AMP State Evolution的计算:以伯努利高斯先验为例

AMP State Evolution (SE)的计算

t = 1 t=1 t=1时, E ( t ) = E [ X 2 ] \mathcal E^{(t)} = \mathbb E [X^2] E(t)=E[X2],SE的迭代式为
τ r ( t ) = σ 2 + 1 δ E ( t ) E ( t + 1 ) = E ∣ η ( t ) ( X + Z ) − X ∣ 2 ,   Z ∼ N ( 0 , τ r ( t ) ) \begin{aligned} \tau^{(t)}_r &= \sigma^2 + \frac{1}{\delta} \mathcal E^{(t)} \\ \mathcal E^{(t+1)} &= \mathbb E \left | \eta^{(t)} \left ( X + Z \right) - X \right |^2, \ Z \sim \mathcal N(0, \tau^{(t)}_r) \end{aligned} τr(t)E(t+1)=σ2+δ1E(t)=E η(t)(X+Z)X 2, ZN(0,τr(t))

撰写的时候存在一定的符号乱用,之后的 τ \tau τ即指 τ r ( t ) \tau^{(t)}_r τr(t)

注意到, E ( t + 1 ) = E ∣ η ( t ) ( X + Z ) − X ∣ 2 \mathcal E^{(t+1)} = \mathbb E \left | \eta^{(t)} \left ( X + Z \right) - X \right |^2 E(t+1)=E η(t)(X+Z)X 2是关于随机变量 X , Z X, Z X,Z求期望,这里我们认为 X , Z X, Z X,Z之间相互独立,因此
E ( t + 1 ) = ∫ ∫ p X , Z ( X , Z ) ∣ η ( t ) ( X + Z ) − X ∣ 2 d X d Z \mathcal E^{(t+1)} = \int \int p_{X, Z}(X, Z) \left | \eta^{(t)} \left ( X + Z \right) - X \right |^2 dX dZ E(t+1)=∫∫pX,Z(X,Z) η(t)(X+Z)X 2dXdZ

R = X + Z R = X + Z R=X+Z,不难得到 p X , R ( X , R ) p_{X, R}(X, R) pX,R(X,R)等价于 p X , Z ( X , Z ) p_{X, Z}(X, Z) pX,Z(X,Z)(因为 p X , Z ( X = x 0 , Z = z 0 ) = p X , R ( X = x 0 , R = x 0 + z 0 ) p_{X, Z}(X=x_0, Z=z_0) = p_{X, R}(X=x_0, R=x_0 + z_0) pX,Z(X=x0,Z=z0)=pX,R(X=x0,R=x0+z0)),因此我们可以把 E ( t + 1 ) \mathcal E^{(t+1)} E(t+1)写为(这里我们考虑 η ( t ) \eta^{(t)} η(t)MMSE函数
E ( t + 1 ) = ∫ ∫ p X , R ( X , R ) ∣ η ( t ) ( R ) − X ∣ 2 d X d R = ∫ ∫ p R ( R ) p X ∣ R ( X ∣ R ) ∣ E [ X ∣ R ] − X ∣ 2 d X d R = ∫ p R ( R ) v a r [ X ∣ R ] d R \begin{aligned} \mathcal E^{(t+1)} &= \int \int p_{X, R}(X, R) \left | \eta^{(t)} \left ( R \right) - X \right |^2 dX dR \\ &= \int \int p_R(R) p_{X|R}(X|R) \left | \mathbb E\left [ X|R \right] - X \right |^2 dX dR \\ &= \int p_R(R) \mathrm{var}[X|R] dR \end{aligned} E(t+1)=∫∫pX,R(X,R) η(t)(R)X 2dXdR=∫∫pR(R)pXR(XR)E[XR]X2dXdR=pR(R)var[XR]dR

因为 p X , Z ( X , Z ) = p X ( X ) ⋅ p X ( Z ) = p X ( X ) N ( z ; 0 , τ r ( t ) ) p_{X, Z}(X, Z) = p_X(X) \cdot p_X(Z) = p_X(X) \mathcal N(z;0, \tau^{(t)}_r) pX,Z(X,Z)=pX(X)pX(Z)=pX(X)N(z;0,τr(t)),因此可以得到
p X , R ( X , R ) = p X ( X ) N ( R − X ; 0 , τ r ( t ) ) = p X ( X ) N ( R ; X , τ r ( t ) ) \begin{aligned} p_{X, R}(X, R) &= p_X(X) \mathcal N(R-X;0, \tau^{(t)}_r) \\ &= p_X(X) \mathcal N(R;X, \tau^{(t)}_r) \end{aligned} pX,R(X,R)=pX(X)N(RX;0,τr(t))=pX(X)N(R;X,τr(t))

