《统计学习方法（第2版）》李航 第19章 马尔可夫蒙特卡罗法 MCMC 思维导图笔记 及 课后全部习题答案（步骤详细， 包含Metropolis算法，吉布斯算法代码实现）第十九章

思维导图：

19.1

用蒙特卡罗积分法求：
$${\int }_{-\infty }^{\infty }{x}^2\exp \left(-\frac{x^2}{2}\right)dx$$

首先将被积函数分解为分布函数与待求期望的函数的乘积：
$$\begin{array}{rl}& {\int }_{-\infty }^{\infty }{x}^2\exp \left(-\frac{x^2}{2}\right)dx\\ & =\sqrt{2\pi }{\int }_{-\infty }^{\infty }{x}^2\frac{1}{\sqrt{2\pi }}\exp \left(-\frac{x^2}{2}\right)dx\\ & =\sqrt{2\pi }E\left[x^2\right]\end{array}$$
即，在正态分布下，计算$x^2$的期望值。

# 编写代码求解
import numpy as np


# num_samples = 100
def Monte_Carlo_solution(num_samples): 
    samples = np.random.normal(loc=0, scale=1, size=num_samples)
    result = np.sqrt(2*np.pi) * (samples**2).mean()
    return result

for num_samples in [10, 100, 300, 500, 600, 800, 1000, 5000, 10000, 100000]:
    result = Monte_Carlo_solution(num_samples=num_samples)
    print(f'the result is: {result:.2f} with {num_samples} samples')

the result is: 2.35 with 10 samples
the result is: 2.85 with 100 samples
the result is: 2.30 with 300 samples
the result is: 2.54 with 500 samples
the result is: 2.81 with 600 samples
the result is: 2.46 with 800 samples
the result is: 2.46 with 1000 samples
the result is: 2.52 with 5000 samples
the result is: 2.48 with 10000 samples
the result is: 2.50 with 100000 samples

19.2

证明如果马尔可夫链是不可约的，且有一个状态是非周期的，那么其他所有的状态也是非周期的，即这个马尔可夫链是非周期的。

思想证明（反证法）：
假设存在一个状态是周期的，假设周期为T，我们假设初始时刻状态即为这个有周期的状态，接着将马尔可夫链分割，1～T，T+1～2T，2T+1～3T……，因为考虑的是时间齐次的马尔可夫链，所以，每一段中每时刻的状态都只由前一个状态确定，初始时刻加上经历时间（转移核/转移概率矩阵作用次数）就决定了该时刻的状态，从而，这几段都是从周期状态开始，经历相同时间，因此是完全等价的。再考虑不可约，如果存在某个时刻t，其转移到某个别的状态的概率一定不为0，这个t一定落在上面分段中的一段上，而每段等价，说明每段都会存在这样一个时刻，而且由于等价，其在每段内的相对位置（时刻）也是相同的，那么这些等价的时刻也会构成一个周期，那么这两另外的态也是周期的，同理，所有的态都不可约，因此都会有这么一个周期存在，从而整个链都是周期的，与假设矛盾。因此，对于不可约的马尔可夫链，如果一个状态是非周期的，其他的状态也只能都是非周期的，从而整个马尔可夫链是非周期的。

19.3

验证具有以下转移概率矩阵的马尔可夫链是可约的，但是非周期的。
$$P=\left[\begin{array}{cccc}1/2& 1/2& 0& 0\\ 1/2& 0& 1/2& 0\\ 0& 1/2& 0& 0\\ 0& 0& 1/2& 1\end{array}\right]$$

# 直接代码验证，比较直观
trans_prob = np.array([[0.5, 0.5, 0, 0],
                       [0.5, 0, 0.5, 0], 
                       [0, 0.5, 0, 0],
                       [0, 0, 0.5, 1]])
n = 30
Markov_sequence = []
start_index = np.random.randint(0, 4)
state = np.zeros(4).reshape(-1, 1)
state[start_index] = 1

for i in range(n):
    Markov_sequence.append(state.argmax())
    state = trans_prob @ state
    state = state + np.random.rand(4).reshape(-1, 1) * 1e-5  # 使得概率相等时，能够随机选取一个状态
    state_idx = state.argmax()
    state = np.zeros(4).reshape(-1, 1)
    state[state_idx] = 1

print(Markov_sequence)

