统计信号处理中的似然函数与最大似然估计

假设条件

1、参数为标量形式, θ θ θ
2、加性模型( x [ n ] = s [ n ; θ ] + w [ n ] , n = 0 , 1 , … N − 1 x[n]=s[n;θ]+w[n],n=0,1,…N-1 x[n]=s[n;θ]+w[n],n=0,1,N1) :观测数据 x [ n ] x[n] x[n]、信号模型 s [ n ; θ ] s[n;θ] s[n;θ]、噪声 w [ n ] w[n] w[n],这里的观测数据 x [ n ] x[n] x[n]并不是代表一个具体的实现,而是一个随机变量。
3、噪声的概率密度 p w ( w [ n ] ) p_w (w[n]) pw(w[n])。这个概率密度的意思是 w [ n ] w[n] w[n]取不同值的概率密度是多少。这里的 p w ( ∙ ) p_w (∙) pw()是概率密度的形状,比如说如果是高斯分布,这个形状就是钟形
4、本文中没有严格区分概率分布列和概率密度函数之间的区别

概述

  如果我们把待估计参数 θ θ θ看作是确定性的未知常数,有一特定真值,并不具有随机性。说 θ = θ 0 θ=θ_0 θ=θ0的可能性是不正确的,这里只能做出判断,即等式成立或等式不成立。
  那么我们通常说的 θ = θ 0 θ=θ_0 θ=θ0的可能性的意义是什么呢?这涉及到“似然”的概念。这个可能性就是“似然”,是指参数 θ = θ 0 θ=θ_0 θ=θ0时,观测数据x可能出现的概率。比如说,高斯电平的估计( x [ n ] = A + w [ n ] x[n]=A+w[n] x[n]=A+w[n])中,噪声服从零均值高斯分布。比如参数 A A A的真值为 2 2 2(这个 2 2 2是我们不知道的),而且我们测量得到的数据 x [ n ] x[n] x[n] 2 2 2的附近比较集中,那么我们此时会说 A = 2 A=2 A=2的可能性很大,实际意思是如果 A = 2 A=2 A=2时测量数据,那么得到现在手上的数据的可能性很大。
  自然而然,我们想知道让观测数据 x x x可能出现的概率最大的参数值是多少。这样的思想指导下的估计就是最大似然估计。
  最大似然估计就是要找到这样一个估计,基于已知的观测数据, θ θ θ取该估计值时可使这组观测数据最可能出现。通俗一点说,令取得手上数据 x [ n ] x[n] x[n]的可能性取最大,看看此时的参数 θ θ θ应该取什么值。翻译成数学语言就是使得似然函数取得最大值的参数值 θ ^ \hat{θ} θ^,作为对未知参数θ的估计。这里涉及到了似然函数,似然函数与观测的概率密度函数有关系,所以我们先看一下观测的概率密度函数。

观测的概率密度函数

  当被估计参数 θ θ θ为确定性的未知常数时,观测数据 x [ n ] x[n] x[n]呈现的随机特性是由噪声 w [ n ] w[n] w[n]带来的,每个单次观测的概率密度,如果抛去确定性的部分,就和剩余的噪声项的概率密度是一样的。也就是说 x [ n ] − s [ n ; θ ] x[n]-s[n;θ] x[n]s[n;θ],呈现出和 w [ n ] w[n] w[n]一样的随机特性
p ( x [ n ] − s [ n ; θ ] ) = p w ( x [ n ] − s [ n ; θ ] ) p(x[n]-s[n;θ])=p_w (x[n]-s[n;θ]) p(x[n]s[n;θ])=pw(x[n]s[n;θ])
p ( x [ n ] − s [ n ; θ ] ) p(x[n]-s[n;θ]) p(x[n]s[n;θ])这样的函数,可以统一写为 p ( x [ n ] ; θ ) p(x[n];θ) p(x[n];θ),这就是观测的概率密度函数。实际上,是用观测数据和信号模型表示噪声,进而体现随机性。
  我们可以从两方面来看这个函数,一方面,固定 θ θ θ,则 p ( x [ n ] ; θ ) p(x[n];θ) p(x[n];θ)是观测的概率密度函数;另一方面,固定 x [ n ] x[n] x[n],则是不同 θ θ θ取值下,观测数据x[n]可能出现的概率。还是用高斯电平的估计( x [ n ] = A + w [ n ] x[n]=A+w[n] x[n]=A+w[n])来举例,参数A的每个不同的值对应一个观测数据的概率密度函数 p ( x [ n ] ; A ) p(x[n];A) p(x[n];A),如 A = 2 A=2 A=2时, x [ n ] ∼ N ( 2 , σ 2 ) x[n]\sim N(2,σ^2 ) x[n]N(2,σ2) A = 3 A=3 A=3时, x [ n ] ∼ N ( 3 , σ 2 ) x[n]\sim N(3,σ^2 ) x[n]N(3,σ2)。那么,当 A A A固定时,比如 A = 2 A=2 A=2,则 p ( x [ n ] ; A ) = p ( x [ n ] ; 2 ) p(x[n];A)=p(x[n];2) p(x[n];A)=p(x[n];2),它的图像就在 x = 2 x=2 x=2附近呈现左右对称的钟形高斯分布的随机特性;如果固定 x [ n ] = 2 x[n]=2 x[n]=2,则 p ( x [ n ] ; A ) = p ( x [ n ] = 2 ; A ) p(x[n];A)=p(x[n]=2;A) p(x[n];A)=p(x[n]=2;A),它的自变量为 A A A,因变量是不同的概率密度函数 p ( x [ n ] ; A ) p(x[n];A) p(x[n];A)中, x [ n ] = 2 x[n]=2 x[n]=2时的概率 p ( x [ n ] = 2 ; A ) p(x[n]=2;A) p(x[n]=2;A),这也就是单次观测的似然函数。

