Skip to article frontmatterSkip to article content
Site not loading correctly?

This may be due to an incorrect BASE_URL configuration. See the MyST Documentation for reference.

Misschien wel de belangrijkste toepassing van probabiliteitstheorie in de context van ML is dat het ons toelaat om rekening te houden met sampling errors bij het ontwerpen van modellen. Daardoor krijgen we de mogelijkheid om de onzekerheid over parameters en predicties te kwantificeren op basis van probabiliteitstheorie en zelfs modelparameters via probabiliteitstheorie te schatten en modellen te vergelijken. We bekijken dit terug in de context van eenvoudige lineaire regressie.

In het algemene lineaire regressiemodel stellen we dat onze data y\pmb{y} afkomstig zijn van een onderliggende lineaire combinatie van predictoren (features) Xb\pmb{X}\pmb{b} mรฉt additieve sampling-ruis e\pmb{e}.

y=Xb+e\pmb{y} = \pmb{X}\pmb{b} + \pmb{e}

Toen we dit model introduceerden, hebben we bij het simuleren van data de errors eie_i gesampled uit een normaalverdeling met gemiddelde 0 en een bepaalde (populatie) standaardafwijking ฯƒ\sigma:

eiโˆผN(0,ฯƒ2)e_i \sim \mathcal{N}(0, \sigma^2)

Tot nu toe deden we verder niets met deze assumptie. We waren enkel begaan met het leren van de onbekende lineaire parameters bb. Hier zullen we echter de parameter van de ruis-verdeling ฯƒ\sigma ook als een leerbare parameter beschouwen. Dit opent de deur naar probabiliteits- en informatietheoretische benaderingen.

Maximum likelihood (ML)ยถ

Door de regels voor lineaire combinaties van kansvariabelen toe te passen, krijgen we volgende formulering voor de kansverdeling van de data (gegeven de feature matrix X\pmb{X}, de parameters b\pmb{b} en de ruis standaarddeviatie ฯƒ\sigma):

p(yโˆฃX,b,ฯƒ)=N(Xb,Iฯƒ2)p(\pmb{y}|\pmb{X}, \pmb{b}, \sigma) = \mathcal{N}(\pmb{X}\pmb{b}, \pmb{I}\sigma^2)

In woorden: de gezamenlijke (joint) kansverdeling van de data is een multivariate normaalverdeling met gemiddelde Xb\pmb{X}\pmb{b} en een homogene variantie ฯƒ2\sigma^2 zodat:

p(yiโˆฃxiTb,ฯƒ)=N(xiTb,ฯƒ2)\begin{align} p(y_i|\pmb{x}_i^T\pmb{b}, \sigma) = \mathcal{N}(\pmb{x}_i^T\pmb{b}, \sigma^2) \end{align}

De variantie-covariantiematrix van de gezamenlijke (joint) kansverdeling is dus een diagonaalmatrix met constante variantie ฯƒ2\sigma^2 (ฮฃ=ฯƒ2\Sigma = \sigma^2). Het feit dat de niet-diagonaal elementen van de variantie-covariantiematrix nul zijn, geeft aan dat we in ons model ervan uitgaan dat alle datapunten yiy_i en yjy_j onafhankelijk van elkaar zijn.

Geven de assumptie dat de individuele observaties onafhankelijk van elkaar zijn, kunnen we via de vereenvoudigde productregel (zonder conditionele kansen P(x,y)=P(y)P(x)P(x, y) = P(y)P(x)) de likelihood functie bij lineaire regressie met normaal verdeelde homogene ruis als het product van de individuele kansen uitdrukken:

p(yโˆฃX,b,ฯƒ)=p(y1โˆฃx1Tb,ฯƒ)ร—p(y2โˆฃx2Tb,ฯƒ)ร—โ‹ฏร—p(yNโˆฃxNTb,ฯƒ)=โˆn=1Np(ynโˆฃxnTb,ฯƒ)=โˆn=1NN(xnTb,ฯƒ2)\begin{align} p(\pmb{y}|\pmb{X}, \pmb{b}, \sigma) &= p(y_1|\pmb{x}_1^T\pmb{b}, \sigma) \times p(y_2|\pmb{x}_2^T\pmb{b}, \sigma) \times \dots \times p(y_N|\pmb{x}_N^T\pmb{b}, \sigma) \cr &= \prod_{n=1}^{N}p(y_n|\pmb{x}_n^T\pmb{b}, \sigma) \cr &= \prod_{n=1}^{N}\mathcal{N}(\pmb{x}_n^T\pmb{b}, \sigma^2) \end{align}

