Information-theoretic Methods for Estimating of Complicated Probability Distributions

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出版者:Elsevier Science Ltd
作者:Zong, Zhi
出品人:
页数:299
译者:
出版时间:2006-9
价格:$ 220.35
装帧:HRD
isbn号码:9780444527967
丛书系列:
图书标签:
  • 信息论
  • 概率分布估计
  • 统计推断
  • 机器学习
  • 复杂系统
  • 熵估计
  • 密度估计
  • 非参数统计
  • 计算统计
  • 理论统计
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具体描述

Mixing up various disciplines frequently produces something that are profound and far-reaching. Cybernetics is such an often-quoted example. Mix of information theory, statistics and computing technology proves to be very useful, which leads to the recent development of information-theory based methods for estimating complicated probability distributions. Estimating probability distribution of a random variable is the fundamental task for quite some fields besides statistics, such as reliability, probabilistic risk analysis (PSA), machine learning, pattern recognization, image processing, neural networks and quality control. Simple distribution forms such as Gaussian, exponential or Weibull distributions are often employed to represent the distributions of the random variables under consideration, as we are taught in universities. In engineering, physical and social science applications, however, the distributions of many random variables or random vectors are so complicated that they do not fit the simple distribution forms at al. Exact estimation of the probability distribution of a random variable is very important. Take stock market prediction for example. Gaussian distribution is often used to model the fluctuations of stock prices. If such fluctuations are not normally distributed, and we use the normal distribution to represent them, how could we expect our prediction of stock market is correct? Another case well exemplifying the necessity of exact estimation of probability distributions is reliability engineering. Failure of exact estimation of the probability distributions under consideration may lead to disastrous designs. There have been constant efforts to find appropriate methods to determine complicated distributions based on random samples, but this topic has never been systematically discussed in detail in a book or monograph. The present book is intended to fill the gap and documents the latest research in this subject. Determining a complicated distribution is not simply a multiple of the workload we use to determine a simple distribution, but it turns out to be a much harder task. Two important mathematical tools, function approximation and information theory, that are beyond traditional mathematical statistics, are often used. Several methods constructed based on the two mathematical tools for distribution estimation are detailed in this book. These methods have been applied by the author for several years to many cases. They are superior in the following senses: no prior information of the distribution form to be determined is necessary. It can be determined automatically from the sample; the sample size may be large or small; and they are particularly suitable for computers. It is the rapid development of computing technology that makes it possible for fast estimation of complicated distributions. The methods provided herein well demonstrate the significant cross influences between information theory and statistics, and showcase the fallacies of traditional statistics that, however, can be overcome by information theory. The key features: density functions automatically determined from samples - free of assuming density forms - computation-effective methods suitable for PC.