X的先验为为伯努利高斯分布时

p X ( X ) ≡ ( 1 − ρ ) δ ( X ) + ρ N ( μ , ν ) p_X(X) \equiv (1-\rho) \delta(X) + \rho \mathcal N(\mu, \nu) pX(X)(1ρ)δ(X)+ρN(μ,ν)

那么, X , R X,R X,R的联合分布可写为
p X , R ( X , R ) = ( ( 1 − ρ ) δ ( X ) + ρ N ( X ; μ , ν ) ) ⋅ N ( X ; R , τ r ( t ) ) = ( 1 − ρ ) δ ( X ) N ( X ; R , τ r ( t ) ) + ρ N ( X ; μ , ν ) N ( X ; R , τ r ( t ) ) \begin{aligned} p_{X, R}(X, R) &= \left ((1-\rho) \delta(X) + \rho \mathcal N(X; \mu, \nu) \right) \cdot \mathcal N(X;R, \tau^{(t)}_r) \\ &= (1-\rho) \delta(X) \mathcal N(X;R, \tau^{(t)}_r) + \rho \mathcal N(X; \mu, \nu) \mathcal N(X;R, \tau^{(t)}_r) \end{aligned} pX,R(X,R)=((1ρ)δ(X)+ρN(X;μ,ν))N(X;R,τr(t))=(1ρ)δ(X)N(X;R,τr(t))+ρN(X;μ,ν)N(X;R,τr(t))

进一步,我们可以得到关于 R R R的边缘分布
p R ( R ) = ∫ p X , R ( X , R ) d X = ( 1 − ρ ) N ( 0 ; R , τ r ( t ) ) + ρ ∫ N ( X ; μ , ν ) N ( X ; R , τ r ( t ) ) d X = ( 1 − ρ ) N ( 0 ; R , τ r ( t ) ) + ρ 1 2 π ( ν + τ r ( t ) ) exp ⁡ { − ( R − μ ) 2 2 ( ν + τ r ( t ) ) } = ( 1 − ρ ) N ( R ; 0 , τ r ( t ) ) + ρ N ( R ; μ , ν + τ r ( t ) ) \begin{aligned} p_R(R) &= \int p_{X, R}(X, R) dX \\ &= (1-\rho) \mathcal N(0;R, \tau^{(t)}_r) + \rho \int \mathcal N(X; \mu, \nu) \mathcal N(X;R, \tau^{(t)}_r) dX \\ &= (1-\rho) \mathcal N(0;R, \tau^{(t)}_r) + \rho \frac{1}{\sqrt{2 \pi (\nu + \tau^{(t)}_r)}} \exp \left \{ - \frac{(R - \mu)^2}{2 (\nu + \tau^{(t)}_r)} \right \} \\ &= (1-\rho) \mathcal N(R; 0, \tau^{(t)}_r) + \rho \mathcal N(R; \mu, \nu + \tau^{(t)}_r) \end{aligned} pR(R)=pX,R(X,R)dX=(1ρ)N(0;R,τr(t))+ρN(X;μ,ν)N(X;R,τr(t))dX=(1ρ)N(0;R,τr(t))+ρ2π(ν+τr(t)) 1exp{2(ν+τr(t))(Rμ)2}=(1ρ)N(R;0,τr(t))+ρN(R;μ,ν+τr(t))

