R语言使用Metropolis-Hastings采样算法自适应贝叶斯估计与可视化

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如果您可以写出模型的似然函数,则 Metropolis-Hastings算法可以负责其余部分(即MCMC )。我写了r代码来简化对任意模型的后验分布的估计。具体如下:

1)定义模型(即概率先验)。在此示例中,让我们构建一个简单的线性回归模型(对数)。


a<-pars[1] #截距
b<-pars[2] #斜率
sd_e<-pars[3] #残差
if(sd_e<=0){return(NaN)}log_likelihood<-sum( dnorm(data[,2],pred,sd_e, log=TRUE) )

先验:


epsilon<-pars[3] #残差prior_a<-dnorm(a,0,100,log=TRUE) ##所有的非信息性先验prior_b<-dnorm(b,0,100,log=TRUE) ## 参数.prior_epsilon<-dgamma(epsilon,1,1/100,log=TRUE)

现在让我们模拟一些数据以进行运行测试:


x<-runif(30,5,15)y<-x+rnorm(30,0,5) ##斜率=1, 截距=0, epsilon=5

2)Metro Hastings 完成所有工作。


MH(li_func=li_reg,pars=c(0,1,1),

3)您可以使用plotMH()查看所有模型参数的后验


plot(mcmc)

绘制所有参数之间的相关性。

4)输出后验置信区间。


BCI
# 0.025 0.975
# a -5.3345970 6.841016
# b 0.4216079 1.690075
# epsilon 3.8863393 6.660037

接下来,我想提供一种直观的方法来可视化此算法运行的情况。

主要思想是从分布中抽取样本。积分很重要,贝叶斯定理本身:

P(θ| D)= P(D |θ)P(θ)/ P(D)

其中P(D)是观察数据的无条件概率。由于这不依赖于推断的模型(θ)参数,因此P(D)是归一化常数。

因此,我们有一个非归一化的概率密度函数,我们希望通过随机抽样来估计。对于复杂的模型而言,随机抽样本身的过程通常很困难,因此,我们使用马尔可夫链来探索分布。我们需要一个链,如果运行时间足够长,它将作为目标分布的随机样本整体。我们构建的马尔可夫链的这种特性称为 遍历性。Metropolis-Hastings算法是构建这种链的一种方法。

步骤:

  1. 在参数空间k_X中选择一些起点

  2. 选择一个候选点k_Y〜N(k_X,σ)。这通常称为提议分布

  3. 移至候选点的概率为:min(π(k_Y)/π(K_X),1)

  4. 重复。

以下代码通过简单的正态目标分布演示了此过程。


### Metropolis-Hastings 可视化 #######
k_X = seed; ##将k_X设置为种子位置
for(i in 1:iter){track<-c(track,k_X) ## 链
k_Y = rnorm(1,k_X,prop_sd) ##候选点
## -- 绘制链的核密度估计
lines(density(track,adjust=1.5),col='red',lwd=2)## -- 绘制链
plot(track,1:i,xlim=plot_range,main='',type='l',ylab='Trace')## -- 绘制目标分布和提议分布
curve(dnorm(x,k_X,prop_sd),col='black',add=TRUE)abline(v=k_X,lwd=2)## 接受概率为a_X_Y
if (log(runif(1))<=a_X_Y)points(k_Y,0,pch=19,col='green',cex=2)## 调整提议
if(i>100)prop_sd=sd(track[floor(i/2):i])

该算法实现中的一个普遍问题是σ的选择。当σ接近目标分布的标准偏差时,将发生有效混合(链收敛到目标分布)。当我们不知道这个值时。我们可以允许σ根据到目前为止的链历史记录进行调整。在上面的示例中,将σ更新为链中某些先验点的标准偏差值。

输出为多页pdf,可以滚动浏览。

顶部显示了目标分布(蓝色虚线)和通过MCMC样本对目标进行的核平滑估计。第二面板显示了链的轨迹,底部显示了算法本身的步骤。

注意:请注意,前100次左右的迭代是目标分布的较差表示。在实践中,我们将“预烧”该链的前n个迭代-通常是前100-1000个。


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