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1.极大似然
极大似然（Maximum Likelihood）估计为用于已知模型的参数估计的统计学方法。比如，我们想了解抛硬币是正面（head）的概率分布
；那么可以通过最大似然估计方法求得。假如我们抛硬币1010次，其中88次正面、22次反面；极大似然估计参数
值：
其中，
为观测变量序列的似然函数（likelihood function of the observation sequence）。对
求偏导：
因为似然函数
不是凹函数（concave），求解极大值困难。一般地，使用与之具有相同单调性的log-likelihood，如图所示
凹函数（concave）与凸函数（convex）的定义如图所示：
从图中可以看出，凹函数“容易”求解极大值，凸函数“容易”求解极小值。
2.EM算法
EM算法（Expectation Maximization）是在含有隐变量（latent variable）的模型下计算最大似然的一种算法。所谓隐变量，是指我们没有办法观测到的变量。比如，有两枚硬币A、B，每一次随机取一枚进行抛掷，我们只能观测到硬币的正面与反面，而不能观测到每一次取的硬币是否为A；则称每一次的选择抛掷硬币为隐变量。
用Y表示观测数据，Z表示隐变量；Y和Z连在一起称为完全数据( complete-data )，观测数据Y又称为不完全数据(incomplete-data)。观测数据的似然函数：
求模型参数的极大似然估计：
因为含有隐变量，此问题无法求解。因此，Dempster等人提出EM算法用于迭代求解近似解。EM算法比较简单，分为两个步骤：
- E步（E-step），以当前参数
计算
的期望值
- M步（M-step），求使
极大化的
确定第
次迭代的参数的估计值
如此迭代直至算法收敛。关于算法的推导及收敛性证明，可参看李航的《统计学习方法》及Andrew Ng的《CS229 Lecture notes》
3.实例
[2]中给出极大似然与EM算法的实例。如图所示，有两枚硬币A、B，每一个实验随机取一枚抛掷10次，共5个实验，我们可以观测到每一次所取的硬币，估计参数A、B为正面的概率
，根据极大似然估计求解
如果我们不能观测到每一次所取的硬币，只能用EM算法估计模型参数，算法流程如图所示：
隐变量Z为每次实验中选择A或B的概率，则第一个实验选择A的概率为
按照上面的计算方法可依次求出隐变量
，然后计算极大化的
。经过10次迭代，最终收敛。
4.参考资料
[1] 李航，《统计学习方法》.
[2] Chuong B Do & Serafim Batzoglou, What is the expectation maximization algorithm?
[3] Pieter Abbeel, Maximum Likelihood (ML), Expectation Maximization (EM).
[4] Rudan Chen,【机器学习算法系列之一】EM算法实例分析.