1 Introduction 1 1.1 Example: Polynomial Curve Fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Probability Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1 Probability densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.2 Expectations and covariances . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.3 Bayesian probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.4 The Gaussian distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2.5 Curve fitting re-visited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.6 Bayesian curve fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3 Model Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.4 The Curse of Dimensionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.5 Decision Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.5.1 Minimizing the misclassification rate . . . . . . . . . . . . 39 1.5.2 Minimizing the expected loss . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.5.3 The reject option . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.5.4 Inference and decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.5.5 Loss functions for regression . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 1.6 Information Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 1.6.1 Relative entropy and mutual information . . . . . . . . . . 55 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2 Probability Distributions 67 2.1 Binary Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.1.1 The beta distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.2 Multinomial Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.2.1 The Dirichlet distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.3 The Gaussian Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.3.1 Conditional Gaussian distributions . . . . . . . . . . . . . . 85 2.3.2 Marginal Gaussian distributions . . . . . . . . . . . . . . . 88 2.3.3 Bayes’ theorem for Gaussian variables . . . . . . . . . . . . 90 2.3.4 Maximum likelihood for the Gaussian . . . . . . . . . . . . 93 2.3.5 Sequential estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 2.3.6 Bayesian inference for the Gaussian . . . . . . . . . . . . . 97 2.3.7 Student’s t-distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 2.3.8 Periodic variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2.3.9 Mixtures of Gaussians . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 2.4 The Exponential Family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2.4.1 Maximum likelihood and sufficient statistics . . . . . . . . 116 2.4.2 Conjugate priors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 2.4.3 Noninformative priors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 2.5 Nonparametric Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 2.5.1 Kernel density estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 2.5.2 Nearest-neighbour methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 3 Linear Models for Regression 137 3.1 Linear Basis Function Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.1.1 Maximum likelihood and least squares . . . . . . . . . . . . 140 3.1.2 Geometry of least squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.1.3 Sequential learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.1.4 Regularized least squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.1.5 Multiple outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.2 The Bias-Variance Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 3.3 Bayesian Linear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 3.3.1 Parameter distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 3.3.2 Predictive distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 3.3.3 Equivalent kernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 3.4 Bayesian Model Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 3.5 The Evidence Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 3.5.1 Evaluation of the evidence function . . . . . . . . . . . . . 166 3.5.2 Maximizing the evidence function . . . . . . . . . . . . . . 168 3.5.3 Effective number of parameters . . . . . . . . . . . . . . . 170 3.6 Limitations of Fixed Basis Functions . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 4 Linear Models for Classification 179 4.1 Discriminant Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.1.1 Two classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.1.2 Multiple classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4.1.3 Least squares for classification . . . . . . . . . . . . . . . . 184 4.1.4 Fisher’s linear discriminant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 4.1.5 Relation to least squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 4.1.6 Fisher’s discriminant for multiple classes . . . . . . . . . . 191 4.1.7 The perceptron algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 4.2 Probabilistic Generative Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 4.2.1 Continuous inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 4.2.2 Maximum likelihood solution . . . . . . . . . . . . . . . . 200 4.2.3 Discrete features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 4.2.4 Exponential family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 4.3 Probabilistic Discriminative Models . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 4.3.1 Fixed basis functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 4.3.2 Logistic regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 4.3.3 Iterative reweighted least squares . . . . . . . . . . . . . . 207 4.3.4 Multiclass logistic regression . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 4.3.5 Probit regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 4.3.6 Canonical link functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 4.4 The Laplace Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 4.4.1 Model comparison and BIC . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 4.5 Bayesian Logistic Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 4.5.1 Laplace approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 4.5.2 Predictive distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 5 Neural Networks 225 5.1 Feed-forward Network Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 5.1.1 Weight-space symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 5.2 Network Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 5.2.1 Parameter optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 5.2.2 Local quadratic approximation . . . . . . . . . . . . . . . . 