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La matemática y la estadística de los requisitos previos para comprender los filtros de partículas?

Actualmente estoy tratando de entender filtros de partículas y sus posibles usos en finanzas y me está costando bastante. ¿Cuáles son los matemáticos y estadísticos requisitos que debo revisar (viene de un fondo en finanzas cuantitativas) con el fin de (i) los fundamentos de filtros de partículas accesible, y (ii) para luego entender a fondo? Tengo un conocimiento sólido de posgrado a nivel de la econometría de series de tiempo, con la excepción de espacio de estado de los modelos, que no he cubierto todavía.

Las sugerencias se agradece mucho!

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Martin Robins Puntos 1893

Usted puede obtener sorprendentemente, de momento, con sólo un par de conceptos básicos. La notación, una explosión de variables, etc... puede hacer que las cosas aspecto complicado, pero el núcleo de la idea de partícula de filtrado es muy simple.

Algunos conceptos básicos de la probabilidad de que sería necesario (y es probable que ya lo hacen!) entender:

  • Computación en la distribución marginal: $P(X = x) = \sum_i P(X = x, Y = y_i)$
  • Def. Probabilidad condicional: $P(X \mid Y) = \frac{P(X,Y)}{P(Y)}$
  • La Regla De Bayes: $P(X \mid Y) = \frac{P(Y \mid X) P(X)}{P(Y)}$
  • Bayesiano términos: por ejemplo. antes, probabilidad posterior (+1 @Yair Daon, estoy de acuerdo!)

Los pasos básicos de un filtro de partículas son muy simples:

Primero:

  • Comience con algunas creencias acerca de algunos de los secretos de estado. Por ejemplo, usted puede comenzar con la creencia de que su cohete en la plataforma de lanzamiento. (En un filtro de partículas, las creencias sobre el estado oculto será representado con una nube de puntos, cada punto indica un posible valor de el estado oculto. Cada punto también está asociado con una probabilidad de que el estado sea el verdadero estado.)

A continuación, se repetir los siguientes pasos para actualizar de vez en $t$ tiempo $t+1$:

  1. Predicción de el paso: avanzar ubicación de puntos basado en la ley de movimiento. (por ejemplo. mover los puntos hacia adelante basado en cohete actual de velocidad, trayectoria, etc...). Esto normalmente se expanda fuera de la nube de puntos que aumenta la incertidumbre.
  2. La probabilidad de paso de actualización: Uso de los datos, el sensor de entrada a la actualización de las probabilidades asociadas con los puntos usando la Regla de Bayes. Normalmente el colapso de la nube de puntos como la incertidumbre se reduce.
  3. Agregar algunas partículas de filtrado de pasos específicos/trucos. Por ejemplo. :
    • Ocasionalmente remuestrear sus puntos, de manera que cada punto tiene la misma probabilidad.
    • Mezclar en un poco de ruido, evitar que su probabilidad de paso (2) a partir del colapso de la nube de puntos demasiado (en partículas de filtrado, es importante que exista al menos un punto con probabilidad positiva vagamente en su ubicación real!)

Ejemplo:

Inicializar el filtro: - Mira tu ubicación, donde usted está parado. Ahora cierre sus ojos.

Luego iterar:

  1. Dar un paso hacia adelante con los ojos cerrados.
  2. Predicción de el paso: teniendo en cuenta las creencias del pasado acerca de donde estaban de pie, predecir dónde está ahora de pie, da un paso adelante. (Tenga en cuenta que la incertidumbre se expande debido a su paso hacia adelante con los ojos cerrados no es muy preciso!)
  3. Actualización de paso: Uso de sensores (por ejemplo. el sentimiento de alrededor, etc...) para actualizar sus creencias acerca de donde usted está parado.

REPITA!

La probabilidad de la maquinaria necesaria para implementar es básicamente básicos de probabilidad: regla de Bayes, la informática, la distribución marginal etc...