我们计算后验均值 E [ X ∣ R ] \mathbb E[X|R] E[XR]
E [ X ∣ R ] = ∫ X p X ∣ R ( X ∣ R ) d X = 1 p R ( R ) ∫ X p X , R ( X , R ) d X = 1 p R ( R ) ⋅ ρ ⋅ ∫ X N ( X ; μ , ν ) N ( X ; R , τ r ( t ) ) d X = 1 p R ( R ) ⋅ ρ ⋅ N ( R ; μ , ν + τ r ( t ) ) ⋅ μ τ r ( t ) + R ν ν + τ r ( t ) = ρ ⋅ N ( R ; μ , ν + τ r ( t ) ) ( 1 − ρ ) N ( R ; 0 , τ r ( t ) ) + ρ N ( R ; μ , ν + τ r ( t ) ) ⋅ μ τ r ( t ) + R ν ν + τ r ( t ) = 1 1 + 1 − ρ ρ ⋅ N ( R ; 0 , τ r ( t ) ) N ( R ; μ , ν + τ r ( t ) ) ⋅ μ τ r ( t ) + R ν ν + τ r ( t ) \begin{aligned} \mathbb E[X|R] &= \int X p_{X|R} (X|R) dX \\ &= \frac{1}{p_R(R)} \int X p_{X,R} (X,R) dX \\ &= \frac{1}{p_R(R)} \cdot \rho \cdot \int X \mathcal N(X; \mu, \nu) \mathcal N(X;R, \tau^{(t)}_r) dX \\ &= \frac{1}{p_R(R)} \cdot \rho \cdot \mathcal N (R; \mu, \nu + \tau^{(t)}_r) \cdot \frac{\mu \tau^{(t)}_r + R \nu}{ \nu + \tau^{(t)}_r } \\ &= \frac{ \rho \cdot \mathcal N (R; \mu, \nu + \tau^{(t)}_r)}{(1-\rho) \mathcal N(R; 0, \tau^{(t)}_r) + \rho \mathcal N(R; \mu, \nu + \tau^{(t)}_r) } \cdot \frac{\mu \tau^{(t)}_r + R \nu}{ \nu + \tau^{(t)}_r } \\ &= \frac{1}{ 1+ \frac{1-\rho}{\rho} \cdot \frac{\mathcal N(R; 0, \tau^{(t)}_r) }{ \mathcal N(R; \mu, \nu + \tau^{(t)}_r)} } \cdot \frac{\mu \tau^{(t)}_r + R \nu}{ \nu + \tau^{(t)}_r } \\ \end{aligned} E[XR]=XpXR(XR)dX=pR(R)1XpX,R(X,R)dX=pR(R)1ρXN(X;μ,ν)N(X;R,τr(t))dX=pR(R)1ρN(R;μ,ν+τr(t))ν+τr(t)μτr(t)+Rν=(1ρ)N(R;0,τr(t))+ρN(R;μ,ν+τr(t))ρN(R;μ,ν+τr(t))ν+τr(t)μτr(t)+Rν=1+ρ1ρN(R;μ,ν+τr(t))N(R;0,τr(t))1ν+τr(t)μτr(t)+Rν

对于大多数问题,我们有 μ = 0 \mu=0 μ=0,令 ϕ ( R ) = 1 − ρ ρ ⋅ N ( R ; 0 , τ r ( t ) ) N ( R ; μ , ν + τ r ( t ) ) \phi (R) = \frac{1-\rho}{\rho} \cdot \frac{\mathcal N(R; 0, \tau^{(t)}_r) }{ \mathcal N(R; \mu, \nu + \tau^{(t)}_r)} ϕ(R)=ρ1ρN(R;μ,ν+τr(t))N(R;0,τr(t)), 当 μ = 0 \mu=0 μ=0时,我们有
E [ X ∣ R ] = 1 1 + ϕ ( R ) ⋅ R ν ν + τ r ( t ) \begin{aligned} \mathbb E[X|R] = \frac{1}{1 + \phi(R)} \cdot \frac{ R \nu}{ \nu + \tau^{(t)}_r } \end{aligned} E[XR]=1+ϕ(R)1ν+τr(t)Rν

进一步,可以得到
∂ ∂ R E [ X ∣ R ] = ν ν + τ r ( t ) ⋅ 1 + ϕ ( R ) + R 2 ( 1 τ − 1 τ + ν ) ϕ ( R ) ( 1 + ϕ ( R ) ) 2 \frac{\partial}{\partial R} \mathbb E[X|R] =\frac{\nu}{\nu + \tau^{(t)}_r } \cdot \frac{1+\phi(R) + R^2 ( \frac{1}{\tau } - \frac{1}{\tau + \nu} ) \phi(R) }{ (1+\phi(R))^2 } RE[XR]=ν+τr(t)ν(1+ϕ(R))21+ϕ(R)+R2(τ1τ+ν1)ϕ(R)

