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我正在尝试实现 Metropolis Python 中的算法(Metropolis-Hastings 算法的简单版本)。
这是我的实现:
def Metropolis_Gaussian(p, z0, sigma, n_samples=100, burn_in=0, m=1):
"""
Metropolis Algorithm using a Gaussian proposal distribution.
p: distribution that we want to sample from (can be unnormalized)
z0: Initial sample
sigma: standard deviation of the proposal normal distribution.
n_samples: number of final samples that we want to obtain.
burn_in: number of initial samples to discard.
m: this number is used to take every mth sample at the end
"""
# List of samples, check feasibility of first sample and set z to first sample
sample_list = [z0]
_ = p(z0)
z = z0
# set a counter of samples for burn-in
n_sampled = 0
while len(sample_list[::m]) < n_samples:
# Sample a candidate from Normal(mu, sigma), draw a uniform sample, find acceptance probability
cand = np.random.normal(loc=z, scale=sigma)
u = np.random.rand()
try:
prob = min(1, p(cand) / p(z))
except (OverflowError, ValueError) as error:
continue
n_sampled += 1
if prob > u:
z = cand # accept and make candidate the new sample
# do not add burn-in samples
if n_sampled > burn_in:
sample_list.append(z)
# Finally want to take every Mth sample in order to achieve independence
return np.array(sample_list)[::m]
当我尝试将我的算法应用于指数函数时,只需要很少的时间。然而,当我在t-分布上尝试它时,考虑到它没有进行那么多计算,它需要很长时间。这是复制我的代码的方法:
t_samples = Metropolis_Gaussian(pdf_t, 3, 1, 1000, 1000, m=100)
plt.hist(t_samples, density=True, bins=15, label='histogram of samples')
x = np.linspace(min(t_samples), max(t_samples), 100)
plt.plot(x, pdf_t(x), label='t pdf')
plt.xlim(min(t_samples), max(t_samples))
plt.title("Sampling t distribution via Metropolis")
plt.xlabel(r'$x$')
plt.ylabel(r'$y$')
plt.legend()
这段代码需要相当长的时间才能运行,我不知道为什么。在我的 Metropolis_Gaussian 代码中,我试图通过以下方式提高效率
函数pdf_t
定义如下
from scipy.stats import t
def pdf_t(x, df=10):
return t.pdf(x, df=df)
最佳答案
我回答了similar question previously 。我在那里提到的许多东西(不是在每次迭代时计算当前的可能性,预先计算随机创新等)都可以在这里使用。
实现的其他改进是不使用列表来存储样本。相反,您应该为样本预先分配内存并将它们存储为数组。像 samples = np.zeros(n_samples)
这样的东西比在每次迭代时附加到列表更有效。
您已经提到您试图通过不记录老化样本来提高效率。这是一个好主意。您还可以通过仅记录每个第 m 个样本来对细化执行类似的技巧,因为您无论如何都会在 return 语句中使用 np.array(sample_list)[::m]
丢弃这些样本。您可以通过更改来做到这一点:
# do not add burn-in samples
if n_sampled > burn_in:
sample_list.append(z)
至
# Only keep iterations after burn-in and for every m-th iteration
if n_sampled > burn_in and n_sampled % m == 0:
samples[(n_sampled - burn_in) // m] = z
还值得注意的是,您不需要计算 min(1, p(cand)/p(z))
,只需计算 p(cand)/p(z)
。我意识到,形式上 min
是必要的(以确保概率限制在 0 和 1 之间)。但是,在计算上,我们不需要最小值,因为如果 p(cand)/p(z) > 1
那么 p(cand)/p(z)
是总是大于u
。
将这些放在一起,并预先计算随机创新、接受概率u
,并且仅在确实需要时才计算可能性,我想出了:
def my_Metropolis_Gaussian(p, z0, sigma, n_samples=100, burn_in=0, m=1):
# Pre-allocate memory for samples (much more efficient than using append)
samples = np.zeros(n_samples)
# Store initial value
samples[0] = z0
z = z0
# Compute the current likelihood
l_cur = p(z)
# Counter
iter = 0
# Total number of iterations to make to achieve desired number of samples
iters = (n_samples * m) + burn_in
# Sample outside the for loop
innov = np.random.normal(loc=0, scale=sigma, size=iters)
u = np.random.rand(iters)
while iter < iters:
# Random walk innovation on z
cand = z + innov[iter]
# Compute candidate likelihood
l_cand = p(cand)
# Accept or reject candidate
if l_cand / l_cur > u[iter]:
z = cand
l_cur = l_cand
# Only keep iterations after burn-in and for every m-th iteration
if iter > burn_in and iter % m == 0:
samples[(iter - burn_in) // m] = z
iter += 1
return samples
如果我们看一下性能,我们会发现此实现比原始实现快 2 倍,这对于一些小的更改来说还不错。
In [1]: %timeit Metropolis_Gaussian(pdf_t, 3, 1, n_samples=100, burn_in=100, m=10)
205 ms ± 2.16 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)
In [2]: %timeit my_Metropolis_Gaussian(pdf_t, 3, 1, n_samples=100, burn_in=100, m=10)
102 ms ± 1.12 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)
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