分布拟合——正态/拉普拉斯/对数高斯/瑞利 分布

作者：桂。

时间：2017-03-16  20:30:20

链接：http://www.cnblogs.com/xingshansi/p/6561536.html 

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前言

本文为曲线与分布拟合的一部分，主要介绍正态分布、拉普拉斯分布等常用分布拟合的理论推导以及代码实现。

 

一、理论推导

假设数据独立同分布。对于任意数据点$x_i$，对应概率密度为$f(x_i)$，最大似然函数：

$J = \mathop \prod \limits_{i = 1}^N f({x_i})$

表示成参数，并写成对数形式：

$L\left( \theta  \right) = \ln J\left( \theta  \right) = \sum\limits_{i = 1}^N {f({x_i};\theta )} $

　　A-正态分布

对于正态分布：

$f(x) = \frac{1}{{\sqrt {2\pi } \sigma }}{e^{ - \frac{{{{(x - \mu )}^2}}}{{2{\sigma ^2}}}}}$

求偏导得参数估计：

$\hat \mu  = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{x_i}} }}{N}$

${\hat \sigma ^2} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{{\left( {{x_i} - \mu } \right)}^2}} }}{N} = \frac{{{{\left( {{\bf{x}} - \mu } \right)}^T}\left( {{\bf{x}} - \mu } \right)}}{N}$

　　B-拉普拉斯分布

对于拉普拉斯分布:

$f(x) = \frac{1}{{2b}}{e^{ - \frac{{\left| {x - \mu } \right|}}{b}}}$

由于其概率密度曲线为对称分布，因此均值估计可用统计均值直接表示：

$\hat \mu  = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{x_i}} }}{N}$

最大似然函数求偏导，得出$b$的估计：

$\hat b = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {\left| {{x_i} - \mu } \right|} }}{N}$

　　C-对数正态分布

对数正态分布：

$f(x) = \frac{1}{{x\sqrt {2\pi } \sigma }}{e^{ - \frac{{{{(\ln x - \mu )}^2}}}{{2{\sigma ^2}}}}}$

事实上，令$t = lnx$，则参数求解与正态分布完全一致。

$\hat \mu  = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{t_i}} }}{N}$

${\hat \sigma ^2} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{{\left( {{t_i} - \mu } \right)}^2}} }}{N} = \frac{{{{\left( {{\bf{t}} - \mu } \right)}^T}\left( {{\bf{t}} - \mu } \right)}}{N}$

　　D-瑞利分布

瑞利分布：

$f(x) = \frac{x}{{{\sigma ^2}}}{e^{ - \frac{{{x^2}}}{{2{\sigma ^2}}}}}$

最大似然求导，得出参数估计：

${\hat \sigma ^2} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {x_i^2} }}{{2N}}$

 

二、代码实现

　　A-正态分布

x       = x(:);                 % should be column vectors !
N       = length(x);
u       = sum(x)/N;
sig2    = (x-u)'*(x-u)/N;

　　B-拉普拉斯分布

x       = x(:);                 % should be column vectors !
N       = length(x);
u       = sum( x )/N;
b       = sum(abs(x-u))/N;

　　C-对数正态分布

t     = log(x(:));                 % should be column vectors !
N       = length(x);
m       = sum( t )/N;
sig2      = (t-m)'*(t-m)/N;

　　D-瑞利分布

x       = real(x(:));                 % should be column vectors !
N       = length(x);
s       = sum(x.^2)/(2*N);

 

三、应用举例

以正态分布为例：

rng('default') % for reproducibility
x = 3*randn(100000,1)-2;
%fitting
x       = x(:);                 % should be column vectors !
N       = length(x);
u       = sum(x)/N;
sig2    = (x-u)'*(x-u)/N;

%Plot

figure;
%Bar
subplot 311
numter = [-15:.2:10];
[histFreq, histXout] = hist(x, numter);
binWidth = histXout(2)-histXout(1);
bar(histXout, histFreq/binWidth/sum(histFreq)); hold on;grid on;
%Fitting plot
subplot 312
y = 1/sqrt(2*pi*sig2)*exp(-(numter-u).^2/2/sig2);
plot(numter,y,'r','linewidth',2);grid on;

%Fitting result
subplot 313
bar(histXout, histFreq/binWidth/sum(histFreq)); hold on;grid on;
plot(numter,y,'r','linewidth',2);

结果图：

单个曲线拟合，参考：高斯曲线拟合，其他常用曲线拟合

单个分布以本文为例。