We kunnen nu de vraag stellen: welke waarden voor de onbekende parameters b\pmb{b} รฉn ฯƒ\sigma zorgen voor een maximale likelihood[1]? Ook hier kunnen we dit slim benaderen door de gradient van de likelihoodfunctie te berekenen (in plaats van grid search of ongeleide monte-carlo sampling). Daarvoor is het handig om het product in vergelijking (3) om te zetten naar een som door over te stappen naar de log likelihood functie[2]:

lnโกp(yโˆฃX,b,ฯƒ)=โˆ‘n=1NlnโกN(xnTb,ฯƒ2)\ln p(\pmb{y}|\pmb{X}, \pmb{b}, \sigma) = \sum_{n=1}^{N} \ln \mathcal{N}(\pmb{x}_n^T\pmb{b}, \sigma^2)

Als we nu de formulering van de normaalverdeling invoegen, krijgen we:

lnโกp(yโˆฃX,b,ฯƒ)=โˆ‘n=1Nlnโก[12ฯ€ฯƒ2eโˆ’(ynโˆ’xnTb)22ฯƒ2]=โˆ‘n=1N[lnโก12ฯ€ฯƒ2+lnโกeโˆ’(ynโˆ’xnTb)22ฯƒ2]=โˆ‘n=1N[โˆ’12lnโก(2ฯ€ฯƒ2)โˆ’(ynโˆ’xnTb)22ฯƒ2]=โˆ’N2lnโก(2ฯ€ฯƒ2)โˆ’12ฯƒ2โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2=โˆ’N2lnโก(2ฯ€ฯƒ2)โˆ’12ฯƒ2โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2\begin{align} \ln p(\pmb{y}|\pmb{X}, \pmb{b}, \sigma) &= \sum_{n=1}^{N} \ln \left[\frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}e^{-\frac{(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2}{2\sigma^2}}\right] \\ &= \sum_{n=1}^{N} \left[\ln\frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} + \ln e^{-\frac{(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2}{2\sigma^2}}\right] \\ &= \sum_{n=1}^{N} \left[-\frac{1}{2}\ln(2\pi\sigma^2) - \frac{(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2}{2\sigma^2}\right] \\ &= -\frac{N}{2}\ln(2\pi\sigma^2) - \frac{1}{2\sigma^2}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2 \\ &= -\frac{N}{2}\ln(2\pi\sigma^2) - \frac{1}{2\sigma^2}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2 \end{align}

bML\pmb{b}_{ML}ยถ

Als we ons eerst richten tot de schatting van bML\pmb{b}_{ML}, kunnen we ons focussen op de tweede term, aangezien b\pmb{b} niet deelneemt aan de eerste term en die term dus geen invloed heeft op het maximum met betrekking tot de lineaire gewichten b\pmb{b}. Bovendien kunnen we ook 12ฯƒ2\frac{1}{2\sigma^2} achterwege laten, aangezien dit slechts een schaalfactor is. We zoeken dus het maximum van:

โˆ’โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2- \sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2

ฯƒML2\sigma^2_{ML}ยถ

Het voordeel van de likelihood-benadering is dat we ook een optimale schatting voor de variantie ฯƒ2\sigma^2 kunnen vinden door de gradient te berekenen.

We vertrekken van de log-likelihood functie en willen de gradient met betrekking tot ฯƒ2\sigma^2:

lnโกp(yโˆฃX,b,ฯƒ)=โˆ’N2lnโก(2ฯ€ฯƒ2)โˆ’12ฯƒ2โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2\ln p(\pmb{y}|\pmb{X}, \pmb{b}, \sigma) = -\frac{N}{2}\ln(2\pi\sigma^2) - \frac{1}{2\sigma^2}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2

We behandelen beide termen apart:

Term 1: โˆ’N2lnโก(2ฯ€ฯƒ2)=โˆ’N2lnโก(2ฯ€)โˆ’N2lnโก(ฯƒ2)-\frac{N}{2}\ln(2\pi\sigma^2) = -\frac{N}{2}\ln(2\pi) - \frac{N}{2}\ln(\sigma^2)

De afgeleide naar ฯƒ2\sigma^2 (waarbij 2ฯ€2\pi een constante is)[3]:

โˆ‚โˆ‚ฯƒ2[โˆ’N2lnโก(ฯƒ2)]=โˆ’N2โ‹…1ฯƒ2\frac{\partial}{\partial \sigma^2}\left[-\frac{N}{2}\ln(\sigma^2)\right] = -\frac{N}{2} \cdot \frac{1}{\sigma^2}

