1. 什么是采樣

我們知道了一個變量的分布，要生成一批服從這個分布的樣本，這個過程就叫采樣。
聽起來好像很簡單，對一些簡單的分布函數確實如此，比如，均勻分布、正太分布，但只要分布函數稍微復雜一點，采樣這個事情就沒那么簡單了。

2. 為什么要采樣

在講具體的采樣方法之前，有必要弄清楚采樣的目的。為什么要采樣呢？有人可能會這樣想，樣本一般是用來估計分布參數的，現在我都知道分布函數了，還采樣干嘛呢？其實采樣不只是可以用來估計分布參數，還有其他用途，比如說用來估計分布的期望、高階動量等。其實在機器學習中，采樣的主要用途是用來估計某個函數在某個分布上的期望，比如在EM算法中，計算E步的時候，已知隱變量的分布，用采樣的方法估計對數似然的期望。

3.采樣的作用

采樣本質上是對隨機線性的模擬，根據給定的概率分布，來模擬產生一個對應的隨機事件。也可以理解為用較少的樣本點來近似總體分布，可以算是一種信息降維。

可以快速了解總體分布中數據的結構和特性。

通過重采樣可以充分利用已有數據集，挖掘更多信息，如自助法，刀切法。

4. 常用的采樣方法

幾乎所有的采樣方法都是以均勻分布隨機數作為基本操作的。

逆變換采樣法：第一步，從均勻分布中產生一個隨機數；第二步，根據一個累計分布函數的逆函數進行計算。如果待采樣的目標分步的累計分布函數的逆函數無法求得或不易求，則不適合使用逆變換采樣法。

拒絕采樣：接受/拒絕采樣，對于目標分布p(x)，選取一個容易采樣的參考分布q(x)，使得對于任意p(x)都小于等于M*q(x)。第一步，從參考分布q(x)中隨機抽取一個樣本；第二步，從均勻分布中產生一個隨機數；第三步，如果 [公式] 大于隨機數，則接受樣本，如果小于則拒絕樣本。

自適應拒絕采樣：在目標函數是對數凹函數時，用分段函數來覆蓋目標分布的對數。

重要性采樣：就是用于計算函數在目標分布上的積分，如果只想從目標分布中采樣出若干樣本，可以使用重要性重采樣。

在實際應用中，高維空間的隨機向量，拒絕采樣和重要性重采樣經常難以找到合適的參考分布，采樣效率比較低，可以考慮馬爾科夫蒙特卡羅采樣法。

5. 基本采樣方法

首先，最基本的方法是變換法，大概思想是這樣的，比如我們要對分布a采樣，但是只有分布b的采樣器，我們可以通過對b采樣的結果進行一些變換，使變換后的結果服從分布a，舉個例子，對0到1的均勻分布的結果進行tan函數變換得到的結果就服從柯西分布，大家可以試想下怎么變換能得到指數分布和高斯分布。

5.1 高斯分布的采樣

逆變換法：第一步，生成均勻分布隨機數；第二步，把隨機數帶入一個服從正態分布的公式。也可以用Box-Muller算法生成兩個獨立的均勻分布的隨機數，計算三角函數。還可以用Marsaglia polar method加速運算。

拒絕采樣法：先模擬一個均勻分布的隨機數，并得到指數分布樣本；再產生另一個隨機數，進行比較，大于這個隨機數接受，小于拒絕，并回到上一步重新采樣；最后再生產一個隨機數，隨機數小于0.5，轉換為負，大于0.5，保持不變。有時效率會比較低，可以用Ziggurat算法提高效率。

5.2 馬爾科夫鏈蒙特卡洛采樣（Markov Chain Monte Carlo）

馬爾科夫蒙特卡羅MCMC，蒙特卡羅是指基于采樣的數值型近似求解方法，馬爾科夫鏈則用于采樣。

要理解MCMC，有幾個關鍵要點：

MCMC基本思想，針對待采樣目標分布，構造一個馬爾科夫鏈，使得該馬爾科夫鏈的平穩分布就是目標分布，然后從任何一個初始狀態出發，沿著馬爾科夫鏈進行狀態轉移，最終得到的狀態轉移序列會收斂到目標分布，由此可以得到目標分布的一系列樣本。

幾種常見的MCMC

Metropolis-Hastings采樣法：第一步，隨機選一個初始樣本；第二步，比較參考條件分布與隨機數的大小，并進行賦值。

吉布斯采樣法：每次只對樣本的一個維度進行采樣和更新。隨機選擇初始狀態，每次更新一個維度，多次后形成新樣本。
吉布斯采樣的牛逼之處在于只需要知道條件概率的分布，便可以通過采樣得到聯合概率分布的樣本，LDA的求解可以說是吉布斯采樣的一個絕妙應用例子，通過采樣的方法就完成了整個模型的求解，確實很巧妙。另一個很好的例子是玻爾茲曼機的訓練，哪天有時間把這兩個例子展開講講。

MCMC采樣如何得到相互獨立的樣本

可以同時運行多條馬爾科夫鏈，或者在一條馬爾科夫鏈上間隔幾個樣本才選一個。

5.3 貝葉斯網絡的采樣

祖先采樣：根據有向圖的順序，先對祖先節點進行采樣，只有當某個節點的所有父節點都已完成采樣，才對該節點進行采樣。

邏輯采樣：利用祖先采樣的取值，如果這個取值與觀測值相同，則接受，否則拒絕，重新采樣。采樣效率可能很低。實際中參考重要性采樣的思想，不再對觀測變量進行采樣，只對非觀測變量進行采樣。

MCMC采樣法：在隨機向量上選擇一個概率轉移矩陣，按照概率轉移矩陣不斷進行狀態轉移，每次轉移有一定概率接受或拒絕，最終得到的樣本序列會收斂到目標分布。

5.4 不均衡樣本集的重采樣

(1)基于數據的方法

對數據進行重采樣，是原本不均的樣本變得均勻。具體方法：過采樣和欠采樣。

過采樣會造成過擬合，欠采樣會損失部分有用信息。

對此改進，SMOTE算法，對少數類樣本集中的每個樣本，從它到K個近鄰中隨機選一個樣本點，然后在連線上隨機選一個點作為新合成的樣本。可以降低過擬合風險。但可能會增大類間重疊度，并且會生成一些不能提供有益信息的樣本。

再改進，Borderline-SMOTE算法，只給那些處在分類邊界上的少數類樣本合成新樣本；ADASYN算法，給不同的少數類樣本合成不同個數的新樣本。

欠采樣，改進算法有Easy Ensemble算法、Balance Cascade算法、NearMiss、One-sided Selection

(2)基于算法的方法

在樣本不均衡時，可以通過改變模型訓練時的目標函數來矯正不平衡性；當樣本數目極其不平衡時，也可以將問題轉化為單類學習、異常檢測。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的对采样的理解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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