根据AWGN后验均值与方差的关系,
v a r [ X ∣ R ] = τ r ( t ) ⋅ ∂ ∂ R E [ X ∣ R ] = ν τ r ( t ) ν + τ r ( t ) ⋅ 1 + ϕ ( R ) + R 2 ( 1 τ − 1 τ + ν ) ϕ ( R ) ( 1 + ϕ ( R ) ) 2 \mathrm{var}[X|R] = \tau^{(t)}_r \cdot \frac{\partial}{\partial R} \mathbb E[X|R] =\frac{\nu \tau^{(t)}_r }{\nu + \tau^{(t)}_r } \cdot \frac{1+\phi(R) + R^2 ( \frac{1}{\tau } - \frac{1}{\tau + \nu} ) \phi(R) }{ (1+\phi(R))^2 } var[XR]=τr(t)RE[XR]=ν+τr(t)ντr(t)(1+ϕ(R))21+ϕ(R)+R2(τ1τ+ν1)ϕ(R)

不难看出, p R ( R ) p_R(R) pR(R)可以表示为 p R ( R ) = ( 1 + ϕ ( R ) ) ⋅ ρ N ( R ; 0 , ν + τ r ( t ) ) p_R(R) = (1 + \phi(R)) \cdot \rho \mathcal N(R; 0, \nu + \tau^{(t)}_r) pR(R)=(1+ϕ(R))ρN(R;0,ν+τr(t)),因此
E ( t + 1 ) = ∫ p R ( R ) v a r [ X ∣ R ] d R = ∫ ( 1 + ϕ ( R ) ) ⋅ ρ N ( R ; 0 , ν + τ r ( t ) ) ⋅ ν τ r ( t ) ν + τ r ( t ) ⋅ 1 + ϕ ( R ) + R 2 ( 1 τ − 1 τ + ν ) ϕ ( R ) ( 1 + ϕ ( R ) ) 2 = ρ ν τ r ( t ) ν + τ r ( t ) ⋅ ∫ N ( R ; 0 , ν + τ r ( t ) ) { 1 + R 2 ν τ ( τ + ν ) ( 1 − 1 1 + ϕ ( R ) ) } d R = ρ ν τ r ( t ) ν + τ r ( t ) ⋅ { 1 + ν τ − ν τ ( τ + ν ) ∫ R 2 1 + ϕ ( R ) N ( R ; 0 , ν + τ r ( t ) ) d R } = ρ ⋅ ν − ρ ⋅ ν 2 ( ν + τ ) 2 ∫ R 2 1 + ϕ ( R ) N ( R ; 0 , ν + τ r ( t ) ) d R \begin{aligned} \mathcal E^{(t+1)} &= \int p_R(R) \mathrm{var}[X|R] dR \\ &= \int (1 + \phi(R)) \cdot \rho \mathcal N(R; 0, \nu + \tau^{(t)}_r) \cdot \frac{\nu \tau^{(t)}_r }{\nu + \tau^{(t)}_r } \cdot \frac{1+\phi(R) + R^2 ( \frac{1}{\tau } - \frac{1}{\tau + \nu} ) \phi(R) }{ (1+\phi(R))^2 } \\ &= \rho \frac{\nu \tau^{(t)}_r }{\nu + \tau^{(t)}_r } \cdot \int \mathcal N(R; 0, \nu + \tau^{(t)}_r) \left \{ 1 + R^2 \frac{\nu}{\tau(\tau + \nu) } \left( 1- \frac{1}{1 + \phi (R)} \right) \right \} dR \\ &= \rho \frac{\nu \tau^{(t)}_r }{\nu + \tau^{(t)}_r } \cdot \left \{ 1 + \frac{\nu}{\tau} - \frac{\nu}{\tau(\tau + \nu) } \int \frac{R^2}{1 + \phi(R)} \mathcal N(R; 0, \nu + \tau^{(t)}_r) dR \right \} \\ & = \rho \cdot \nu - \rho \cdot \frac{\nu^2}{(\nu+ \tau)^2} \int \frac{R^2}{1 + \phi(R)} \mathcal N(R; 0, \nu + \tau^{(t)}_r) dR \end{aligned} E(t+1)=pR(R)var[XR]dR=(1+ϕ(R))ρN(R;0,ν+τr(t))ν+τr(t)ντr(t)(1+ϕ(R))21+ϕ(R)+R2(τ1τ+ν1)ϕ(R)=ρν+τr(t)ντr(t)N(R;0,ν+τr(t)){1+R2τ(τ+ν)ν(11+ϕ(R)1)}dR=ρν+τr(t)ντr(t){1+τντ(τ+ν)ν1+ϕ(R)R2N(R;0,ν+τr(t))dR}=ρνρ(ν+τ)2ν21+ϕ(R)R2N(R;0,ν+τr(t))dR