Muy relacionadas con las ideas que podrían ayudar a entender el panorama general:

En cierto sentido, los pasos (1) y (2) son comunes a cualquier filtrado Bayesiano problema. Algunos muy relacionados con los conceptos, posiblemente, de leer sobre:

  • Modelo oculto de Markov. Un proceso de Markov si el pasado es independiente de que el futuro dado el estado actual. Casi cualquier serie de tiempo es modelada como una especie de proceso de Markov. Una Ocultos de Markov un Modelo donde el estado no es directamente observado (por ejemplo. usted nunca de observar directamente la ubicación exacta de su cohete y en lugar de inferir es la ubicación a través de un filtro Bayesiano).
  • Filtro De Kalman. Esta es una alternativa a las partículas de filtrado que utiliza comúnmente. Es, básicamente, un filtro Bayesiano donde todo es que se supone multivariante de Gauss.

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Taylor Puntos 692

Usted debe aprender acerca de los más fáciles de código de estado modelos de espacio y de forma cerrada, el filtrado de la primera (es decir, filtros kalman, modelos ocultos de markov). Mateo Gunn es correcto que usted puede conseguir sorprendentemente mucho con conceptos simples, pero en mi humilde opinión, usted debe hacer esto un objetivo intermedio porque:

1.) Relativamente hablando, hay más piezas en movimiento en el espacio de estado de los modelos. Cuando usted aprende SSMs o modelos ocultos de markov, hay un montón de notación. Esto significa que hay más cosas a tener en su memoria de trabajo, mientras que usted juega alrededor de la verificación de las cosas. Personalmente, cuando yo estaba aprendiendo acerca de los filtros de Kalman y lineal-Gaussiano SSMs en primer lugar, yo era básicamente pensando "eh, esto es sólo propiedades multivariante de vectores normales...sólo tengo que seguir la pista de que la matriz es que." También, si usted está cambiando entre los libros, a menudo el cambio de notación.

Después pensé en ello como "eh, esto es sólo la regla de Bayes en cada momento." Una vez que usted piensa de esta manera se entiende por qué conjugar las familias son buenas, como en el caso del filtro de Kalman. Cuando el código de un modelo oculto de markov, con su discreto espacio de estado, por qué usted no tendrá que calcular cualquier probabilidad, y de filtrado y suavizado es fácil. (Creo que me estoy desviando de los convencionales hmm jerga aquí.)

2.) El corte de los dientes en la codificación de un montón de estos le harán darse cuenta de cómo en general la definición de un modelo de espacio de estado. Pronto vas a estar escribiendo los modelos que desea utilizar, y al mismo tiempo a ver por qué no se puede. Primero que finalmente te vas a ver que simplemente no puedes escribirlo en una de estas dos formas de que usted está acostumbrado. Cuando se piensa en ello un poco más, puede escribir la regla de Bayes, y ver el problema es su incapacidad para calcular algún tipo de probabilidad para los datos.

Así que con el tiempo dejan de ser capaz de calcular estas las distribuciones posteriores (suavizado o filtrado de las distribuciones de los estados). A tener cuidado con esto, hay un montón de aproximado de filtrado de cosas allí. Las partículas de filtrado es sólo uno de ellos. La principal conclusión de la partícula de filtrado: simular a partir de estas distribuciones, porque no se puede calcular.

¿Cómo se puede simular? La mayoría de los algoritmos son sólo algunos variante de la importancia de muestreo. Pero se vuelve más complicado aquí. Recomiendo el tutorial de papel por Doucet y Johansen (http://www.cs.ubc.ca/~arnaud/doucet_johansen_tutorialPF.pdf). Si usted consigue lo cerrado de forma filtrado de obras, se presenta a la idea general de la importancia de muestreo, entonces la idea general del método de monte carlo, y luego mostrar cómo el uso de estas dos cosas para empezar con un buen financieros de la serie de tiempo ejemplo. En mi humilde opinión, este es el mejor tutorial sobre la partícula de filtrado que me he topado.

Además de la adición de dos nuevas ideas para la mezcla (importancia de muestreo y el método de monte carlo), hay más de notación ahora. Algunas densidades estás de muestreo a partir de ahora; algunos de los que estamos evaluando, y cuando de la evaluación, que está evaluando en las muestras. El resultado, después de que el código de todos, se ponderan las muestras, considerados como partículas. Cambian después de cada nueva observación. Sería muy difícil elegir todo esto de una vez. Creo que es un proceso.

Me disculpo si estoy venir a través como críptico, o handwavy. Pero, para mí, personalmente, esto básicamente cómo escogí estas cosas.

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