Term 2: โˆ’12ฯƒ2โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2=โˆ’12(ฯƒ2)โˆ’1โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2-\frac{1}{2\sigma^2}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2 = -\frac{1}{2}(\sigma^2)^{-1}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2

We gebruiken de machtsregel voor de afgeleide[4]. Laat S=โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2S = \sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2, dan:

โˆ‚โˆ‚ฯƒ2[โˆ’12(ฯƒ2)โˆ’1S]=โˆ’12Sโ‹…(โˆ’1)(ฯƒ2)โˆ’2=S2(ฯƒ2)2\frac{\partial}{\partial \sigma^2}\left[-\frac{1}{2}(\sigma^2)^{-1}S\right] = -\frac{1}{2}S \cdot (-1)(\sigma^2)^{-2} = \frac{S}{2(\sigma^2)^2}

Combineren en gelijkstellen aan nul:

โˆ’N2ฯƒ2+12(ฯƒ2)2โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2=012(ฯƒ2)2โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2=N2ฯƒ2\begin{align} -\frac{N}{2\sigma^2} + \frac{1}{2(\sigma^2)^2}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2 &= 0 \\ \frac{1}{2(\sigma^2)^2}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2 &= \frac{N}{2\sigma^2} \\ \end{align}

Vermenigvuldig beide zijden met 2ฯƒ22\sigma^2:

1ฯƒ2โˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2=Nฯƒ2=1Nโˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb)2\begin{align} \frac{1}{\sigma^2}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2 &= N \\ \sigma^2 &= \frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\pmb{b})^2 \end{align}

De maximum likelihood schatting voor de variantie in een lineaire regressie met homogene Gaussiaanse ruis is dus gelijk aan de mean squared error:

ฯƒ^ML2=1Nโˆ‘n=1N(ynโˆ’xnTb^)2\hat{\sigma}^2_{ML} = \frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}(y_n-\pmb{x}_n^T\hat{\pmb{b}})^2

Fisher informationยถ

Naast het feit dat het principe van maximum likelihood gemakkelijk toe te passen is op tal van verschillende modellen met verschillende probabilistische assumpties, laat de techniek ons ook toe om de onzekerheid over geleerde parameters uit te drukken. Dit doen we via het concept van Fisher informatie.

De Fisher informatie meet hoeveel informatie een observatie draagt over een onbekende parameter ฮธ\theta. Ze is gedefinieerd als de verwachte waarde van het kwadraat van de eerste afgeleide van de log-likelihood:

I(ฮธ)=E[(โˆ‚lnโกp(xโˆฃฮธ)โˆ‚ฮธ)2]\mathcal{I}(\theta) = \mathbb{E}\left[\left(\frac{\partial \ln p(x|\theta)}{\partial \theta}\right)^2\right]

Alternatief kan ze ook uitgedrukt worden als de negatieve verwachte waarde van de tweede afgeleide van de log-likelihood:

I(ฮธ)=โˆ’E[โˆ‚2lnโกp(xโˆฃฮธ)โˆ‚ฮธ2]\mathcal{I}(\theta) = -\mathbb{E}\left[\frac{\partial^2 \ln p(x|\theta)}{\partial \theta^2}\right]

Voor meerdere parameters ฮธ=[ฮธ1,โ€ฆ,ฮธK]T\pmb{\theta} = \begin{bmatrix}\theta_1, \ldots, \theta_K\end{bmatrix}^T krijgen we de Fisher informatiematrix:

I(ฮธ)ij=โˆ’E[โˆ‚2lnโกp(xโˆฃฮธ)โˆ‚ฮธiโˆ‚ฮธj]\mathcal{I}(\pmb{\theta})_{ij} = -\mathbb{E}\left[\frac{\partial^2 \ln p(x|\pmb{\theta})}{\partial \theta_i \partial \theta_j}\right]

Hoge Fisher informatie:

  • de likelihood-functie is relatief stijl; ze verandert snel in functie van de parameter ฮธ\theta

  • de data is zeer informatief met betrekking tot parameter ฮธ\theta

  • we kunnen parameter ฮธ\theta met veel zekerheid schatten

Lage Fisher informatie:

  • de likelihood-functie is relatief vlak; ze verandert traag in functie van de parameter ฮธ\theta