[1, 2, 1, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3]

可以发现，一旦进入第4个状态，那么就一直在这个状态了，上面例子中第1状态永远无法得到，所以是可约的，如果开始就是第4状态，那么，1、2、3状态都无法转到;
上面例子也可以看到，没有周期性，是非周期的。

19.4

验证具有以下转移概率矩阵的马尔可夫链是不可约的，但是周期性的。
$$P=\left[\begin{array}{cccc}0& 1/2& 0& 0\\ 1& 0& 1/2& 0\\ 0& 1/2& 0& 1\\ 0& 0& 1/2& 0\end{array}\right]$$

# 直接代码验证，比较直观
trans_prob = np.array([[0, 0.5, 0, 0],
                       [1, 0, 0.5, 0], 
                       [0, 0.5, 0, 1],
                       [0, 0, 0.5, 0]])
n = 500
Markov_sequence = []
start_index = np.random.randint(0, 4)
state = np.zeros(4).reshape(-1, 1)
state[start_index] = 1

for i in range(n):
    Markov_sequence.append(state.argmax())
    state = trans_prob @ state
    state = state + np.random.rand(4).reshape(-1, 1) * 1e-5  # 使得概率相等时，能够随机选取一个状态
    state_idx = state.argmax()
    state = np.zeros(4).reshape(-1, 1)
    state[state_idx] = 1

print(Markov_sequence)

[0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 2, 3]

可以发现0, 1, 2, 3所代表的第1，2，3，4状态都可以出现，因此是不可约的。接下来可以下周期，注意到：

(np.nonzero(aaa == 1)[0] - 1) % 2

array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0])

其中小括号内部根据周期性的定义，将所要研究的状态作为0时刻出发的态，我们把所有从第二状态出发（0时刻），到达第二状态的时刻找出来，发现其公约数中有2（并非非周期只有1），因此是周期的，根据19.2的证明过程，不可约的马尔可夫链中，有一个态是周期的，那么所有态都是周期的，且周期是相同的，下面验证一下。

((np.nonzero(aaa == 0)[0]) % 2).any()

False

((np.nonzero(aaa == 2)[0] - 6) % 2).any()

False

((np.nonzero(aaa == 3)[0] - 13) % 2).any()

False

得证。

19.5

证明可逆马尔可夫链一定是不可约的。

简单思想证明：对于可逆马尔可夫链，其性质决定了，如果从平稳分布起始，如果一个分布在未来能够到达，那么过去也能到达，如果可约那么过去和未来将都无法到达，只能是孤立的，而孤立的就不在马尔可夫链上了。

19.6

从一般的Metropolis-Hastings算法推导出单分量Metropolis-Hastings算法。

好像不是很难理解吧，需要推导吗？

19.7

假设进行伯努利实验，后验概率为$P(\theta |y)$，其中变量$y\in \{0,1\}$表示实验可能的结果，变量$\theta$表示结果为1的概率。再假设先验概率$P(\theta )$遵循Beta分布$B(\alpha ,\beta )$，其中$\alpha =1,\beta =1$：似然函数$P(y|\theta )$遵循二项分布$Bin(n,k,\theta )$，其中$n=10,k=4$，即实验进行10次其中结果为1的次数为4。试用Metropolis-Hastings算法求后验概率分布$P(\theta |y)\propto P(\theta )P(y|\theta )$的均值和方差。（提示：可以采用Metropolis选择，即假设建议分布是对称的。）

import numpy as np
# import math
# 采用Metropolis选择，并使用书中给出的与两个随机变量绝对值相关的建议分布的特例，即一个以原状态为中心的高斯分布

