name="log_prob"), подкласс должен реализовать _log_prob(value).

Подклассы могут дополнять общедоступные строки документации, предоставляя строки документации для своих специализаций методов. Например:

@util.AppendDocstring("Some other details.")
def _log_prob(self, value):
  ...

добавит строку «Некоторые другие детали» к строке документации функции log_prob. Это реализуется как простой декоратор, чтобы избежать сообщений линтера Python о пропущенных разделах Args/Returns/Raises в частичных строках документации.

Трансляция, пакетные операции и формы

Все распределения поддерживают пакетные независимые распределения того же типа. Форма пакета определяется путем трансляции параметров.

Форма аргументов для __init__, cdf, log_cdf, prob, и log_prob отражает эту трансляцию, как и возвращаемое значение sample и sample_n.

sample_n_shape = [n] + batch_shape + event_shape, где sample_n_shape — форма Tensor , возвращаемая функцией sample_n, n — количество выборок, batch_shape определяет, сколько независимых распределений существует, а event_shape определяет форму выборок из каждого из этих независимых распределений. Выборки независимы вдоль batch_shape измерений, но необязательно независимы вдоль event_shape измерений (в зависимости от особенностей базового распределения).

В качестве примера рассмотрим распределение Uniform:

minval = 3.0
maxval = [[4.0, 6.0],
          [10.0, 12.0]]

# Broadcasting:
# This instance represents 4 Uniform distributions. Each has a lower bound at
# 3.0 as the `minval` parameter was broadcasted to match `maxval`'s shape.
u = Uniform(minval, maxval)

# `event_shape` is `TensorShape([])`.
event_shape = u.event_shape
# `event_shape_t` is a `Tensor` which will evaluate to [].
event_shape_t = u.event_shape_tensor()

# Sampling returns a sample per distribution. `samples` has shape
# [5, 2, 2], which is [n] + batch_shape + event_shape, where n=5,
# batch_shape=[2, 2], and event_shape=[].
samples = u.sample_n(5)

# The broadcasting holds across methods. Here we use `cdf` as an example. The
# same holds for `log_cdf` and the likelihood functions.

# `cum_prob` has shape [2, 2] as the `value` argument was broadcasted to the
# shape of the `Uniform` instance.
cum_prob_broadcast = u.cdf(4.0)

# `cum_prob`'s shape is [2, 2], one per distribution. No broadcasting
# occurred.
cum_prob_per_dist = u.cdf([[4.0, 5.0],
                           [6.0, 7.0]])

# INVALID as the `value` argument is not broadcastable to the distribution's
# shape.
cum_prob_invalid = u.cdf([4.0, 5.0, 6.0])

Формы

Есть три важных понятия, связанных с формами распределений TensorFlow:

• Форма события описывает форму одного случайного выбора из распределения; она может зависеть от измерений. Для скалярных распределений форма события — []. Для 5-мерного MultivariateNormal форма события — [5].
• Форма пакета описывает независимые, не тождественно распределенные выборки, т.е. «коллекцию» или «группу» распределений.
• Форма выборки описывает независимые, тождественно распределенные выборки пакетов из семейства распределений.

Форма события и форма пакета являются свойствами объекта Distribution, а форма выборки связана с конкретным вызовом sample или log_prob.

Подробные примеры использования форм распределений TensorFlow см. в этом руководстве

Значения параметров, приводящие к неопределенным статистическим данным или распределениям.

У некоторых распределений нет хорошо определённых статистических данных для всех значений параметров инициализации. Например, распределение бета параметризуется положительными вещественными числами concentration1 и concentration0, и не имеет хорошо определённой моды, если concentration1 < 1 или concentration0 < 1.

