スキップしてメイン コンテンツに移動

Maximum likelihood extimation

Introduction


Today, I will write about the Maximum likelihood estimation. This is basically the Statistics estimation. I want to explain an example of Maximum likelihood estimation. Firstly, I will explain likelihood. Secondly, I will likelihood function. Thirdly, I will explain the Maximum likelihood estimation.

Overview


  • likelihood
  • Maximum likelihood estimation
  • the problem of Maximum likelihood estimation


likelihood

Let we get the observation data by a precondition.
When we estimate precondition by an observation data, the likelihood is a plausible value which indicated that its estimation is correct.

Maybe, you can not understand this meaning. Also, I could not understand.
I give you an example of likelihood.

I throw a coin. this coin land heads up by probability P, and lands head on the reverse by probability 1-P.
For example, when I throw 100 times a coin, all trial is head. Then, we estimate that probability P is 1.0.

If let P=0.5, Probability that the coin lands 100 times heads is $0.5^{100} = 7.88860e-31$. this is likelihood when let P=0.5.

If let P=0.99, Provability that the coin lands 100 times heads is $0.99^{100} = 0.3666....$. this is likelihood when let P=0.99.

when a phenomenon is fixed that the coin lands 100 times heads, P(100 times heads|P) is called likelihood function of variable P.

At result, the likelihood is that P(A|B = b) when A is fixed and it hold B=b.

We regard maximizing likelihood as reasonable value b.

For example, I use an earlier example.

when letting P=0.5, tje likelihood is 7.88860e-31. when letting P=0.99, likelihood is 0.3666.
Thus, we think that it is natural for our to regard P=0.99.

Thus, P=0.99 is optimum than P=0.5.

Maximum likelihood estimation

The Maximum likelihood estimation is a method that we estimate a parameter of the probability distribution from getting observation data.

The maximum likelihood estimation maximizes all likelihood.

Let probability distirbution function is $f$ and $X_1,X_2,...,X_n is specimen such that $$X_1,X_2, ..., X_n \sim f$.

Then, Probability that we get $X_1,X_2,..,X_n$ from $f$ is
$$\Pi_{i=1}^{N} P(X_i)$$
, because we have to think joint probability.

Thus, I define
$$L(\theta) = f(x_1,x_2,...,x_n|\theta)$$ called likelihood function.

Then,
$$\theta^{\star} \in \arg_{\theta} \max L(\theta)$$
$\theta$ is called maximum likelihood estimator,

and,
$$\frac{\partial}{\partial \theta} \log L(\theta)$$
is called likelihood equation.

I explain the reason that I use $\log$ next example of maximum likelihood estimation.

Example

I think about $x_1,x_2,...,x_n \in {0,1}$. $\forall i \in {1,2,..,n}$, If $x_i = 1$, the coin lands head i'th time. if $x_i$, the coin lands tail i'th time.

Then, likehood function is
$$L(\theta) = P(x_1,x_2,...,x_n|\theta) = \Pi_{i=1}^{n} \theta^{x_i} (1-\theta)^{1-x_i}$$
, because $\forall i \in {1,2,..,n},  \sim p(k;\theta) = \theta^k (1-\theta)^{1-k} ~~~~\textrm{for} k \in {0,1}$
here, $\theta$ is probability that the coin lands head.

I maximize $L(\theta)$ about $\theta$, but it is difficult to differentiating, because $L(\theta)$ is expressed multiplication.

I solve this problem.
Its method is $\log$ function.
$\log$ function is monotonically increasing function, thus it is consistented optimal solution of $L(\theta)$ and $\log L(\theta)$.

Thus, I think maximizing $\log L(\theta)$.

\begin{eqnarray*}
\log L(\theta) &=& \log \Pi_{i=1}^{n} \theta^{x_i} (1-\theta)^{1-x_i} \\
&=& \sum_{i=1}^N \log \theta^{x_i} + \log (1-\theta)^{1-x_i} \\
&=& \sum_{i=1}^N  x_i \log \theta + (1-x_i)\log(1-\theta)
\end{eqnarray*}

Partial of this is

\begin{eqnarray*}
\frac{\partial}{\partial \theta} \log L(\theta) &=& 0 \\
\frac{\partial}{\partial \theta} \sum_{i=1}^N x_i \log \theta + (1-x_i) \log (1-\theta) &=& 0 \\
\sum_{i=1}^N \frac{x_i}{\theta} - \frac{1-x_i}{1-\theta} &=& 0 \\
\frac{1}{\theta} \sum_{i=1}^N x_i - \frac{1}{1-\theta_i} \sum_{i=1}^N (1-x_i) &=& 0 \\
(1-\theta) \sum_{i=1}^N x_i - \theta \sum_{i=1}^N 1-x_i &=& 0 \\
\sum_{i=1}^N x_i - \theta \sum_{i=1}^N x_i - \theta \sum_{i=1}^N 1 + \theta \sum_{i=1}^N x_i &=& 0 \\
\sum_{i=1}^N x_i - n \theta &=& 0 \\
\theta &=& \frac{\sum_{i=1}^N }{n} \\
\end{eqnarray*}