# 假设初始的概率为0.5
theta0 = 0.5
# 选定迭代次数
n = 20000
# 执行循环
theta = theta0
theta_list = [theta0, ]
for i in range(n):
    theta_old = theta
    theta = np.random.normal(loc=theta_old, scale=0.2, size=1)[0]
    # 限制取值范围
    if theta < 0:
        theta = 0
    elif theta > 1:
        theta = 1
    acceptor = min(1,(theta**4 * (1 - theta)**6) / (theta_old**4 * (1 - theta_old)**6))  # 注意先验分布在给定条件下为均匀分布
    random_num = np.random.rand(1)
    if random_num > acceptor:
        theta = theta_old
    theta_list.append(theta)
# 选定认为的达到平稳分布的时刻m
m = 2000
# 计算待求的函数
expectation = np.array(theta_list[m:]).mean()
variation = np.array(theta_list[m:]).var()
# 打印结果
print(f'iteration {n} with {m} to be stable, exectation:{expectation}, variation:{variation}')

iteration 20000 with 2000 to be stable, exectation:0.4146535483495147, variation:0.0188274672691176

可以重复多次试验m，n的选择，从而找到收敛的结果，上面超参数的情况下，基本上期望值在0.41～0.42，方差基本为0.019

19.8

设谋试验可能有五种结果，其出现的概率分别为：
$$\frac{\theta }{4}+\frac{1}{8},\frac{\theta }{4},\frac{\eta }{4},\frac{\eta }{4}+\frac{3}{8},\frac{1}{2}(1-\theta -\eta )$$
模型含有两个参数$\theta$和$\eta$，都介于0和1之间。现有22次试验结果的观测值为：
$$y=\left(y_1,y_2,y_3,y_4,y_5\right)=(14,1,1,1,5)$$
其中$y_i$表示22次试验中第$i$个结果出现的次数，$i=1,2,...,5$。试用吉布斯抽样估计参数$\theta$和$\eta$的均值和方差。

这个问题相当两个分量${\theta }_1,{\theta }_2$（这里是$\theta ,\eta$）的多变量的取样，即看作有两个分量的多变量，从而应用“单分量”吉布斯抽样算法。抽取时，按照$p(\theta |\eta ,y)$对$\theta$分量抽样，按照$p(\eta |\theta ,y)$对$\eta$分量抽样。当$\eta$已知时，根据已经有的22次的试验结果，$\theta$有三种可取的值，这里认为其条件分布为这三个可取值的均匀分布，$\eta$的情况与此类似。

# 定义一个函数限制参数的范围
def normalization(x):
    x = max(x, 0)
    x = min(x, 1)
    return x

# 初始化
theta, eta = 0.5, 0.5
# 选定迭代次数
n = 50000
# 执行迭代循环
sample_list = [(theta, eta), ]
for i in range(n):
    theta = (1/26, (51 - 56 * eta)/66, (2 - 2 * eta)/7)[np.random.randint(0, 3)]
    theta = normalization(theta)
    eta = (0, (2 - 2 * theta)/7, (-11 - 4 * theta)/14)[np.random.randint(0, 3)]
    eta = normalization(eta)
    sample_list.append((theta, eta))
# 选定认为的达到平稳分布的时刻m
m = 5000
# 计算待求的函数
theta_list = [theta for theta in zip(*sample_list[m:])][0]
eta_list = [eta for eta in zip(*sample_list[m:])][1]
theta_expectation = np.array(theta_list).mean()
theta_variation = np.array(theta_list).var()
eta_expectation = np.array(eta_list).mean()
eta_variation = np.array(eta_list).var()
# 打印结果
print(f'iteration {n} with {m} to be stable')
print(f'theta_exectation:{theta_expectation}, theta_variation:{theta_variation}')
print(f'eta_exectation:{eta_expectation}, eta_variation:{eta_variation}')

iteration 50000 with 5000 to be stable
theta_exectation:0.3400718094477886, theta_variation:0.08291996043361917
eta_exectation:0.06193353766656458, eta_variation:0.0100438612941617

仍然可以尝试多次确定m，n，最终$\theta$的期望大约为0.34，$\eta$期望大约为0.062。方差分别是0.08，0.01。将期望作为其取值，那么得到的五个概率依此为:

a = theta_variation
b = eta_expectation
a/4 + 1/8, a/4, b/4, b/4 + 3/8, 0.5*(1-a-b)

(0.1457299901084048,
 0.020729990108404792,
 0.015483384416641145,
 0.39048338441664115,
 0.4275732509499081)

概率之和一定是1，因为原来的已知条件的加和与两个参数无关，这个题目说明了，利用有限次（不能完成大数极限）的试验，可以借助马尔可夫蒙特卡罗的吉布斯抽样算法估计参数。