統計的システム論 マルコフ連鎖モンテカルロ法 林 和則 京都大学大学院情報学研究科 E-mail: kazunori@i.kyoto-u.ac.jp 講義資料： http://www.msys.sys.i.kyoto-u.ac.jp/~kazunori/sst.html 1 2 AGENDA ! 次元の呪い ! メトロポリス法とギブス・サンプラー ! マルコフ連鎖と定常分布 ! 既約性と非周期性 ! 定常分布への収束 ! 詳細釣り合い条件 ! メトロポリス・ヘイスティングス法 ! 参考文献 3 次元の呪い - ２次元の場合： 円の面積 正方形の面積 - N次元の場合： N次元球の体積 N次元立方体の体積 Nが大きくなると，N次元立方体の中の一様分布から乱数を発生させ たときにN次元球の中にヒットする確率は非常に小さくなる 4 マルコフ連鎖モンテカルロ法 マルコフ連鎖の不変分布＝（興味のある）事後分布 そのマルコフ連鎖のからのサンプル＝（興味のある）事後 分布からのサンプル マルコフ連鎖モンテカルロ法 （Markov Chain Monte-Carlo: MCMC） 1950年代に統計物理の分野で誕生（計算機ができてすぐ） 1990年代に統計的情報処理の世界で広く利用 -離散，連続を問わず様々な分布に適用可能 -非常に多変量の場合にも適用可能 5 モンテカルロ法 モンテカルロ法 マルコフ連鎖モンテカルロ法 （動的モンテカルロ） ポピュレーション型 のモンテカルロ メトロポリス・ヘイスティングス法 ギブス・ サンプラー （熱浴法） メトロポリス法 独立サンプラー 逐次モンテカルロ 6 メトロポリス法の適用（離散変数の場合） ３つの離散確率変数： 分布 からのサンプルを生成したい 7 離散変数のメトロポリス法 の任意の初期状態からはじめて，以下を繰り返す 1. 変数を一つを選択 （順番は一定でもランダムでも可） 2. の値を で置き換え，他はそのままにした状態を次の「候補」 3. 「候補」の状態の確率と現在の状態の確率の比 を計算 を選択： 4. の一様乱数を生成 5. ならば「候補」を次の状態に(受理, accept), そうでなければ 現在の状態を次の状態に(棄却, reject) 8 離散変数のメトロポリス法：注意点 - （「候補」の確率が大きい）ならば，「候補」は必ず採用 - であっても，確率 で「候補」を採用 - この確率的ルールがマルコフ連鎖を定め，サンプル列が生成される - マルコフ連鎖の「定常分布」＝所望の同時分布 - 初期状態から十分長く経った出力列から，十分に間隔をあけてとった サンプルは，所望の分布からの独立なサンプル(混合時間) - サンプル列の最初を用いても正しい期待値が得られるが，実際は捨 てたほうがよい（burn-in） 9 メトロポリス法の適用（連続変数の場合） 2変数正規分布の場合： [2変数正規分布に対するメトロポリス法] の任意の初期状態からはじめて，以下を繰り返す 1. を原点対称の確率密度 から発生 2. 「候補」 3. 「候補」と現在の状態の確率の比： 4. の一様乱数を生成し， ならば ， そうでなければ何もしない 10 連続変数のメトロポリス法：注意点 - 密度 は対称性 を満たせばほぼなんでもよい 例） を適当なステップ幅として - 分散 平均 の正規分布から を独立に選択 - 区間 上の一様分布から を独立に選択 -同時に を変える代わりに，以下の(i)(ii)を交互に行ってもよい (i) とした候補を受理するか判定 (ii) 逆に だけを動かした候補を受理するか判定 11 2変数分布に対するギブス・サンプラー の任意の初期状態からはじめて，以下を繰り返す 1. の新しい値を で選ぶ 2. の新しい値を で選ぶ - 変数の場合 からサンプリング - 連続変数のメトロポリス法は効率がステップ幅 の影響を受けるが， ギブス・サンプラーはステップ幅を決める必要がない - 条件付分布からのサンプリングが容易 ⇒ ギブス・サンプラーの実装 が容易 12 マルコフ連鎖とMCMCにおける要請 マルコフ連鎖： 次の状態 を取る確率が，直前の状態 にのみ依存する ルールで動くシステム 遷移確率： 状態 から に移る確率 ステップtの分布 はステップt+1では次のように変換 要請： どんな初期分布 から初期状態 を選んでも で は分布 に収束 13 定常分布(不変分布) が に収束するためには， は，任意の について は遷移確率 で決まるマルコフ連鎖の定常分布（不変分布） 14 既約性と非周期性 ある初期状態 からたどり着けない状態 で ならアウト マルコフ連鎖の遷移グラフが強連結であることが必要（既約性） A. 