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문제 6 · 단일 가우시안 변분 추론

문제 6 — 단일 가우시안 변분 추론

관측치 xR이 다음과 같이 생성된다고 가정하자.

p(xμ)=N(xμ,σ2), σ2=1,p(μ)=N(μμ0,τ02)

이를 변분 분포 q(μ)=N(μm,s2)로 근사하고자 한다. 이 때 ms2를 구하시오.


ELBO 식은 아래와 같이 정의된다.

L(m,s2)=Eq[lnp(xμ)]+Eq[lnp(μ)]Eq[lnq(μ)]
풀이 및 해설

가우시안 하에서 각 항의 기댓값을 계산한다(Eq[μ]=m, Eq[(μc)2]=(mc)2+s2).

Eq[lnp(xμ)]=12ln(2πσ2)(xm)2+s22σ2Eq[lnp(μ)]=12ln(2πτ02)(mμ0)2+s22τ02Eq[lnq(μ)]=12ln(2πs2)+12(엔트로피)

m에 대한 미분σ2=1을 대입하고 L/m=0:

(xm)+μ0mτ02=0  m(1+1τ02)=x+μ0τ02 m=τ02x+μ0τ02+1 

s2에 대한 미분L/s2=0:

12σ212τ02+12s2=0  1s2=1+1τ02 s2=11+1τ02=τ02τ02+1 

의미 — 정밀도(분산의 역수)가 사전 정밀도 1/τ02와 우도 정밀도 1/σ2=1의 합이 되고, 평균은 두 정보의 정밀도 가중 평균이다. 이 모델은 켤레(conjugate)이므로 변분 해가 정확한 사후분포와 정확히 일치한다(단일 변수라 근사 오차가 없다).

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