研讨会系列 10 · Kalman Filter L7

非贝叶斯估计与最大似然

参数是固定的常数,数据是随机的——最大似然估计:找到让数据"最有可能"的那个参数。

📅 2026-01-31 ⏱ ~90 分钟 📊 中级 🎯 估计理论

🎯 学完本节,你应能

理解非贝叶斯估计思想,掌握最大似然估计的基本方法

📖 前置知识

建议先完成前面的课程,或具备线性代数与概率论基础。

1. Non-Bayesian 框架

在非贝叶斯估计中:

和 Bayesian 的区别

🔵 Bayesian

问:$P(\theta|x)$ 是多少?
把 $\theta$ 当随机变量,需要先验。

🟢 Non-Bayesian

问:哪个 $\theta$ 让数据最可能?
$\theta$ 是固定常数,不需要先验。

2. 【课堂例题】房间温度

模型:

$$ X = T + V $$

其中 $T$ 是真实温度,固定但未知。若 $V \sim N(0,1)$,则:

$$ X \sim N(T, 1) $$

这里 $T$ 是分布参数。不同的 $T$ 会让观测数据的概率密度曲线平移——直观上,ML 会选择让观测值最"合理"的那个 $T$。

3. 最大似然估计 ML

观测 $x_{1}, \ldots, x_{n}$,联合概率或密度写成:

$$ p(x_{1}, \ldots, x_{n}; \theta) $$

分号表示 $\theta$ 是参数,不是随机变量。

最大似然估计:

$$ \hat\theta_{\text{ML}} = \arg\max_\theta p(x_{1}, \ldots, x_{n}; \theta) $$

💡 通俗解释: 已经看到这些数据了。ML 问:哪个 $\theta$ 会让这些数据最容易发生?

4. 独立样本和 log-likelihood

若 $X_{i}$ 独立:

$$ p(x_{1}, \ldots, x_{n}; \theta) = \prod_{i=1}^n p(x_{i}; \theta) $$

取 log(单调递增,不改变最大点):

$$ \log p(x_{1}, \ldots, x_{n}; \theta) = \sum_{i=1}^n \log p(x_{i}; \theta) $$

✅ 为什么喜欢 log

乘积变求和
不易数值下溢
求导更方便

5. 【课堂例题】偏硬币估计

硬币正面概率为 $\theta$。第 $i$ 次投掷:

$$ X_{i} = \begin{cases} 1, & \text{正面} \\ 0, & \text{反面} \end{cases} $$

一个直观估计器:

$$ \hat\theta_{n} = \frac1n \sum_{i=1}^n X_{i} $$

如果 100 次中 70 次正面,则 $\hat\theta = 0.7$。

🔗 预告: 下一讲会完整推导它正是 ML 解。

6. 【课堂例题】温度的 ML 直觉

若观测到多个温度读数 $x_{1}, \ldots, x_{n}$,且噪声是高斯:

$$ X_{i} \sim N(T, 1) $$

当 $T$ 靠近观测数据中心时,所有观测同时出现的概率最大。

在独立同方差高斯噪声下,ML 会给出样本均值:

$$ \hat T_{\text{ML}} = \frac1n \sum_{i} x_{i} $$

📊 直觉: 高斯噪声下,最大化似然等价于最小化残差平方和——这是通向最小二乘的桥梁。

7. MAP 和 ML 的关系

📍 MAP

$$ \arg\max_\theta P(\theta|x) $$

$= \arg\max_\theta P(\theta) P(x|\theta)$

📈 ML

$$ \arg\max_\theta P(x; \theta) $$

只看数据似然

如果先验 $P(\theta)$ 是常数(uniform prior),则:

$$ \hat\theta_{\text{MAP}} = \hat\theta_{\text{ML}} $$

💡 通俗解释: 如果你事先对所有参数都一视同仁,那么只看数据最支持哪个参数即可。

8. 【补充例题】非均匀先验下 MAP 和 ML 不同

假设两个候选参数 $\theta_{1}, \theta_{2}$:

$$ P(x|\theta_{1}) = 0.6,\quad P(x|\theta_{2}) = 0.8 $$ $$ P(\theta_{1}) = 0.9,\quad P(\theta_{2}) = 0.1 $$

ML 选 $\theta_{2}$,因为 0.8 更大。

MAP 比较:

$$ 0.9 \times 0.6 = 0.54 \quad\text{vs}\quad 0.1 \times 0.8 = 0.08 $$

所以 MAP 选 $\theta_{1}$。

📝 要点: 先验信息强烈时,MAP 和 ML 可能分歧很大。ML 完全由数据驱动,MAP 则在先验和数据之间做权衡。

📌 小结

📈 最大似然

"让已观测数据最合理"
$\hat\theta_{\text{ML}} = \arg\max p(x;\theta)$

🆚 MAP vs ML

Uniform prior 时 MAP = ML
先验强烈时两者不同

🔗 连接

高斯噪声下 ML → 最小二乘
这是下一讲的重要连接点 🧭

📝 自测题

  1. 为什么 ML 中 $\theta$ 后面常用分号而不是竖线?
  2. log-likelihood 为什么和 likelihood 有相同最大点?
  3. 什么条件下 MAP 和 ML 一致?
查看答案提示

1. 分号表示 $\theta$ 是确定参数而非随机变量。竖线在 Bayesian 中表示条件概率,需要 $\theta$ 是随机变量。

2. log 函数是严格单调递增的,所以 $\arg\max f(x) = \arg\max \log f(x)$。

3. 当先验分布是均匀分布(常数)时,MAP = ML。

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字幕来源:subtitles/20260131_施凌_研讨会系列10_KF_L7_audio_ea83bf8b6caaee41.srt