其中
R 2 1 + ϕ ( R ) = R 2 1 + 1 − ρ ρ ⋅ ν + τ τ exp ⁡ ( − ν 2 τ ( τ + ν ) R 2 ) \frac{R^2}{1 + \phi(R)} = \frac{R^2}{ 1 + \frac{1-\rho}{\rho} \cdot \sqrt{\frac{\nu + \tau}{\tau}} \exp \left ( - \frac{\nu}{2\tau(\tau + \nu)} R^2 \right) } 1+ϕ(R)R2=1+ρ1ρτν+τ exp(2τ(τ+ν)νR2)R2

总结

t = 1 t=1 t=1时, E ( t ) = E [ X 2 ] \mathcal E^{(t)} = \mathbb E [X^2] E(t)=E[X2],SE的迭代式为
τ r ( t ) = σ 2 + 1 δ E ( t ) E ( t + 1 ) = E ∣ η ( t ) ( X + Z ) − X ∣ 2 ,   Z ∼ N ( 0 , τ r ( t ) ) \begin{aligned} \tau^{(t)}_r &= \sigma^2 + \frac{1}{\delta} \mathcal E^{(t)} \\ \mathcal E^{(t+1)} &= \mathbb E \left | \eta^{(t)} \left ( X + Z \right) - X \right |^2, \ Z \sim \mathcal N(0, \tau^{(t)}_r) \end{aligned} τr(t)E(t+1)=σ2+δ1E(t)=E η(t)(X+Z)X 2, ZN(0,τr(t))

X X X的先验是伯努利高斯时: X ∼ ( 1 − ρ ) δ ( X ) + ρ N ( 0 , ν ) X \sim (1- \rho) \delta(X)+ \rho \mathcal N (0, \nu) X(1ρ)δ(X)+ρN(0,ν),可以把SE表征为
t = 1 t=1 t=1时, E ( t ) = E [ X 2 ] = ρ ν \mathcal E^{(t)} = \mathbb E [X^2]= \rho \nu E(t)=E[X2]=ρν,SE的迭代式为
τ r ( t ) = σ 2 + 1 δ E ( t ) E ( t + 1 ) = ρ ⋅ ν − ρ ⋅ ν 2 ( ν + τ r ( t ) ) 2 ∫ R 2 1 + ϕ ( R ) N ( R ; 0 , ν + τ r ( t ) ) d R \begin{aligned} \tau^{(t)}_r &= \sigma^2 + \frac{1}{\delta} \mathcal E^{(t)} \\ \mathcal E^{(t+1)} &= \rho \cdot \nu - \rho \cdot \frac{\nu^2}{(\nu+ \tau^{(t)}_r)^2} \int \frac{R^2}{1 + \phi(R)} \mathcal N(R; 0, \nu + \tau^{(t)}_r) dR \end{aligned} τr(t)E(t+1)=σ2+δ1E(t)=ρνρ(ν+τr(t))2ν21+ϕ(R)R2N(R;0,ν+τr(t))dR

其中
R 2 1 + ϕ ( R ) = R 2 1 + 1 − ρ ρ ⋅ ν + τ r ( t ) τ r ( t ) exp ⁡ ( − ν 2 τ r ( t ) ( τ r ( t ) + ν ) R 2 ) \frac{R^2}{1 + \phi(R)} = \frac{R^2}{ 1 + \frac{1-\rho}{\rho} \cdot \sqrt{\frac{\nu + \tau^{(t)}_r}{ \tau^{(t)}_r}} \exp \left ( - \frac{\nu}{ 2\tau^{(t)}_r( \tau^{(t)}_r + \nu)} R^2 \right) } 1+ϕ(R)R2=1+ρ1ρτr(t)ν+τr(t) exp(2τr(t)(τr(t)+ν)νR2)R2

