線形ガウスカルマンフィルターの対数尤度パラメーター推定


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n次元状態ベクトルの線形ガウス状態空間解析用に、カルマンフィルタリングを実行できるコードをいくつか作成しました(多くの異なるカルマンタイプのフィルター[情報フィルターなど]を使用)。フィルターはうまく機能し、いくつかの素晴らしい出力を得ています。ただし、対数尤度推定によるパラメーター推定は私を混乱させます。私は統計学者ではなく物理学者なので、親切にしてください。

線形ガウス状態空間モデルを考えてみましょう

yt=Ztαt+ϵt
αt+1=Ttαt+Rtηt

ここで、は観測ベクトル、は時間ステップ状態ベクトルです。太字の量は、対象のシステムの特性に従って設定される状態空間モデルの変換行列です。私たちも持っていますytαtt

η TN I D 0 QはTα 1N I D 1P 1

ϵtND0Ht
ηtND0Qt
α1NDa1P1

ここで、です。ここで、初期パラメーターと分散行列を推測することにより、この一般的な状態空間モデルのカルマンフィルターの再帰を導出および実装しました\ mathbf {H} _ {1}および\ mathbf {Q} _ {1}プロットを作成できますお気に入りH 1 Q 1t=1nH1Q1

カルマンフィルター

ここで、ポイントは100年以上にわたる1月のナイル川の水位であり、線はカラーン推定状態であり、破線は90%の信頼水準です。

さて、この1Dデータセットの行列とは、それぞれスカラーとすぎません。カルマンフィルターの出力と対数尤度関数を使用して、これらのスカラーの正しいパラメーターを取得したいQ T σ ε σ ηHtQtσϵση

ログLYn=np2ログ2π12t=1nlog|Ft|+vtTFt1vt

ここで、は状態エラーで、は状態エラーの分散です。さて、ここで私は混乱しています。カルマンフィルターから、を計算するために必要なすべての情報が得られますが、これによりおよびの最尤を計算できるようになるとは思えません。私の質問は、対数尤度アプローチと上記の方程式を使用して、およびの最尤をどのように計算できますか?アルゴリズムの崩壊は、今の私にとっては冷たいビールのようなものです...vtFtLσϵσησϵση

御時間ありがとうございます。


注意。1Dの場合のと。これは単変量ローカルレベルモデルです。Ht=σϵ2Ht=ση2

回答:


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および値を指定してカルマンフィルターを実行する と、一連のイノベーション およびそれらの共分散が得られるため、指定した式を使用した値。σϵ2ση2νtFtログLYn

つまり、カルマンフィルターは、および暗黙関数を計算する方法と見なすことができます。この場合、この計算を関数またはサブルーチンにパッケージ化し、その関数をRのような最適化ルーチンに処理する必要があります。その関数は、入力として およびおよびを返し 。σϵ2ση2optimσϵ2ση2ログLYn

Rの一部のパッケージ(例:)dlmはこれを行います(例:関数を参照dlmMLE)。


お返事をありがとうございます。対数尤度を明示的に計算するために必要なすべてのコンポーネントを持っているようですが、対数尤度関数で未知数としてとを使用し、ニュートンを使用してこれを最大化することを示唆しているようですタイプの方法?これは私を混乱させるものです。「対数尤度は未知の状態ベクトルに関して数値的に最大化されます」-どうやって?σϵση
ムーンナイト14

尤度の計算はそれほど明確ではありません。とは式に明示的に現れません。むしろ、それらはおよび介して尤度に影響します。したがって、カルマンフィルターを実行して、との値の各ペアに対してを計算する必要があります。それを関数の形でコーディングしたら、それをニュートン型(または任意の汎用)最大化関数に処理し、それで終わりです。σϵσηログLYnνtFtログLYnσϵση
F. Tusell

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ナイルのデータに対してこれを正確に行う方法を示す詳細なコード(R)があります。私は生徒のイラストとしてそれを使用します。残念ながらスペイン語ですが、コードがかなり明快であることを願っています(そうでなければコメントを翻訳できます)。この例はet.bs.ehu.es/~etptupaf/N4.htmlから入手できます。
F.チューセル14

これは非常に役立ちます。お時間をいただきありがとうございます。あなたのコメントは大いに役立ちました!「木のために木を見る」ことは難しい場合があり、簡単に何かを明示的に説明することが必要です。
ムーンナイト14

また、状態スムージング再帰を実行するページをご覧になることができるかどうかもお聞きしたいと思います。あなたのスムージングは​​私のものよりも良く見えるので、なぜかわかりません!?...私はあなたのウェブサイトからそれを見つけることを試みてきたが、私は必要なページを見つけることができません
MoonKnight
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