  • de data is weinig informatief met betrekking tot parameter ฮธ\theta

  • we kunnen parameter ฮธ\theta enkel met veel onzekerheid schatten

Standaardfouten van parametersยถ

In de praktijk gebruiken we de Fisher informatie om de standaardfouten van onze parameterschattingen te berekenen. De standaard fouten vertellen ons wat de verwachte spreiding is van de schattingen over verschillende samples. De geschatte covariantiematrix van de parameters is de inverse van de Fisher informatiematrix:

Cov(ฮธ^)โ‰ˆI(ฮธ^)โˆ’1\text{Cov}(\hat{\pmb{\theta}}) \approx \mathcal{I}(\hat{\pmb{\theta}})^{-1}

De standaardfout van parameter ฮธ^j\hat{\theta}_j is dan:

SE(ฮธ^j)=[I(ฮธ^)โˆ’1]jj\text{SE}(\hat{\theta}_j) = \sqrt{[\mathcal{I}(\hat{\pmb{\theta}})^{-1}]_{jj}}

waarbij [โ‹…]jj[\cdot]_{jj} het jj-de diagonaalelement van de matrix aangeeft.

Betrouwbaarheidintervallenยถ

De standaardfouten van de parameters laten ons toe om naast de punt-schatting ook een interval-schatting te maken. In de veronderstelling van een normaal verdeelde sampling distributie, berekenen we ze als ฮธ^jยฑzฮฑ/2โ‹…SE(ฮธ^j)\hat{\theta}_j \pm z_{\alpha/2} \cdot \text{SE}(\hat{\theta}_j). Bij ฮฑ=0.05\alpha = 0.05 spreken we bijvoorbeeld van het 95% betrouwbaarheidsinterval (confidence interval) en is de correcte interpretatie:

Als we het experiment (sampling + berekening van het interval) oneindig vaak zouden herhalen, dan zou 95% van deze intervallen de ware parameter bevatten.

Predictie-intervallenยถ

Naast betrouwbaarheidsintervallen voor parameters zijn we in machine learning vooral geรฏnteresseerd in intervallen voor voorspellingen: predictie-intervallen (prediction intervals). Een predictie-interval geeft aan waar we verwachten dat een nieuwe observatie ynewy_{\text{new}} zal liggen.

Een predictie-interval kwantificeert de onzekerheid over een nieuwe individuele observatie. Een betrouwbaarheidsinterval, daarentegen, kwantificeert de onzekerheid over de schatting van een populatieparameter (bijv. b^j\hat{b}_j).

Predictie-intervallen zijn altijd breder dan betrouwbaarheidsintervallen omdat ze rekening houden met twee bronnen van onzekerheid:

  • Onzekerheid over de parameters (net als betrouwbaarheidsintervallen)

  • Inherente variabiliteit in de data (ฯƒ2\sigma^2)

Bij lineaire regressie hebben we voor een nieuwe observatie met features xnew\pmb{x}_{\text{new}} de puntvoorspelling:

y^new=xnewTb^\hat{y}_{\text{new}} = \pmb{x}_{\text{new}}^T\hat{\pmb{b}}

Het 95% predictie-interval is:

y^newยฑtฮฑ/2,Nโˆ’Mโ‹…SEpred\hat{y}_{\text{new}} \pm t_{\alpha/2, N-M} \cdot \text{SE}_{\text{pred}}

waarbij de standaardfout van de voorspelling is:

SEpred=ฯƒ^1+hnew\text{SE}_{\text{pred}} = \hat{\sigma}\sqrt{1 + h_{\text{new}}}

met hnew=xnewT(XTX)โˆ’1xnewh_{\text{new}} = \pmb{x}_{\text{new}}^T(\pmb{X}^T\pmb{X})^{-1}\pmb{x}_{\text{new}} de leverage of hat value.

Interpretatie van de componenten:

  • ฯƒ^\hat{\sigma}: De geschatte standaarddeviatie van de residuen (inherente variabiliteit)

  • 1: Komt van de inherente ruis in nieuwe observaties

  • hnewh_{\text{new}}: De leverage of hat value - meet hoe ver de nieuwe observatie xnew\pmb{x}_{\text{new}} ligt van het centrum van de trainingdata

    • Kleine hnewh_{\text{new}} (dicht bij centrum): Lage extra onzekerheid, voorspelling is betrouwbaar

    • Grote hnewh_{\text{new}} (ver van centrum): Hoge extra onzekerheid, extrapolatie buiten trainingsgebied