SE部分的MATLAB代码

sigma2 = 0.0165;
rho = 0.1;
nu = 1 / rho;
lim = inf;
Iteration = 50;
delta = 0.6;   % underdetermined ratio
SE_MSE = zeros(Iteration, 1);
SE_tau2 = zeros(Iteration, 1);

SE_MSE(1) = rho * nu;
SE_tau2(1) = sigma2 + 1/delta * SE_MSE(1);
for it = 2: Iteration
    tau = SE_tau2( it - 1 );
    f = @(r) r.*r ./ ...
        (    1   +   (1-rho)./rho .* sqrt( 1 + nu./tau )   .*   exp( max(-60, -0.5 * r .* r .* nu./ tau./(nu + tau) ) )     ) ...
        .* normpdf(r, 0, sqrt(nu + tau))  ;  % -60 is a bound for numerical robustness

    SE_MSE(it) = rho * nu - rho * nu^2 / (nu + tau)^2 * integral(f,-lim,lim);
    SE_tau2(it) = sigma2 + 1/delta * SE_MSE(it);
end

当N=20000时,AMP的MSE性能与SE一致

附录:两个高斯随机变量相乘

     N ( x ; μ 1 , ν 1 ) N ( x ; μ 2 , ν 2 ) = 1 2 π ν 1 exp ⁡ ( − ( x − μ 1 ) 2 2 ν 1 ) ⋅ 1 2 π ν 2 exp ⁡ ( − ( x − μ 2 ) 2 2 ν 2 ) = 1 2 π ν 1 ν 2 exp ⁡ { − ν 2 ( x 2 − 2 μ 1 x + μ 1 2 ) 2 ν 1 ν 2 − ν 1 ( x 2 − 2 μ 2 x + μ 2 2 ) 2 ν 1 ν 2 } = 1 2 π ν 1 ν 2 exp ⁡ { − ( ν 1 + ν 2 ) x 2 − 2 ( μ 1 ν 2 + μ 2 ν 1 ) x + μ 1 2 ν 2 + μ 2 2 ν 1 2 ν 1 ν 2 } = 1 2 π ν 1 ν 2 exp ⁡ { − x 2 − 2 ( μ 1 ν 2 + μ 2 ν 1 ) ν 1 + ν 2 x + ( ( μ 1 ν 2 + μ 2 ν 1 ) ν 1 + ν 2 ) 2 + μ 1 2 ν 2 + μ 2 2 ν 1 ν 1 + ν 2 − ( ( μ 1 ν 2 + μ 2 ν 1 ) ν 1 + ν 2 ) 2 2 ν 1 ν 2 ν 1 + ν 2 } = 1 2 π ( ν 1 + ν 2 ) exp ⁡ { − μ 1 2 ν 2 + μ 2 2 ν 1 − ( μ 1 ν 2 + μ 2 ν 1 ) 2 ν 1 + ν 2 2 ν 1 ν 2 } ⋅ 1 2 π ν 1 ν 2 ν 1 + ν 2 exp ⁡ { − ( x − μ 1 ν 2 + μ 2 ν 1 ν 1 + ν 2 ) 2 2 ν 1 ν 2 ν 1 + ν 2 } = 1 2 π ( ν 1 + ν 2 ) exp ⁡ { − ( μ 1 − μ 2 ) 2 2 ( ν 1 + ν 2 ) } ⋅ 1 2 π ν 1 ν 2 ν 1 + ν 2 exp ⁡ { − ( x − μ 1 ν 2 + μ 2 ν 1 ν 1 + ν 2 ) 2 2 ν 1 ν 2 ν 1 + ν 2 } \begin{aligned} & \ \ \ \ \mathcal N(x; \mu_1, \nu_1) \mathcal N(x; \mu_2, \nu_2) \\ &= \frac{1}{\sqrt{2 \pi \nu_1}} \exp \left ( - \frac{ (x - \mu_1)^2 }{2 \nu_1} \right ) \cdot \frac{1}{\sqrt{2 \pi \nu_2}} \exp \left ( - \frac{ (x - \mu_2)^2 }{2 \nu_2} \right ) \\ & = \frac{1}{2 \pi \sqrt{ \nu_1 \nu_2}} \exp \left \{ - \frac{ \nu_2 ( x^2 - 2 \mu_1 x + \mu_1^2 ) }{2 \nu_1 \nu_2} - \frac { \nu_1 ( x^2 - 2 \mu_2 x + \mu_2^2 ) }{2 \nu_1 \nu_2} \right \} \\ & = \frac{1}{2 \pi \sqrt{ \nu_1 \nu_2}} \exp \left \{ - \frac{ (\nu_1 + \nu_2) x^2 - 2 (\mu_1 \nu_2 + \mu_2 \nu_1) x + \mu^2_1 \nu_2 + \mu^2_2 \nu_1 }{2 \nu_1 \nu_2} \right \} \\ & = \frac{1}{2 \pi \sqrt{ \nu_1 \nu_2}} \exp \left \{ - \frac{ x^2 - 2 \frac{(\mu_1 \nu_2 + \mu_2 \nu_1)}{\nu_1 + \nu_2} x + \left ( \frac{(\mu_1 \nu_2 + \mu_2 \nu_1)}{\nu_1 + \nu_2} \right)^2 + \frac{\mu^2_1 \nu_2 + \mu^2_2 \nu_1}{\nu_1 + \nu_2} - \left ( \frac{(\mu_1 \nu_2 + \mu_2 \nu_1)}{\nu_1 + \nu_2} \right)^2 }{2 \frac{\nu_1 \nu_2} { \nu_1 + \nu_2 }} \right \} \\ &= \frac{1}{ \sqrt{2 \pi (\nu_1 + \nu_2)} } \exp \left \{ - \frac{\mu^2_1 \nu_2 + \mu^2_2 \nu_1 - \frac {(\mu_1 \nu_2 + \mu_2 \nu_1)^2}{ \nu_1 + \nu_2} } { 2 \nu_1 \nu_2 } \right \} \cdot \frac{1}{\sqrt{2 \pi \frac{\nu_1 \nu_2} { \nu_1 + \nu_2 } }} \exp \left \{ - \frac{ \left( x- \frac{\mu_1 \nu_2 + \mu_2 \nu_1}{\nu_1 + \nu_2} \right)^2 }{ 2 \frac{\nu_1 \nu_2} { \nu_1 + \nu_2 } } \right \} \\ &= \frac{1}{ \sqrt{2 \pi (\nu_1 + \nu_2)} } \exp \left \{ - \frac{ (\mu_1 - \mu_2)^2 }{2 (\nu_1 + \nu_2)} \right \} \cdot \frac{1}{\sqrt{2 \pi \frac{\nu_1 \nu_2} { \nu_1 + \nu_2 } }} \exp \left \{ - \frac{ \left( x- \frac{\mu_1 \nu_2 + \mu_2 \nu_1}{\nu_1 + \nu_2} \right)^2 }{ 2 \frac{\nu_1 \nu_2} { \nu_1 + \nu_2 } } \right \} \\ \end{aligned}     N(x;μ1,ν1)N(x;μ2,ν2)=2πν1 1exp(2ν1(xμ1)2)2πν2 1exp(2ν2(xμ2)2)=2πν1ν2 1exp{2ν1ν2ν2(x22μ1x+μ12)2ν1ν2ν1(x22μ2x+μ22)}=2πν1ν2 1exp{2ν1ν2(ν1+ν2)x22(μ1ν2+μ2ν1)x+μ12ν2+μ22ν1}=2πν1ν2 1exp 2ν1+ν2ν1ν2x22ν1+ν2(μ1ν2+μ2ν1)x+(ν1+ν2(μ1ν2+μ2ν1))2+ν1+ν2μ12ν2+μ22ν1(ν1+ν2(μ1ν2+μ2ν1))2 =2π(ν1+ν2) 1exp 2ν1ν2μ12ν2+μ22ν1ν1+ν2(μ1ν2+μ2ν1)2 2πν1+ν2ν1ν2 1exp 2ν1+ν2ν1ν2(xν1+ν2μ1ν2+μ2ν1)2 =2π(ν1+ν2) 1exp{2(ν1+ν2)(μ1μ2)2}2πν1+ν2ν1ν2 1exp 2ν1+ν2ν1ν2(xν1+ν2μ1ν2+μ2ν1)2

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