237 5.2.3 Use of gradient information . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 5.2.4 Gradient descent optimization . . . . . . . . . . . . . . . . 240 5.3 Error Backpropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 5.3.1 Evaluation of error-function derivatives . . . . . . . . . . . 242 5.3.2 A simple example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 5.3.3 Efficiency of backpropagation . . . . . . . . . . . . . . . . 246 5.3.4 The Jacobian matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 5.4 The Hessian Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 5.4.1 Diagonal approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 5.4.2 Outer product approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 5.4.3 Inverse Hessian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 5.4.4 Finite differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 5.4.5 Exact evaluation of the Hessian . . . . . . . . . . . . . . . 253 5.4.6 Fast multiplication by the Hessian . . . . . . . . . . . . . . 254 5.5 Regularization in Neural Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 5.5.1 Consistent Gaussian priors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 5.5.2 Early stopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 5.5.3 Invariances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 5.5.4 Tangent propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 5.5.5 Training with transformed data . . . . . . . . . . . . . . . . 265 5.5.6 Convolutional networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 5.5.7 Soft weight sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 5.6 Mixture Density Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 5.7 Bayesian Neural Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 5.7.1 Posterior parameter distribution . . . . . . . . . . . . . . . 278 5.7.2 Hyperparameter optimization . . . . . . . . . . . . . . . . 280 5.7.3 Bayesian neural networks for classification . . . . . . . . . 281 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 6 Kernel Methods 291 6.1 Dual Representations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 6.2 Constructing Kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 6.3 Radial Basis Function Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 6.3.1 Nadaraya-Watson model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 6.4 Gaussian Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 6.4.1 Linear regression revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 6.4.2 Gaussian processes for regression . . . . . . . . . . . . . . 306 6.4.3 Learning the hyperparameters . . . . . . . . . . . . . . . . 311 6.4.4 Automatic relevance determination . . . . . . . . . . . . . 312 6.4.5 Gaussian processes for classification . . . . . . . . . . . . . 313 6.4.6 Laplace approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 6.4.7 Connection to neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 7 Sparse Kernel Machines 325 7.1 Maximum Margin Classifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 7.1.1 Overlapping class distributions . . . . . . . . . . . . . . . . 331 7.1.2 Relation to logistic regression . . . . . . . . . . . . . . . . 336 7.1.3 Multiclass SVMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 7.1.4 SVMs for regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 7.1.5 Computational learning theory . . . . . . . . . . . . . . . . 344 7.2 Relevance Vector Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 7.2.1 RVM for regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 7.2.2 Analysis of sparsity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 7.2.3 RVM for classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 8 Graphical Models 359 8.1 Bayesian Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 8.1.1 Example: Polynomial regression . . . . . . . . . . . . . . . 362 8.1.2 Generative models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 8.1.3 Discrete variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 8.1.4 Linear-Gaussian models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 8.2 Conditional Independence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 8.2.1 Three example graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 8.2.2 D-separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 8.3 Markov Random Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 8.3.1 Conditional independence properties . . . . . . . . . . . . . 383 8.3.2 Factorization properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 8.3.3 Illustration: Image de-noising . . . . . . . . . . . . . . . . 387 8.3.4 Relation to directed graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 8.4 Inference in Graphical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 8.4.1 Inference on a chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 8.4.2 Trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 8.4.3 Factor graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 8.4.4 The sum-product algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 8.4.5 The max-sum algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 8.4.6 Exact inference in general graphs . . . . . . . . . . . . . . 416 8.4.7 Loopy belief propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 8.4.8 Learning the graph structure . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 9 Mixture Models and EM 423 9.1 K-means Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 9.1.1 Image segmentation and compression . . . . . . . . . . . . 428 9.2 Mixtures of Gaussians . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 9.2.1 Maximum likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 9.2.2 EM for Gaussian mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 9.3 An Alternative View of EM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 9.3.1 Gaussian mixtures revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 9.3.2 Relation to K-means . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 9.3.3 Mixtures of Bernoulli distributions . . . . . . . . . . . . . . 444 9.3.4 EM for Bayesian linear regression . . . . . . . . . . . . . . 