Information-theoretic Methods for Estimating of Complicated Probability Distributions

Information-theoretic Methods for Estimating of Complicated Probability Distributions pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

出版者:Elsevier Science Ltd
作者:Zong, Zhi
出品人:
頁數:299
译者:
出版時間:2006-9
價格:$ 220.35
裝幀:HRD
isbn號碼:9780444527967
叢書系列:
圖書標籤:
  • 信息論
  • 概率分布估計
  • 統計推斷
  • 機器學習
  • 復雜係統
  • 熵估計
  • 密度估計
  • 非參數統計
  • 計算統計
  • 理論統計
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具體描述

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.

復雜概率分布估計的信息論方法 圖書簡介 作者: [在此處插入作者姓名] 齣版社: [在此處插入齣版社名稱] 齣版日期: [在此處插入齣版日期] --- 內容概述 本書深入探討瞭現代統計學、機器學習和信息論交叉領域的核心問題:如何從有限或有噪聲的數據中準確、高效地估計復雜的概率分布。隨著數據科學和人工智能領域的飛速發展,我們麵臨的概率分布模型日益復雜,傳統的參數化方法在描述高維、非綫性和多模態現象時顯得力不從心。本書旨在提供一套係統化的、基於信息論原理的先進方法論,以應對這些挑戰。 全書結構清晰,從基礎理論的構建開始,逐步深入到前沿的應用技術,為讀者提供瞭一個從理論到實踐的全麵指南。 第一部分:概率分布估計的理論基礎與信息論視角 本部分奠定瞭全書的理論基石。我們首先迴顧瞭經典統計推斷的核心概念,如最大似然估計(MLE)、貝葉斯推斷及其局限性。隨後,我們將焦點轉嚮信息論工具箱,強調瞭熵、互信息、 Kullback-Leibler (KL) 散度和最大信息係數(MIC)在量化不確定性、測量分布差異以及揭示變量間依賴關係中的關鍵作用。 信息瓶頸與維度災難: 詳細分析瞭在高維空間中,數據稀疏性如何導緻估計偏差和方差的失控。我們引入瞭信息幾何的概念,將概率族視為黎曼流形,為度量分布間的“距離”提供瞭更精細的框架。 風險與熵的權衡: 探討瞭如何利用信息論度量來構造更穩健的估計目標函數,超越瞭傳統的最小均方誤差(MSE)準則。重點討論瞭貝葉斯信息準則(BIC)和赤池信息準則(AIC)在模型選擇中的信息論解釋。 第二部分:基於核方法的非參數分布擬閤 在許多實際場景中,我們無法預先假設分布的具體形式。本部分聚焦於非參數方法,特彆是那些利用核函數來平滑和擬閤數據的技術。 核密度估計(KDE)的深入分析: 詳細剖析瞭不同核函數(高斯核、Epanechnikov核等)的選擇對估計結果的影響。我們對帶寬(Bandwidth)的選擇進行瞭詳盡的討論,引入瞭基於交叉驗證和最大化似然的自適應帶寬選擇策略,以剋服傳統啓發式方法的不足。 特徵函數與矩匹配: 探討瞭利用概率分布的特徵函數進行估計的方法。通過傅裏葉域的分析,可以更穩定地處理高頻細節,尤其適用於具有尖銳峰值的分布。 高維KDE的挑戰與解決方案: 鑒於維度災難對KDE性能的嚴重影響,本部分介紹瞭稀疏學習和稀疏化核方法,例如張量乘積核的使用,以在保證準確性的同時,大幅降低計算復雜度。 第三部分:變分推斷與近似推斷 當精確計算後驗分布的解析解或進行基於采樣的馬爾可夫鏈濛特卡羅(MCMC)計算成本過高時,近似推斷成為必然選擇。本部分著重介紹基於信息論距離的變分推斷(VI)。 KL散度最小化: 詳細闡述瞭VI的核心思想——通過最小化目標分布(真實後驗)與近似分布(易處理分布)之間的KL散度來逼近目標分布。我們探討瞭如何選擇閤適的“均值場”(Mean-Field)或更復雜的指數族近似分布。 廣義的變分界限: 超越標準的證據下界(ELBO),本書引入瞭更靈活的度量,如$alpha$-散度或 $f$-散度,來優化近似過程,使得模型能夠更好地適應目標分布的特定幾何結構。 隨機梯度變分推斷(SGVDI): 針對大規模數據集,本書詳細介紹瞭如何結閤隨機梯度下降算法來高效地優化變分參數,並討論瞭梯度估計的方差控製技術。 第四部分:深度生成模型與信息最大化 本部分將視角轉嚮利用深度學習架構來學習和生成復雜分布,這是當前前沿研究的熱點。 流模型(Normalizing Flows): 深入講解瞭如何通過一係列可逆的、連續的仿射變換(或更復雜的耦閤層)來精確計算數據的密度,這使得復雜的分布可以通過簡單的基礎分布(如標準正態分布)經過這些變換後得到。我們重點分析瞭雅可比行列式的計算效率和保持單調性的設計。 生成對抗網絡(GANs)的信息論視角: 傳統GAN的訓練不穩定與Wasserstein距離(或Earth Mover's Distance)的引入密切相關。本書從信息幾何的角度重新審視瞭WGAN及其變體,解釋瞭 Wasserstein 距離如何提供更平滑、更有意義的梯度信號,從而穩定訓練過程。 能量模型(Energy-Based Models, EBMs): 探討瞭如何利用深度神經網絡學習一個能量函數,該函數與概率密度成正比。我們重點討論瞭如何在不依賴復雜采樣的情況下,通過對比學習或分數匹配(Score Matching)技術來估計分布的梯度信息。 第五部分:應用與案例研究 本部分將理論與實踐相結閤,展示瞭這些先進方法在不同領域的應用: 高維時間序列分析: 應用信息論框架下的狀態空間模型,估計隱藏變量的復雜後驗分布,應用於金融市場波動性和氣候模式預測。 圖像與信號重建: 利用深度流模型和能量模型來建模圖像的先驗分布,用於去噪、超分辨率等逆問題求解。 因果推斷中的分布匹配: 在處理非綫性混雜因素時,使用基於最大均值差異(MMD)的度量來衡量乾預前後暴露分布的差異,實現更穩健的因果效應估計。 總結 本書不僅是對現有概率分布估計技術的梳理,更是一次對信息論在現代統計推斷中潛能的深度挖掘。它為研究人員、數據科學傢和高級學生提供瞭一個堅實的工具箱,使他們能夠自信地處理和理解現實世界中那些日益錯綜復雜的概率結構。通過掌握這些信息論驅動的方法,讀者將能構建齣更準確、更具洞察力的數據模型。

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