Likelihood ratio testยถ

We kunnen via een probabilistische modelformulering ook de goodness of fit van verschillende modellen met elkaar vergelijken bij dezelfde trainingsdata. De likelihood ratio test vergelijkt de likelihood van twee geneste modellen: een volledig model met M1M_1 parameters versus een gereduceerd model met M0<M1M_0 < M_1 parameters. De teststatistiek is:

ฮ›=โˆ’2lnโกL0L1=โˆ’2(lnโกL0โˆ’lnโกL1)\Lambda = -2\ln\frac{\mathcal{L}_0}{\mathcal{L}_1} = -2(\ln\mathcal{L}_0 - \ln\mathcal{L}_1)

waarbij L0\mathcal{L}_0 de likelihood van het gereduceerde model is en L1\mathcal{L}_1 de likelihood van het volledige model. De intuรฏtie is de volgende:

  • H0:L0โ‰ˆL1โ†’ฮ›โ‰ˆ0H_0: \mathcal{L}_0 \approx \mathcal{L}_1 \rarr \Lambda \approx 0: De nulhypothese stelt dat het gereduceerde model een even goede fit voor de data biedt

  • H1:L0<<L1โ†’ฮ›ย largeH_1: \mathcal{L}_0 << \mathcal{L}_1 \rarr \Lambda \text{ large}: De alternatieve hypothese stelt dat het volledige model een betere fit geeft

ฮ›\Lambda volgt asymptotisch een ฯ‡2\chi^2-verdeling met M1โˆ’M0M_1 - M_0 vrijheidsgraden onder H0H_0. Indien ฮ›>ฯ‡crit2\Lambda > \chi^2_{crit} wordt het complexere model verkozen.

Illustratieยถ

Hier demonstreren we het lineaire regressiemodel met homogene Gaussiaanse ruis opnieuw met de gesimuleerde data van de relatie tussen de grootte van een bestelling in een koffiehuis en de fooi die klanten erbovenop betalen.

Parameterschattingยถ

Estimated model: Tip = 0.559 + 0.143 ร— Order Total
Estimated ฯƒ: 0.227
True model: Tip = 0.500 + 0.150 ร— Order Total
True ฯƒ: 0.300

Betrouwbaarheidsintervallenยถ

Hier berekenen we de betrouwbaarheidsintervallen voor de parameters b0b_0 (intercept) en b1b_1 (slope).

95% Confidence intervals for parameters:
  bโ‚€ (intercept): [0.390, 0.728]
  bโ‚ (slope):     [0.132, 0.153]

True values:
  bโ‚€ (intercept): 0.500
  bโ‚ (slope):     0.150

Predictie-intervallenยถ

Nu berekenen we de predictie-intervallen voor nieuwe observaties over het bereik van order totals.

Average leverage (hat value): 0.0393
Min leverage: 0.0200 (at center)
Max leverage: 0.0826 (at extremes)

Average width of prediction interval: 0.933
Average width of confidence interval (mean): 0.177

Visualisatieยถ

Source
<Figure size 1400x800 with 1 Axes>

Leverageยถ

Hier visualiseren we de _leverage (hat values) waardoor we kunnen zien hoe de onzekerheid varieert over de range van order totals.

Source
<Figure size 1600x600 with 2 Axes>

Likelihood ratio testยถ

Here we test whether the slope parameter b1b_1 contributes significantly to the model by comparing the full model (with intercept and slope) to a reduced model (intercept only).

Model 0 (reduced): Tip = 2.666
  Log-likelihood: -65.672
  ฯƒ: 0.909

Model 1 (full): Tip = 0.559 + 0.143 ร— Order
  Log-likelihood: 4.087
  ฯƒ: 0.227

Test statistic ฮ› = 139.518
Degrees of freedom: 1
Critical value (ฯ‡ยฒ at ฮฑ=0.05): 3.841
P-value: 0.000000

โœ“ CONCLUSION: Reject Hโ‚€
  The slope parameter contributes significantly to the model (139.518 > 3.841)
Footnotesยถ
  1. Vergelijk dit met: Welke waarden voor de onbekende parameters b\pmb{b} zorgen voor minimale sum of squared errors?

  2. lnโกaร—b=lnโกa+lnโกb\ln a \times b = \ln a + \ln b

  3. ddxlnโก(x)=1x\frac{d}{dx}\ln(x) = \frac{1}{x}

  4. ddxxn=nxnโˆ’1\frac{d}{dx}x^n = nx^{n-1}, dus ddxxโˆ’1=โˆ’xโˆ’2\frac{d}{dx}x^{-1} = -x^{-2}