任意の について，ある があって，遷移確率 による遷移を ちょうど 回繰り返して， から に有限の確率で到達できる B. ある があって，任意の について，遷移確率 による遷移を ちょうど 回繰り返して， から に有限の確率で到達できる 条件A（既約性） 条件B（既約性+非周期性） 15 定常分布への収束の証明 で定まる遷移を 回繰り返したものを改めて とおく 条件Bの を１に→条件B* 定常分布 の存在を仮定して，任意の初期分布 から への収束を証明 証明のポイント： 任意の分布 から出発し，遷移を一回したあと の分布が次のように書ける （＊） は によらない定数 は に依存してもよいが， 16 定常分布への収束の証明（続） 17 （＊）の証明 （＊） は によらない定数 は に依存してもよいが， 条件B*より，任意の について 18 （＊）の証明 は の値に依存するが， のとる値は有限個しかない とすると によらない について （ を小さくしてもこの不等式は成立するので の場合は とする） 任意の について と定義 ， より 両辺 について和をとる から 以上より，（＊）および付随する条件が示された 19 詳細釣り合い条件 「 が定常分布になる」という条件は非常に緩い （逆にこれを満たすマルコフ連鎖の設計が難しい） 詳細釣り合い（detailed balance）条件： 任意の について 詳細釣り合い条件は， 定常分布であることの 十分条件 が成り立つ 詳細釣り合い条件を．．． 満足できる 満足できない メトロポリス法とメトロポリス・ヘイスティ ングス法 状態 にいるときに， が候補として選ばれる確率： （しばらく対称性 を仮定） - ならば を必ず受理 - ならば を確率 で受理 メトロポリス法の遷移確率： と がともに0でない任意の異なる2状態 について の場合： 20 メトロポリス法とメトロポリス・ヘイスティ ングス法（続） メトロポリス法における詳細つりあい条件の確認： と がともに0でない任意の異なる2状態 について の場合 の場合： の定義を から メトロポリス・ヘイス ティングス（MH）法 に変更すればよい 21 22 ギブス・サンプラー（熱浴法） 変数が と書けるとき，各成分 毎に 以外の変数 を 固定した条件付分布 からのサンプル で の値を置き換える操作を繰り返す : からのサンプル(状態) : 条件付分布に従って成分 を取り直した状態 取り直した後の と の同時分布： は定常分布 23 ギブス・サンプラー（熱浴法）（続） ギブス・サンプラーの各ステップは詳細釣り合い条件を満たす （ギブス・サンプラーはMH法の特殊な場合） - と が一つの成分 以外は同じとき： - それ以外: ( : が選ばれる確率) 全ての候補が採用され，ギブス・サンプラーが再現される 24 参考文献 1. C. M. Bishop, Pattern Recognition and Machine Leaning, Springer, 2006 2. 伊庭幸人, 講座物理の世界 ベイズ統計と統計物理, 岩波書店, 2003. 3. 伊庭幸人ほか, 統計科学のフロンティア12 計算統計II, 岩波書店, 2005. 4. 小西貞則ほか, 計算統計学の方法 -ブートスラップ・EMアルゴリズム・MCMC-, 朝倉書店, 2008. 5. 豊田秀樹, マルコフ連鎖モンテカルロ法, 朝倉書店, 2008. 6. 中妻照雄, 入門ベイズ統計学, 朝倉書店, 2007. 7. 樋口知之, “粒子フィルタ,” 電子情報通信学会誌, vol. 88, no. 12, pp. 989-994, Dec. 2005.
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