聊一聊机器学习的MLE和MAP：最大似然估计和最大后验估计

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作者丨夏飞@知乎（已授权）

来源丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/32480810

编辑丨极市平台

导读

深入浅出最大似然估计和最大后验估。

TLDR (or the take away)

频率学派 - Frequentist - Maximum Likelihood Estimation (MLE，最大似然估计)
贝叶斯学派 - Bayesian - Maximum A Posteriori (MAP，最大后验估计)

概述

有时候和别人聊天，对方会说自己有很多机器学习经验，深入一聊发现，对方竟然对MLE和MAP一知半解，至少在我看来，这位同学的机器学习基础并不扎实。难道在这个深度学习盛行的年代，不少同学都只注重调参数？

现代机器学习的终极问题都会转化为解目标函数的优化问题，MLE和MAP是生成这个函数的很基本的思想，因此我们对二者的认知是非常重要的。这次就和大家认真聊一聊MLE和MAP这两种estimator。

两大学派的争论

抽象一点来讲，频率学派和贝叶斯学派对世界的认知有本质不同：频率学派认为世界是确定的，有一个本体，这个本体的真值是不变的，我们的目标就是要找到这个真值或真值所在的范围；而贝叶斯学派认为世界是不确定的，人们对世界先有一个预判，而后通过观测数据对这个预判做调整，我们的目标是要找到最优的描述这个世界的概率分布。

在对事物建模时, 用表示模型的参数, 请注意, 解决问题的本质就是求。那么:

(1) 频率学派: 存在唯一真值。举一个简单直观的例子-抛硬币, 我们用来表示硬币的bias。抛一枚硬币100次, 有20次正面朝上, 要估计抛硬币正面朝上的bias 。在频率学派来看, , 很直观。当数据量趋于无穷时, 这种方法能给出精准的估计; 然而缺乏数据时则可能产生严重的偏差。例如, 对于一枚均匀硬币, 即 , 抛郑5次, 出现5 次正面 (这种情况出现的概率是 ), 频率学派会直接估计这枚硬币 , 出现严重错误。

(2) 贝叶斯学派： 是一个随机变量, 符合一定的概率分布。在贝叶斯学派里有两大输入和一大输出, 输入是先验 (prior)和似然 (likelihood), 输出是后验 (posterior)。先验, 即 , 指的是在没有观测到任何数据时对的预先判断, 例如给我一个硬币, 一种可行的先验是认为这个硬币有很大的概率是均匀的, 有较小的概率是是不均匀的; 似然, 即 , 是假设已知后我们观察到的数据应该是什么样子的; 后验, 即 , 是最终的参数分布。贝叶斯估计的基础是贝叶斯公式, 如下:

同样是抛硬币的例子, 对一枚均匀硬币抛 5 次得到 5 次正面, 如果先验认为大概率下这个硬币是均匀的 (例如最大值取在0.5处的Beta分布), 那么 , 即 , 是一个distribution, 最大值会介于0.5 1之间, 而不是武断的。

这里有两点值得注意的地方：

随着数据量的增加，参数分布会越来越向数据靠拢，先验的影响力会越来越小
如果先验是uniform distribution，则贝叶斯方法等价于频率方法。因为直观上来讲，先验是uniform distribution本质上表示对事物没有任何预判

MLE - 最大似然估计

Maximum Likelihood Estimation, MLE是频率学派常用的估计方法！

假设数据是i.i.d. 的一组抽样，。其中i.i.d. 表示 Independent and identical distribution，独立同分布。那么MLE对的估计方法可以如下推导：

最后这一行所优化的函数被称为Negative Log Likelihood (NLL)，这个概念和上面的推导是非常重要的！

我们经常在不经意间使用MLE，例如

上文中关于频率学派求硬币概率的例子，其方法其实本质是由优化NLL得出。本文末尾附录中给出了具体的原因 :-)
给定一些数据，求对应的高斯分布时，我们经常会算这些数据点的均值和方差然后带入到高斯分布的公式，其理论依据是优化NLL
深度学习做分类任务时所用的cross entropy loss，其本质也是MLE

MAP - 最大后验估计

Maximum A Posteriori, MAP是贝叶斯学派常用的估计方法！

同样的, 假设数据是i.i.d.的一组抽样, 。那么MAP对的估计方法可以如下推导：

其中, 第二行到第三行使用了贝叶斯定理, 第三行到第四行可以丢掉因为与无关。注意其实就是 , 所以MLE和MAP在优化时的不同就是在于先验项 。好的, 那现在我们来研究一下这个先验项, 假定先验是一个高斯分布, 即

那么, 。至此, 一件神奇的事情发生了 -- 在MAP中使用一个高斯分布的先验等价于在MLE中采用L2的regularizaton!

再稍微补充几点：

我们不少同学大学里学习概率论时，最主要的还是频率学派的思想，其实贝叶斯学派思想也非常流行，而且实战性很强
CMU的很多老师都喜欢用贝叶斯思想解决问题；我本科时的导师朱军老师也在做贝叶斯深度学习(https://arxiv.org/abs/1709.05870)的工作，有兴趣可以关注一下。

后记

有的同学说：“了解这些没用，现在大家都不用了。”这种想法是不对的，因为这是大家常年在用的知识，是推导优化函数的核心，而优化函数又是机器学习 (包含深度学习) 的核心之一。这位同学有这样的看法，说明对机器学习的本质并没有足够的认识，而让我吃惊的是，竟然有不少其他同学为这种看法点赞。内心感到有点儿悲凉，也引发了我写这篇文章的动力，希望能帮到一些朋友 :-)

参考资料

[1] Bayesian Method Lecture(https://www.utdallas.edu/~nrr150130/cs7301/2016fa/lects/Lecture_14_Bayes.pdf), UT Dallas.

[2] MLE, MAP, Bayes classification Lecture(https://www.cs.cmu.edu/~aarti/Class/10701_Spring14/slides/MLE_MAP_Part1.pdf), CMU.

附录

为什么说频率学派求硬币概率的算法本质是在优化NLL？

因为抛硬币可以表示为参数为的Bernoulli分布, 即

其中表示第次抛出正面。那么,

求导数并使其等于零，得到

即，也就是出现正面的次数除以总共的抛郑次数。

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