Ioana A. Cosma and Ludger Evers, Markov Chains and Monte Carlo Methods
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CC-by-nc-sa 2.5
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3.3 Importance sampling
rejection samplingでは,target のかわりにinstrument からサンプリングし,に合致しなそうなサンプルを棄却することでからのサンプリングを行った. importance samplingではからのサンプルを重み付けしてからのサンプリングを実現する. impotrance samplingの最も重要な基礎は
がなる全てのに成立することである. これはまた,任意の可測関数に,
と一般化出来る.
があって,が存在するとき
が大数の強法則から言える. だから
つまりは
で近似できる.
だが,の総和は必ずしもではないので,self-normalized版
を正当化でき,以下のアルゴリズムが導かれる.
Algorithm 3.2 (Impotrance sampling)
なるを選んで,
1. に
(i) を生成する
(ii) とする
2.
あるいは
を返す.
Theorem 3.3 (Bias and Variance of Importance Sampling)
(a)
(b)
(c)
(d)
proof.
(a)
(b)
(c, d) 略
この定理から,は不偏だが分散が大きく,は不偏でないが分散がより小さいことがわかる. さらに,とすると
だから,がわからなくともは計算できる.
はsupportの条件を満たせば良いが,普通の分散を有限にするように選ぶ.これは以下の2つの条件のどちらかが成立すればよい.
- ・・・・ はrejection samplingにも使える
- がコンパクトで,が上有界
さらにが最良である,すなわちが最小になるようなの選び方を考える.
Theorem 3.4 (Optimal proposal) 証明略
を最小にするは
で与えられる.
Corollary
importance samplingはsuper-efficientである. すなわちTh. 3.4 によるを使うと,はから直接サンプリングしたときの分散よりも小さくなる.
のnormalisaton constantを知らなければならず,またからのサンプリングが難しいことも有るので,に近い別のをinstrumental として使うことが有る.
Example 3.5 (Computing )
は自由度3のt分布(とする)に従うとして,をMonte Carlo methodで計算する. 以下の3つの方法が考えられる.
- X_1,…,X_nをから直接サンプリングし, で推測する
- (Cauchy分布に同値)をinstrumentalにしてimportance samplingする.
- をinstrumental にしてimportance samplingする.このとき
2つのinstrumentalとtargetのグラフはfig. 3.4の通り.
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