#coding:gbk
import math
import copy
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
isdebug = False
# 指定k个高斯分布参数，这里指定k=2。注意2个高斯分布具有相同均方差Sigma，分别为Mu1,Mu2。
def ini_data(Sigma,Mu1,Mu2,k,N):
global X
global Mu
global Expectations
X = np.zeros((1,N))
Mu = np.random.random(2)
Expectations = np.zeros((N,k))
for i in xrange(0,N):
if np.random.random(1) > 0.5:
X[0,i] = np.random.normal()*Sigma + Mu1
else:
X[0,i] = np.random.normal()*Sigma + Mu2
if isdebug:
print "***********"
print u"初始观测数据X："
print X
# EM算法：步骤1，计算E[zij]
def e_step(Sigma,k,N):
global Expectations
global Mu
global X
for i in xrange(0,N):
Denom = 0
for j in xrange(0,k):
Denom += math.exp((-1/(2*(float(Sigma**2))))*(float(X[0,i]-Mu[j]))**2)
for j in xrange(0,k):
Numer = math.exp((-1/(2*(float(Sigma**2))))*(float(X[0,i]-Mu[j]))**2)
Expectations[i,j] = Numer / Denom
if isdebug:
print "***********"
print u"隐藏变量E(Z)："
print Expectations
# EM算法：步骤2，求最大化E[zij]的参数Mu
def m_step(k,N):
global Expectations
global X
for j in xrange(0,k):
Numer = 0
Denom = 0
for i in xrange(0,N):
Numer += Expectations[i,j]*X[0,i]
Denom +=Expectations[i,j]
Mu[j] = Numer / Denom
# 算法迭代iter_num次，或达到精度Epsilon停止迭代
def run(Sigma,Mu1,Mu2,k,N,iter_num,Epsilon):
ini_data(Sigma,Mu1,Mu2,k,N)
print u"初始:", Mu
for i in range(iter_num):
Old_Mu = copy.deepcopy(Mu)
e_step(Sigma,k,N)
m_step(k,N)
print i,Mu
if sum(abs(Mu-Old_Mu)) < Epsilon:
break
if __name__ == '__main__':
run(6,40,20,2,1000,1000,0.0001)
plt.hist(X[0,:],50)
plt.show()
本代码用于模拟k=2个正态分布的均值估计。其中ini_data(Sigma,Mu1,Mu2,k,N)函数用于生成训练样本，此训练样本时从两个高斯分布中随机生成的，其中高斯分布a均值Mu1=40、均方差Sigma=6，高斯分布b均值Mu2=20、均方差Sigma=6，生成的样本分布如下图所示。由于本问题中实现无法直接冲样本数据中获知两个高斯分布参数，因此需要使用EM算法估算出具体Mu1、Mu2取值。
图 1 样本数据分布
在图1的样本数据下，在第11步时，迭代终止，EM估计结果为：
Mu=[ 40.55261688 19.34252468]
附：