This optimum is mean of $x_1,x_2,..,x_n$.
If you get the phenomenon that head is 100 times and tail is 0 times.
Then $\theta = 1$

If you get the phenomenon that head is 50 times and tail is 50 times.
Then $\theta = 0.5$


Problem of Maximum likelihood estimation

For example,
If you get the phenomenon that head is 100 times and tail is 0 times, then $\theta = 1$,
but if you get the phenomenon that is 3 times and tail 0 times, then $\theta = 1$.

However, it is dangerous to judge $\theta = 1$ by 3 times implement.

It is problem, Thus maximum likelihood estimation is dangerous when a number of the trial is few.

Reference

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%A4%E5%BA%A6%E9%96%A2%E6%95%B0

コメント

このブログの人気の投稿

Bayes' theorem

Introduction sorry, this page is Japanese only.   今回はベイズの定理について書こうと思います。 ベイズの定理とは、イギリスのトーマス・ベイズによって発見された、条件付き確率に関する定理です。現在のベイズ推定で用いられる重要な定理です。どのような定理かを解説していこうと思います。 ベイズの定理 ベイズの定理とは 確率P(B|A):事象Aが起こった後での事象Bの確率(事後確率) 確率P(B):事象Aが起こる前の事象Bの確率(事前確率) とするとき以下が成り立つことを示しています。 $$P(B|A) = \frac{P(A|B) P(B)}{P(A)}$$ 例 例えば、次のように事象A、事象Bwo定義します。 事象A:あるYoutuberが動画を投稿したとき、再生回数が100万回を超える 事象B:あるYoutuberがお金を50万円以上使う動画を投稿する この時確率P(A|B)、つまり50万円以上を使った動画が再生回数100万回を超える確率は、youtube内の50万円以上使っている動画を根こそぎ集め、その再生回数を得ることによって推定できそうです。では確率P(A|B)がわかった時、確率P(B|A)もわかる。これがベイズの定理の強みです。(当然確率P(A)とP(B)がわかっている必要はあります。) 確率P(B|A)とはあるYoutuberの動画が再生回数100万回を超えたとき、その同がで50万円以上使っている確率となります。これがわかれば、100万回動画が再生される原因は本当に50万円以上お金を使うことなのかがわかります。 確率P(A|B)が低い時を考えてみましょう。 つまり、50万円以上使った動画は再生回数100万回を超える確率は高い。しかし、100万回再生回数を突破したとき、その動画が50万円以上使っている可能性は低い。この状況はベイズの定理の式を考えいると理解しやすいです。 ベイズの定理の式を見てみると、P(B|A)は低く、P(A|B)が高いということは、確率P(A)が著しく高い。もしくは、P(B)が著しく低い。この二つがあげられます。 つまり、あるYouruberが100万回再生を突破する確率がかなり、高い。もしくは、あるYoutuber...

Discrete Fourier transform

Introduction 日本語 ver I will write about Discrete Fourier transform. Discrete Fourier transform is Abbreviated DFT. I am making pdf about Audio Signal Processing. I publish pdf at  github . However, I write tex in Japanese. I take a lecture about the signal processing. There is lecture at  thie page . I update this pdf.

ヘッセ行列

Introduction English ver 今日は、ヘッセ行列を用いたテイラー展開について書こうと思います。 これは最適化を勉強するにあたって、とても大事になってくるので自分でまとめて残しておくことにしました。とくに、機械学習では最適化を必ず行うため、このブログのタイトルにもマッチした内容だと思います。 . 概要 ヘッセ行列の定義 ベクトルを用いたテイラー展開 関数の最適性 ヘッセ行列の定義 仮定 f は次のような条件を満たす関数です。. f はn次元ベクトルから実数値を出力します。 このベクトルは次のように表せます。 \[x = [x_1,x_2,,,,x_n]\] \(\forall x_i , i \in {1,2,,,n}\), f は二回偏微分可能です。 定義 ヘッセ行列は \(\frac{\partial^2}{\partial x_i \partial x_j}を (i,j)要素に持ちます。\) よってヘッセ行列は次のように表せます。 \[ H(f) = \left( \begin{array}{cccc} \frac{\partial^ 2}{\partial x_1^2} & \frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_2} & &\ldots \frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_n} \\ \frac{\partial^ 2 f}{\partial x_1 \partial x_2} & \frac{\partial^ 2 f}{\partial x_2^ 2} & \ldots & \frac{\partial^2 f}{\partial x_2 \partial x_n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial^ 2 f}{\partial x_n \partial x_2} & \frac{\partial^ 2 f}{\partial x_n \partial x_2} & \ldo...