似然函数

  通过之前讨论的“似然”,我们可以理解什么叫做似然函数。似然函数是在参数 θ θ θ的函数,反映了不同的 θ θ θ取值下,取得当前这组观测数据的概率。那么,似然函数和观测数据的概率密度函数有什么关系呢?
  首先,似然函数表示的是取得当前这组观测数据的概率,那么一组数据出现的概率我们用什么来描述呢?离散情况下,我们用联合概率分布列来描述
p X ( x [ 0 ] , x [ 1 ] , … , x [ N − 1 ] ) p_X (x[0],x[1],…,x[N-1]) pX(x[0],x[1],,x[N1])
  其次,这个联合概率分布列是受参数θ影响的,从而改写成
p X ( x [ 0 ] , x [ 1 ] , … , x [ N − 1 ] ; θ ) p_X (x[0],x[1],…,x[N-1];θ) pX(x[0],x[1],,x[N1];θ)
  这样,我们得到了似然函数。总结一下,它是不同θ取值下,观测数据的联合概率分布列。为了简化数学计算,我们再通过加上独立观测的条件,就可以将似然函数与单次观测的概率密度函数联系起来,将联合分布列写成单次观测概率密度乘积的形式
p X ( x [ 0 ] , x [ 1 ] , … , x [ N − 1 ] ; θ ) = ∏ n = 0 N − 1 p X ( x [ n ] ; θ ) p_X (x[0],x[1],…,x[N-1];θ)=\prod_{n=0}^{N-1}p_X (x[n];θ) pX(x[0],x[1],,x[N1];θ)=n=0N1pX(x[n];θ)
  如此,我们得到了似然函数的最终形式
∏ n = 0 N − 1 p X ( x [ n ] ; θ ) \prod_{n=0}^{N-1}p_X (x[n];θ) n=0N1pX(x[n];θ)
  为了简化计算(将乘除化为加减),通常也会对似然函数取对数,得到对数似然函数
∑ n = 0 N − 1 ln ⁡ ⁡ p X ( x [ n ] ; θ ) \sum_{n=0}^{N-1} \ln{⁡p_X (x[n];θ)} n=0N1lnpX(x[n];θ)

最大似然估计

  之前已经讨论了,最大似然估计是使得似然函数取得最大值的参数值 θ ^ \hat{θ} θ^,作为对未知参数 θ θ θ的估计。函数取得最大值是一个函数极値问题,一般的处理方法是如果可以写出似然函数的解析表达式,可以用似然函数对参数 θ θ θ求一阶导数,令一阶导数为零的参数值 θ ^ \hat{θ} θ^作为参数的估计。如果这种方法行不通,我们可以画出似然函数的图像,从而找到最大值,进而确定最大似然估计。
通过这种方法我们能够得到最大似然估计,那么最大似然估计的性能怎么样呢?它有着什么样的优点和弊端呢?

进一步完善:

1、最大似然估计的性质
2、矢量参数情况

问题:

  1. 如何得到独立的观测?
  2. 加性模型代表什么意思?有没有其他的模型?
参考文献

[1] Kay S , 罗鹏飞. 统计信号处理基础[M]. 电子工业出版社, 2014.
[2] Tsitsiklis D B J N . 概率导论(第2版)(图灵数学统计学丛书40)[M]. 人民邮电出版社, 2009.

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