AI产品经理必修——揭开算法的面纱（EM算法）

01 极大似然原理

要立即EM算法，我们先来了解一个经典的原理——极大似然原理（也叫最大似然原理）。

看完这个示例，想必你对极大似然已经有了初步的认识，没错，满足某个条件，使得事件发生的可能性最大。上面这个例子，就是，满足小球从乙箱中取出，使得球是黑球的概率最大。

我们再来看一个经典的示例：

问题：假设我们需要调查我们学校的男生和女生的身高分布。

步骤1：在校园里随便地活捉了100个男生和100个女生，共200人。

步骤2：你开始喊：“男的左边，女的右边，其他的站中间！”。

步骤3：统计分别得到100个男生的身高和100个女生的身高。

求解：假设他们的身高是服从高斯分布的。但是这个分布的均值u和方差∂2我们不知道，这两个参数就是我们要估计的。记作θ=[u, ∂]T。

用刚才的语境来解释，就是，满足这个分部的均值u和方差∂2，使得我们的观测数据（100个男生身高和100个女生的身高）出现的可能性最大。

总结一下，最大似然估计的目的就是：利用已知的样本结果，反推最有可能（最大概率）导致这样结果的参数值。极大似然估计提供了一种给定观察数据来评估模型参数的方法，即：“模型已定，参数未知”。通过若干次试验，观察其结果，利用试验结果得到某个参数值能够使样本出现的概率为最大，则称为极大似然估计。

02 EM算法（期望最大值算法）

回到例子本身，如果没有“男的左边，女的右边，其他的站中间！”这个步骤，现在这200个人已经混到一起了。这个时候，对于每一个样本或者你抽取到的人，就有两个东西需要估计的了：

1. 这个人是男生还是女生？
2. 男生和女生对应的身高的高斯分布的参数是多少？

那这个问题EM算法是怎么解决的呢？我们先来看答案。

步骤1：我们先随便猜一下男生（身高）的正态分布的参数：如均值和方差是多少。例如男生的均值是1米7，方差是0.1米（当然了，刚开始肯定没那么准）。女生的正态分布参数同理。

步骤2：计算出每个人更可能属于第一个还是第二个正态分布中的。例如，这个人的身高是1米8，那很明显，他最大可能属于男生的那个分布）。这个是属于Expectation一步。

步骤3：有了每个人的归属，我们已经大概地按上面的方法将这200个人分为男生和女生两部分了。

现在看出来了吗？我们已经分别得到了100个男生的身高和100个女生的身高。是不是回到了最大似然估计问题？

步骤4：根据最大似然估计，通过这些被大概分为男生的n个人来重新估计第一个分布的参数，女生的那个分布同样方法重新估计，也就是重新求解这个分布的均值u和方差∂2。这个是Maximization。

假定计算结果当前男生的均值是1米74，方差是0.08。

看出来了吗？这和我们最初随便猜的那个参数不一致呀！

步骤5：重新猜。假定我们第二次猜测时取个中间值，例如男生的均值是1米72，方差是0.09。继续步骤1——步骤2——步骤3——步骤4……如此往复，直到收敛，参数基本不再发生变化为止。

我们再用一个简单的例子来总结这EM算法的精髓：

小时候，老妈给一大袋糖果给你，叫你和你姐姐等分，然后你懒得去点糖果的个数，所以你也就不知道每个人到底该分多少个。咱们一般怎么做呢？先把一袋糖果目测的分为两袋，然后把两袋糖果拿在左右手，看哪个重，如果右手重，那很明显右手这代糖果多了，然后你再在右手这袋糖果中抓一把放到左手这袋，然后再感受下哪个重，然后再从重的那袋抓一小把放进轻的那一袋，继续下去，直到你感觉两袋糖果差不多相等了为止。

EM算法就是这样，假设我们想估计知道A和B两个参数，在开始状态下二者都是未知的，但如果知道了A的信息就可以得到B的信息，反过来知道了B也就得到了A。可以考虑首先赋予A某种初值，以此得到B的估计值，然后从B的当前值出发，重新估计A的取值，这个过程一直持续到收敛为止。

现在，我们来总结一下：

EM（Expectation Maximization）算法包括了两个过程和一个目标函数：

E-step: 根据现有的聚类结果，对所以数据（点）重新进行划分。如果把最终得到的分类结果看作是一个数学的模型，那么这些聚类的中心（值），以及每一个点和聚类的隶属关系，可以看成是这个模型的参数。

M-step: 根据重新划分的结果，得到新的聚类。

目标函数：上面的点到聚类的距离d和聚类之间的距离D，整个过程就是要最大化目标函数。

03 EM算法在分类中的应用

了解了EM算法，我们来看一个EM算法在文本分类中的真实应用。

假设有N篇文本，对应N个向量V1,V2 …Vn, （文本如何转变为向量，之前的文章已经写过，详见《AI产品经理必修——揭开算法的面纱（余弦定理）》）希望把他们分到K类中，而这K类的中心是C1,C2 …Ck。K可以是一个固定的数，比如我们认为文本的主题只有100类；也可以是一个不定的数，比如我们并不知道文本的主题有多少类，最终有多少类就分成多少类。分类步骤如下：

步骤1.随机挑选K个点，作为起始的中心。（E-step）

步骤2：计算所有点到这些聚类中心的距离，将这些点归到最近的一类中。（M-step）

步骤3：重新计算每一类的中心。新的聚类中心和原先的相比会有一个位移。（E-step）

步骤4：重复上述过程，直到每次新的中心和旧的中心支局的偏移非常非常小，即过程收敛。（M-step）

步骤5：迭代（重复E-step和M-step）

现在，我们已经实现了只利用一组观测数据自动对文本进行分类。这个方法不需要任何人工干预和先验的经验，是一些纯粹的数学计算，最后就完全得到了自动的分类，这简直有点令人难以置信！更奇妙的是，对文本分成多少类也是由观测数据自动得出的。

至此，我们已经了解了一种典型的非监督学习算法。堪称精妙！

本文作者@CARRIE 。

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