tf.compat.v1.distributions.Dirichlet

Распределение Дирихле.

Наследуется от: Distribution

tf.compat.v1.distributions.Dirichlet(
    concentration,
    validate_args=False,
    allow_nan_stats=True,
    name='Dirichlet'
)

Распределение Дирихле определено над (k-1)-симплексом с помощью положительного вектора длины k concentration (k > 1). Распределение Дирихле совпадает с распределением Бета, когда k = 2.

Математические подробности

Распределение Дирихле — это распределение над открытым (k-1)-симплексом, т.е.

S^{k-1} = { (x_0, ..., x_{k-1}) in R^k : sum_j x_j = 1 and all_j x_j > 0 }.

Плотность вероятности (pdf) равна:

pdf(x; alpha) = prod_j x_j**(alpha_j - 1) / Z
Z = prod_j Gamma(alpha_j) / Gamma(sum_j alpha_j)

где:

• x in S^{k-1}, т.е., (k-1)-симплекс,
• concentration = alpha = [alpha_0, ..., alpha_{k-1}], alpha_j > 0,
• Z — это нормализующая константа, также известная как многомерная бета-функция, и,
• Gamma — это гамма-функция

concentration представляет собой среднее количество случаев появления классов, т.е.

concentration = alpha = mean * total_concentration

где mean в S^{k-1} и total_concentration — положительное действительное число, представляющее среднее общее количество.

Параметры распределения автоматически векторизуются во всех функциях; см. примеры для получения подробностей.

Выборка из этого распределения перепараметризована (путь, по которому можно вычислять производные). Производные вычисляются с использованием подхода, описанного в (Figurnov и др., 2018).

Примеры

import tensorflow_probability as tfp
tfd = tfp.distributions

# Create a single trivariate Dirichlet, with the 3rd class being three times
# more frequent than the first. I.e., batch_shape=[], event_shape=[3].
alpha = [1., 2, 3]
dist = tfd.Dirichlet(alpha)

dist.sample([4, 5])  # shape: [4, 5, 3]

# x has one sample, one batch, three classes:
x = [.2, .3, .5]   # shape: [3]
dist.prob(x)       # shape: []

# x has two samples from one batch:
x = [[.1, .4, .5],
     [.2, .3, .5]]
dist.prob(x)         # shape: [2]

# alpha will be broadcast to shape [5, 7, 3] to match x.
x = [[...]]   # shape: [5, 7, 3]
dist.prob(x)  # shape: [5, 7]

# Create batch_shape=[2], event_shape=[3]:
alpha = [[1., 2, 3],
         [4, 5, 6]]   # shape: [2, 3]
dist = tfd.Dirichlet(alpha)

dist.sample([4, 5])  # shape: [4, 5, 2, 3]

x = [.2, .3, .5]
# x will be broadcast as [[.2, .3, .5],
#                         [.2, .3, .5]],
# thus matching batch_shape [2, 3].
dist.prob(x)         # shape: [2]

Вычислите градиенты выборок по параметрам:

alpha = tf.constant([1.0, 2.0, 3.0])
dist = tfd.Dirichlet(alpha)
samples = dist.sample(5)  # Shape [5, 3]
loss = tf.reduce_mean(tf.square(samples))  # Arbitrary loss function
# Unbiased stochastic gradients of the loss function
grads = tf.gradients(loss, alpha)

Ссылки:

Неявные градиенты перепараметризации: Figurnov и др., 2018 (pdf)

Методы

batch_shape_tensor

Просмотреть исходный код

batch_shape_tensor(
    name='batch_shape_tensor'
)

Форма одной выборки из одного индекса события в виде одномерного Tensor.

Размерность набора индексов в независимые, но не тождественные параметризации этого распределения.

cdf

Просмотреть исходный код

cdf(
    value, name='cdf'
)

Функция кумулятивного распределения.

Для случайной величины X, функция кумулятивного распределения cdf равна:

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

copy

Просмотреть исходный код

copy(
    **override_parameters_kwargs
)

Создает глубокую копию распределения.

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

covariance

Просмотреть исходный код

covariance(
    name='covariance'
)

Ковариация.

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

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

В качестве альтернативы для невекторных, многомерных распределений (например, матричных, Вишарта), Covariance возвращает (набор) матриц при некотором векторизации событий, т.е.

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

где Cov — (набор) k' x k' матриц, 0 <= (i, j) < k' = reduce_prod(event_shape), и Vec — некоторая функция, отображающая индексы размерностей событий этого распределения в индексы вектора длины k'.

cross_entropy

Просмотреть исходный код

cross_entropy(
    other, name='cross_entropy'
)

Вычисляет (энтропию Шеннона) перекрёстную энтропию.