448 9.4 The EM Algorithm in General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 10 Approximate Inference 461 10.1 Variational Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 10.1.1 Factorized distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 10.1.2 Properties of factorized approximations . . . . . . . . . . . 466 10.1.3 Example: The univariate Gaussian . . . . . . . . . . . . . . 470 10.1.4 Model comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 10.2 Illustration: Variational Mixture of Gaussians . . . . . . . . . . . . 474 10.2.1 Variational distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 10.2.2 Variational lower bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481 10.2.3 Predictive density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 10.2.4 Determining the number of components . . . . . . . . . . . 483 10.2.5 Induced factorizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 10.3 Variational Linear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 10.3.1 Variational distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 10.3.2 Predictive distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 10.3.3 Lower bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 10.4 Exponential Family Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 10.4.1 Variational message passing . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 10.5 Local Variational Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 10.6 Variational Logistic Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 10.6.1 Variational posterior distribution . . . . . . . . . . . . . . . 498 10.6.2 Optimizing the variational parameters . . . . . . . . . . . . 500 10.6.3 Inference of hyperparameters . . . . . . . . . . . . . . . . 502 10.7 Expectation Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 10.7.1 Example: The clutter problem . . . . . . . . . . . . . . . . 511 10.7.2 Expectation propagation on graphs . . . . . . . . . . . . . . 513 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 11 Sampling Methods 523 11.1 Basic Sampling Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 11.1.1 Standard distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 11.1.2 Rejection sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 11.1.3 Adaptive rejection sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . 530 11.1.4 Importance sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 11.1.5 Sampling-importance-resampling . . . . . . . . . . . . . . 534 11.1.6 Sampling and the EM algorithm . . . . . . . . . . . . . . . 536 11.2 Markov Chain Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 11.2.1 Markov chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 11.2.2 The Metropolis-Hastings algorithm . . . . . . . . . . . . . 541 11.3 Gibbs Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 11.4 Slice Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 11.5 The Hybrid Monte Carlo Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 11.5.1 Dynamical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 11.5.2 Hybrid Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 11.6 Estimating the Partition Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 12 Continuous Latent Variables 559 12.1 Principal Component Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 12.1.1 Maximum variance formulation . . . . . . . . . . . . . . . 561 12.1.2 Minimum-error formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 12.1.3 Applications of PCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 12.1.4 PCA for high-dimensional data . . . . . . . . . . . . . . . 569 12.2 Probabilistic PCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570 12.2.1 Maximum likelihood PCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 12.2.2 EM algorithm for PCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577 12.2.3 Bayesian PCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 12.2.4 Factor analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 12.3 Kernel PCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 12.4 Nonlinear Latent Variable Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 12.4.1 Independent component analysis . . . . . . . . . . . . . . . 591 12.4.2 Autoassociative neural networks . . . . . . . . . . . . . . . 592 12.4.3 Modelling nonlinear manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . 595 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 13 Sequential Data 605 13.1 Markov Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 13.2 Hidden Markov Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610 13.2.1 Maximum likelihood for the HMM . . . . . . . . . . . . . 615 13.2.2 The forward-backward algorithm . . . . . . . . . . . . . . 618 13.2.3 The sum-product algorithm for the HMM . . . . . . . . . . 625 13.2.4 Scaling factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627 13.2.5 The Viterbi algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629 13.2.6 Extensions of the hidden Markov model . . . . . . . . . . . 631 13.3 Linear Dynamical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 13.3.1 Inference in LDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638 13.3.2 Learning in LDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 13.3.3 Extensions of LDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 13.3.4 Particle filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646 14 Combining Models 653 14.1 Bayesian Model Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654 14.2 Committees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655 14.3 Boosting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657 14.3.1 Minimizing exponential error . . . . . . . . . . . . . . . . 659 14.3.2 Error functions for boosting . . . . . . . . . . . . . . . . . 661 14.4 Tree-based Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 14.5 Conditional Mixture Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 14.5.1 Mixtures of linear regression models . . . . . . . . . . . . . 667 14.5.2 Mixtures of logistic models . . . . . . . . . . . . . . . . . 670 14.5.3 Mixtures of experts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674 Appendix A Data Sets 677 Appendix B Probability Distributions 685 Appendix C Properties of Matrices 695 Appendix D Calculus of Variations 703 Appendix E LagrangeMultipliers 707 References 711