EM算法的R实现和高斯混合模型

EM（Expectatioin-Maximalization）算法即期望最大算法，被誉为是数据挖掘的十大算法之一。它是在概率模型中寻找参数最大似然估计的算法，其中概率模型依赖于无法观测到的隐变量。最大期望算法经过两个步骤交替进行计算，第一步是计算期望（E），也就是将隐藏变量象能够观测到的一样包含在内，从而计算最大似然的期望值；另外一步是最大化（M），也就是最大化在 E 步上找到的最大似然的期望值从而计算参数的最大似然估计。M 步上找到的参数然后用于另外一个 E 步计算，这个过程不断交替进行。对于信息缺失的数据来说，EM算法是一种极有效的工具，我们先用一个简单例子来理解EM算法，并将其应用到GMM（高斯混合模型）中去。

幼儿园里老师给a，b，c，d四个小朋友发糖吃，但老师有点偏心，不同小朋友得到糖的概率不同，p(a)=0.5, p(b)=miu, p(c)=2*miu, p(d)=0.5-3*miu 如果确定了参数miu，概率分布就知道了。我们可以通过观察样本数据来推测参数。设四人实际得到糖果数目为(a,b,c,d)，可以用ML（极大似然），估计出miu=(b+c)/6*(b+c+d)，假如某一天四个小朋友分别得到了(40,18,0,23)个糖。根据公式可求出miu为0.1。在信息完整条件下，ML方法是很容易估计参数的。

假设情况再复杂一点：知道c和d二人得到的糖果数，也知道a与b二人的糖果数之和为h，如何来估计出参数miu呢？前面我们知道了，如果观察到a，b，c，d就可以用ML估计出miu。反之，如果miu已知，根据概率期望 a/b=0.5/miu，又有a+b=h。由两个式子可得到 a=0.5*h/(0.5+miu)和b=miu*h/(0.5+miu)。此时我们面临一个两难的境地，a，b需要miu才能求出来，miu需要a，b才能求出来。有点类似岸上的八戒和河里的沙僧的对话：你先上来，你先下来，你先上来......

那么一种思路就是一方先让一步，暂且先抛出一个随机的初值，然后用对方算出的数值反复迭代计算。直到计算结果收敛为止。这就是EM算法的思路，我们来看看用R来实现这种思路：