Пользователю предоставляется возможность либо вызвать исключение, либо вернуть значение NaN.

a = tf.exp(tf.matmul(logits, weights_a))
b = tf.exp(tf.matmul(logits, weights_b))

# Will raise exception if ANY batch member has a < 1 or b < 1.
dist = distributions.beta(a, b, allow_nan_stats=False)
mode = dist.mode().eval()

# Will return NaN for batch members with either a < 1 or b < 1.
dist = distributions.beta(a, b, allow_nan_stats=True)  # Default behavior
mode = dist.mode().eval()

Во всех случаях исключение возникает при передаче некорректных параметров, например:

# Will raise an exception if any Op is run.
negative_a = -1.0 * a  # beta distribution by definition has a > 0.
dist = distributions.beta(negative_a, b, allow_nan_stats=True)
dist.mean().eval()

Методы

batch_shape_tensor

Посмотреть исходный код

batch_shape_tensor(
    name='batch_shape_tensor'
)

Форма одной выборки из одного индекса события как 1-мерный Tensor.

Размеры пакета являются индексами в независимых, не тождественно распределённых параметризациях этого распределения.

cdf

Посмотреть исходный код

cdf(
    value, name='cdf'
)

Функция кумулятивного распределения.

Для случайной величины X, функция кумулятивного распределения cdf определяется как:

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

copy

Посмотреть исходный код

copy(
    **override_parameters_kwargs
)

Создаёт глубокую копию распределения.

Примечание: распределение копии может по-прежнему зависеть от исходных аргументов инициализации.

covariance

Просмотреть исходный код

covariance(
    name='covariance'
)

Ковариация.

Ковариация (возможно) определяется только для распределений с нескалярными событиями.

Например, для векторного распределения 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 — (вектор) матрица k x k, 0 <= (i, j) < k, а E обозначает математическое ожидание.

В качестве альтернативы, для не-векторных, многомерных распределений (например, матрично-значных, Вишарта), Covariance должен возвращать (вектор) матрицу в рамках некоторой векторной записи событий, т.е.,

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

где Cov — (вектор) матрица k' x k', 0 <= (i, j) < k' = reduce_prod(event_shape), а 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 (Шеннона).

Обозначим это распределение (self) как P и 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 (Шеннона) определяется как:

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 одного образца из одного набора данных как 1-D целочисленное значение типа 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 расстояние Кульбака—Лейблера.

Обозначим это распределение (self) как p и распределение other как q. Предполагая, что p, q абсолютно непрерывны относительно опорной меры r, расстояние 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 (энтропию Шеннона) перекрёстную энтропию, а H[.] обозначает (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 обеспечивает более точный результат, чем просто взятие логарифма cdf при x << -1.

log_prob

Просмотреть исходный код

log_prob(
    value, name='log_prob'
)

Логарифм плотности/массы вероятности.

log_survival_function

Просмотреть исходный код

log_survival_function(
    value, name='log_survival_function'
)

Логарифмическая функция выживания.

Для случайной величины X, функция выживания определяется следующим образом:

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

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

Среднее значение

Просмотреть исходный код

mean(
    name='mean'
)

Среднее значение.

Мода

Просмотреть исходный код

mode(
    name='mode'
)

Мода.

Формы параметров

Просмотреть исходный код

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

Формы параметров, учитывая желаемую форму вызова sample().

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

Подклассы должны переопределить метод класса _param_shapes.

Статические формы параметров

Просмотреть исходный код

@classmethod
param_static_shapes(
    sample_shape
)

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

Это метод класса, описывающий аргументы ключ/значение, необходимые для создания экземпляра данного Distribution, чтобы получить определённую форму для вызова sample() этим экземпляром. Предполагается, что форма выборки известна статически.

Подклассы должны переопределить метод класса _param_shapes, чтобы возвращать тензоры с постоянными значениями при подаче постоянных значений.

Вероятность

Просмотреть исходный код

prob(
    value, name='prob'
)

Функция плотности/массы вероятности.

Квантиль

Просмотреть 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], квантиль:

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

Образец

Просмотреть исходный код

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

Генерирует образцы указанной формы.

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

Стандартное отклонение

Просмотреть исходный код

stddev(
    name='stddev'
)

Стандартное отклонение.

Стандартное отклонение определяется как,

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

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

Функция выживания

Просмотреть исходный код

survival_function(
    value, name='survival_function'
)

Функция выживания.

Для случайной величины X, функция выживания определяется:

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

Дисперсия

Просмотреть 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, а Var.shape = batch_shape + event_shape.