Урок по треку Математика для ML 7 мин

Распределения, MLE и MAP за 7 минут

Бернулли, биномиальное, Пуассона, нормальное, правдоподобие, MLE, MAP и связь с функциями потерь.

Функции потерь не берутся с потолка: MSE и кросс-энтропия выводятся из метода максимального правдоподобия, а регуляризация из априорного распределения. Это любимая тема собеседований DS, особенно на middle и senior.

Базовые распределения

РаспределениеЧто описываетСреднееДисперсия
Бернулли(p)один исход «да или нет»pp(1-p)
Биномиальное(n, p)число успехов в n испытанияхnpnp(1-p)
Пуассона(λ)число событий за интервалλλ
Нормальное(μ, σ²)сумма многих мелких эффектовμσ²
Экспоненциальное(λ)время до события1/λ1/λ²

Полезные факты:

  • правило 68-95-99.7 для нормального: доля значений в ±1σ, ±2σ, ±3σ;
  • у Пуассона среднее равно дисперсии; если дисперсия в данных больше, берут отрицательное биномиальное;
  • экспоненциальное не имеет памяти: ожидаемое оставшееся время не зависит от прошедшего.

Правдоподобие и MLE

Правдоподобие это вероятность данных как функция параметров: L(θ) = Π p(xᵢ | θ). Оценка максимального правдоподобия выбирает θ, при которых данные наиболее вероятны.

Максимизируют логарифм: произведение становится суммой, нет underflow, а точка максимума не меняется.

Примеры:

  • Бернулли: MLE p = k/n. Из 10 бросков 7 орлов, p = 0.7.
  • Нормальное: μ = выборочное среднее, σ² = (1/n)Σ(xᵢ - x̄)². Эта оценка дисперсии смещена вниз, несмещённая делит на n - 1.

Функции потерь как MLE

  • y = f(x) + ε, ε ~ N(0, σ²): отрицательный log-likelihood пропорционален Σ(y - f(x))², это MSE.
  • Шум по Лапласу даёт MAE, то есть оценку медианы.
  • y ~ Бернулли(σ(f(x))): получается binary cross-entropy.
  • Категориальное распределение с softmax даёт кросс-энтропию для многих классов.
  • Счётчики (число покупок): пуассоновское правдоподобие.

Так выбирают лосс осознанно: от предположения о шуме.

MAP и регуляризация

MAP максимизирует апостериорную вероятность:

θ_MAP = argmax [ log P(D | θ) + log P(θ) ]
  • Гауссов приор на веса N(0, τ²) даёт L2 (ridge).
  • Лапласов приор даёт L1 (lasso) и разреженные веса.
  • Плоский приор даёт MAP = MLE.

Когда данных много, правдоподобие перевешивает приор, и оценки сближаются.

Сопряжённые приоры

Если апостериор из того же семейства, что и приор, обновление делается формулой. Главный пример: бета-приор для доли.

приор Beta(a, b), k успехов из n
апостериор Beta(a + k, b + n - k)
MAP = (k + a - 1) / (n + a + b - 2)

Из 10 бросков 7 орлов с приором Beta(2, 2): апостериор Beta(9, 5), MAP = 8/12 ≈ 0.67. На практике так сглаживают CTR новых объявлений: 1 клик из 2 показов не означает CTR 50%.

Частые ошибки

  • Путать дисперсию биномиального и пуассоновского.
  • Считать MLE дисперсии несмещённой.
  • Не знать, откуда берутся MSE и кросс-энтропия.
  • Думать, что MAP всегда сильно отличается от MLE: при больших данных они сходятся.

Что спросят на собесе

  • Какое распределение у числа событий, времени ожидания, доли конверсий.
  • Посчитать MLE для монеты, MLE для нормального и почему делят на n - 1.
  • Вывести MSE и кросс-энтропию из максимального правдоподобия.
  • Связь MAP с L1 и L2.
  • Как оценить CTR объявления с малым числом показов.

Закрепите за 5 минут

После урока в тренажёре 3-5 проверочных вопросов, дальше модуль уходит в повторения.