Posterior normal multivariante

Question

Es una pregunta muy sencilla pero no encuentro la derivación en ningún sitio de internet o en un libro. Me gustaría ver la derivación de cómo un bayesiano actualiza una distribución normal multivariante. Por ejemplo: imaginemos que

$$ \begin{array}{rcl} \mathbb{P}({\bf x}|{\bf },{\bf }) & = & N({\bf \mu}, {\bf \Sigma}) \\ \mathbb{P}({\bf \mu}) &= & N({\bf \mu_0}, {\bf \Sigma_0})\,. \end{array} $$

Tras observar un conjunto de ${\bf x_1 ... x_n}$ Me gustaría calcular $\mathbb{P}({\bf \mu | x_1 ... x_n})$ . Sé que la respuesta es $\mathbb{P}({\bf \mu | x_1 ... x_n}) = N({\bf \mu_n}, {\bf \Sigma_n})$ donde

$$ \begin{array}{rcl} \bf \mu_n &=& \displaystyle\Sigma_0 \left(\Sigma_0 + \frac{1}{n}\Sigma\right)^{-1}\left(\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}{\bf x_i}\right) + \frac{1}{n}\Sigma\left(\Sigma_0+\frac{1}{n}\Sigma\right)^{-1}\mu_0 \\ \bf \Sigma_n & =&\displaystyle \Sigma_0\left(\Sigma_0 + \frac{1}{n}\Sigma\right)^{-1}\frac{1}{n}\Sigma \end{array}$$

Estoy buscando la derivación de este resultado con todo el álgebra matricial intermedia.

Cualquier ayuda es muy apreciada.

Answer 1

Con las distribuciones de nuestros vectores aleatorios:

$\mathbf x_i | \mathbf \mu \sim N(\mu , \mathbf \Sigma)$

$\mathbf \mu \sim N(\mathbf \mu_0, \mathbf \Sigma_0)$

Por la regla de Bayes, la distribución posterior se parece:

$p(\mu| \{\mathbf x_i\}) \propto p(\mu) \prod_{i=1}^N p(\mathbf x_i | \mu)$

Así que:

$\ln p(\mu| \{\mathbf x_i\}) = -\frac{1}{2}\sum_{i=1}^N(\mathbf x_i - \mu)'\mathbf \Sigma^{-1}(\mathbf x_i - \mu) -\frac{1}{2}(\mu - \mu_0)'\mathbf \Sigma_0^{-1}(\mu - \mu_0) + const$

$ = -\frac{1}{2} N \mu' \mathbf \Sigma^{-1} \mu + \sum_{i=1}^N \mu' \mathbf \Sigma^{-1} \mathbf x_i -\frac{1}{2} \mu' \mathbf \Sigma_0^{-1} \mu + \mu' \mathbf \Sigma_0^{-1} \mu_0 + const$

$ = -\frac{1}{2} \mu' (N \mathbf \Sigma^{-1} + \mathbf \Sigma_0^{-1}) \mu + \mu' (\mathbf \Sigma_0^{-1} \mu_0 + \mathbf \Sigma^{-1} \sum_{i=1}^N \mathbf x_i) + const$

$= -\frac{1}{2}(\mu - (N \mathbf \Sigma^{-1} + \mathbf \Sigma_0^{-1})^{-1}(\mathbf \Sigma_0^{-1} \mu_0 + \mathbf \Sigma^{-1} \sum_{i=1}^N \mathbf x_i))' (N \mathbf \Sigma^{-1} + \mathbf \Sigma_0^{-1}) (\mu - (N \mathbf \Sigma^{-1} + \mathbf \Sigma_0^{-1})^{-1}(\mathbf \Sigma_0^{-1} \mu_0 + \mathbf \Sigma^{-1} \sum_{i=1}^N \mathbf x_i)) + const$

Que es la densidad logarítmica de una gaussiana:

$\mu| \{\mathbf x_i\} \sim N((N \mathbf \Sigma^{-1} + \mathbf \Sigma_0^{-1})^{-1}(\mathbf \Sigma_0^{-1} \mu_0 + \mathbf \Sigma^{-1} \sum_{i=1}^N \mathbf x_i), (N \mathbf \Sigma^{-1} + \mathbf \Sigma_0^{-1})^{-1})$

Usando la identidad de Woodbury en nuestra expresión para la matriz de covarianza:

$(N \mathbf \Sigma^{-1} + \mathbf \Sigma_0^{-1})^{-1} = \mathbf \Sigma(\frac{1}{N} \mathbf \Sigma + \mathbf \Sigma_0)^{-1} \frac{1}{N} \mathbf \Sigma_0$

Lo que proporciona la matriz de covarianza en la forma que la OP quería. Usando esta expresión (y su simetría) en la expresión para la media tenemos:

$\mathbf \Sigma(\frac{1}{N} \mathbf \Sigma + \mathbf \Sigma_0)^{-1} \frac{1}{N} \mathbf \Sigma_0 \mathbf \Sigma_0^{-1} \mu_0 + \frac{1}{N} \mathbf \Sigma_0(\frac{1}{N} \mathbf \Sigma + \mathbf \Sigma_0)^{-1} \mathbf \Sigma \mathbf \Sigma^{-1} \sum_{i=1}^N \mathbf x_i$

$= \mathbf \Sigma(\frac{1}{N} \mathbf \Sigma + \mathbf \Sigma_0)^{-1} \frac{1}{N} \mu_0 + \mathbf \Sigma_0(\frac{1}{N} \mathbf \Sigma + \mathbf \Sigma_0)^{-1} \sum_{i=1}^N (\frac{1}{N} \mathbf x_i)$

Que es la forma requerida por el OP para la media.