Обозначим это распределение (self) как P и распределение other как Q. Предполагая, что P, Q абсолютно непрерывны друг относительно 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.

data-text="entropy" id="entropy">entropy

Просмотреть исходный код

entropy(
    name='entropy'
)

Энтропия Шеннона в натах.

data-text="event_shape_tensor" id="event_shape_tensor">event_shape_tensor

Просмотреть исходный код

event_shape_tensor(
    name='event_shape_tensor'
)

Форма одного образца из одной партии в виде одномерного целочисленного Tensor.

data-text="is_scalar_batch" id="is_scalar_batch">is_scalar_batch

Просмотреть исходный код

is_scalar_batch(
    name='is_scalar_batch'
)

Указывает, что batch_shape == [].

data-text="is_scalar_event" id="is_scalar_event">is_scalar_event

Просмотреть исходный код

is_scalar_event(
    name='is_scalar_event'
)

Указывает, что event_shape == [].

data-text="kl_divergence" id="kl_divergence">kl_divergence

Просмотреть исходный код

kl_divergence(
    other, name='kl_divergence'
)

Вычисляет расхождение Куллбека—Лейблера.

Обозначим это распределение (self) как p и распределение other как q. Предполагая, что p, q абсолютно непрерывны относительно меры отсчёта r, расхождение Куллбека—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, и H[.] обозначает (энтропию Шеннона) энтропию.

data-text="log_cdf" id="log_cdf">log_cdf

Просмотреть исходный код

log_cdf(
    value, name='log_cdf'
)

Логарифм функции кумулятивного распределения.

Для случайной величины X, функция кумулятивного распределения cdf выглядит следующим образом:

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

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

data-text="log_prob" id="log_prob">log_prob

Просмотреть исходный код

log_prob(
    value, name='log_prob'
)

Логарифм функции плотности/массы вероятности.

Дополнительная документация из Dirichlet:

Примечание: value должен быть неотрицательным тензором с типом self.dtype и находиться в (self.event_shape() - 1)-симплексе, т. е., tf.reduce_sum(value, -1) = 1. Он должен иметь форму, совместимую с self.batch_shape() + self.event_shape().

data-text="log_survival_function" id="log_survival_function">log_survival_function

Просмотреть исходный код

log_survival_function(
    value, name='log_survival_function'
)

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

data-text="mean" id="mean">mean

Просмотреть исходный код

mean(
    name='mean'
)

Среднее значение.

data-text="mode" id="mode">mode

Просмотреть исходный код

mode(
    name='mode'
)

Мода.

Дополнительная документация из Dirichlet:

Примечание: Мода не определена, если какой-либо concentration <= 1. Если self.allow_nan_stats является True, NaN используется для неопределённых мод. Если self.allow_nan_stats является False, генерируется исключение при неопределённых моде(ах).

data-text="param_shapes" id="param_shapes">param_shapes

Просмотреть исходный код

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

Формы параметров при заданной форме вызова sample().

Это метод класса, описывающий требуемые пары «ключ-значение» для создания данного Distribution таким образом, чтобы для вызова sample() этого экземпляра возвращалась определённая форма.

Подклассы должны переопределять метод класса _param_shapes.

param_static_shapes

Просмотреть исходный код

@classmethod
param_static_shapes(
    sample_shape
)

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

Это метод класса, описывающий необходимые аргументы key/value для создания экземпляра заданного Distribution, чтобы получить определенную форму для вызова sample() этого экземпляра. Предполагается, что форма выборки известна статически.

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

prob

Просмотреть исходный код

prob(
    value, name='prob'
)

Функция плотности/массы вероятности.

Дополнительная документация из Dirichlet:

Примечание: value должен быть ненулевым тензором типа self.dtype и находиться в (self.event_shape() - 1)-симплексе, т.е. tf.reduce_sum(value, -1) = 1. Он должен иметь форму, совместимую с self.batch_shape() + self.event_shape().

quantile

Просмотреть исходный код

quantile(
    value, name='quantile'
)

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

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

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

sample

Просмотреть исходный код

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

Генерирует выборки заданной формы.

Обратите внимание, что вызов sample() без аргументов сгенерирует одну выборку.

stddev

Просмотреть исходный код

stddev(
    name='stddev'
)

Среднее квадратическое отклонение.

Среднее квадратическое отклонение определяется как,

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

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

survival_function

Просмотреть исходный код

survival_function(
    value, name='survival_function'
)

Функция выживания.

Для случайной переменной X, функция выживания определяется как:

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

variance

Просмотреть исходный код

variance(
    name='variance'
)

Дисперсия.

Дисперсия определяется как,

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

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