复杂概率分布估计的信息论方法 图书简介 作者: [在此处插入作者姓名] 出版社: [在此处插入出版社名称] 出版日期: [在此处插入出版日期] --- 内容概述 本书深入探讨了现代统计学、机器学习和信息论交叉领域的核心问题:如何从有限或有噪声的数据中准确、高效地估计复杂的概率分布。随着数据科学和人工智能领域的飞速发展,我们面临的概率分布模型日益复杂,传统的参数化方法在描述高维、非线性和多模态现象时显得力不从心。本书旨在提供一套系统化的、基于信息论原理的先进方法论,以应对这些挑战。 全书结构清晰,从基础理论的构建开始,逐步深入到前沿的应用技术,为读者提供了一个从理论到实践的全面指南。 第一部分:概率分布估计的理论基础与信息论视角 本部分奠定了全书的理论基石。我们首先回顾了经典统计推断的核心概念,如最大似然估计(MLE)、贝叶斯推断及其局限性。随后,我们将焦点转向信息论工具箱,强调了熵、互信息、 Kullback-Leibler (KL) 散度和最大信息系数(MIC)在量化不确定性、测量分布差异以及揭示变量间依赖关系中的关键作用。 信息瓶颈与维度灾难: 详细分析了在高维空间中,数据稀疏性如何导致估计偏差和方差的失控。我们引入了信息几何的概念,将概率族视为黎曼流形,为度量分布间的“距离”提供了更精细的框架。 风险与熵的权衡: 探讨了如何利用信息论度量来构造更稳健的估计目标函数,超越了传统的最小均方误差(MSE)准则。重点讨论了贝叶斯信息准则(BIC)和赤池信息准则(AIC)在模型选择中的信息论解释。 第二部分:基于核方法的非参数分布拟合 在许多实际场景中,我们无法预先假设分布的具体形式。本部分聚焦于非参数方法,特别是那些利用核函数来平滑和拟合数据的技术。 核密度估计(KDE)的深入分析: 详细剖析了不同核函数(高斯核、Epanechnikov核等)的选择对估计结果的影响。我们对带宽(Bandwidth)的选择进行了详尽的讨论,引入了基于交叉验证和最大化似然的自适应带宽选择策略,以克服传统启发式方法的不足。 特征函数与矩匹配: 探讨了利用概率分布的特征函数进行估计的方法。通过傅里叶域的分析,可以更稳定地处理高频细节,尤其适用于具有尖锐峰值的分布。 高维KDE的挑战与解决方案: 鉴于维度灾难对KDE性能的严重影响,本部分介绍了稀疏学习和稀疏化核方法,例如张量乘积核的使用,以在保证准确性的同时,大幅降低计算复杂度。 第三部分:变分推断与近似推断 当精确计算后验分布的解析解或进行基于采样的马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)计算成本过高时,近似推断成为必然选择。本部分着重介绍基于信息论距离的变分推断(VI)。 KL散度最小化: 详细阐述了VI的核心思想——通过最小化目标分布(真实后验)与近似分布(易处理分布)之间的KL散度来逼近目标分布。我们探讨了如何选择合适的“均值场”(Mean-Field)或更复杂的指数族近似分布。 广义的变分界限: 超越标准的证据下界(ELBO),本书引入了更灵活的度量,如$alpha$-散度或 $f$-散度,来优化近似过程,使得模型能够更好地适应目标分布的特定几何结构。 随机梯度变分推断(SGVDI): 针对大规模数据集,本书详细介绍了如何结合随机梯度下降算法来高效地优化变分参数,并讨论了梯度估计的方差控制技术。 第四部分:深度生成模型与信息最大化 本部分将视角转向利用深度学习架构来学习和生成复杂分布,这是当前前沿研究的热点。 流模型(Normalizing Flows): 深入讲解了如何通过一系列可逆的、连续的仿射变换(或更复杂的耦合层)来精确计算数据的密度,这使得复杂的分布可以通过简单的基础分布(如标准正态分布)经过这些变换后得到。我们重点分析了雅可比行列式的计算效率和保持单调性的设计。 生成对抗网络(GANs)的信息论视角: 传统GAN的训练不稳定与Wasserstein距离(或Earth Mover's Distance)的引入密切相关。本书从信息几何的角度重新审视了WGAN及其变体,解释了 Wasserstein 距离如何提供更平滑、更有意义的梯度信号,从而稳定训练过程。 能量模型(Energy-Based Models, EBMs): 探讨了如何利用深度神经网络学习一个能量函数,该函数与概率密度成正比。我们重点讨论了如何在不依赖复杂采样的情况下,通过对比学习或分数匹配(Score Matching)技术来估计分布的梯度信息。 第五部分:应用与案例研究 本部分将理论与实践相结合,展示了这些先进方法在不同领域的应用: 高维时间序列分析: 应用信息论框架下的状态空间模型,估计隐藏变量的复杂后验分布,应用于金融市场波动性和气候模式预测。 图像与信号重建: 利用深度流模型和能量模型来建模图像的先验分布,用于去噪、超分辨率等逆问题求解。 因果推断中的分布匹配: 在处理非线性混杂因素时,使用基于最大均值差异(MMD)的度量来衡量干预前后暴露分布的差异,实现更稳健的因果效应估计。 总结 本书不仅是对现有概率分布估计技术的梳理,更是一次对信息论在现代统计推断中潜能的深度挖掘。它为研究人员、数据科学家和高级学生提供了一个坚实的工具箱,使他们能够自信地处理和理解现实世界中那些日益错综复杂的概率结构。通过掌握这些信息论驱动的方法,读者将能构建出更准确、更具洞察力的数据模型。

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