马尔科链模型
- 一个系统有(N)个状态,随着时间的推移,系统从某一状态转移到另一个状态,设为时间t的状态,系统在时间t处于状态的概率取决于其在时间1,2,…,t-1的状态,概率为:
- 如果系统在时间(t)时刻的状态只与其在(t-1)时刻的状态有关,则该系统构成一个离散的一阶马尔科夫链(马尔科夫过程):
- 如果只考虑独立于时间t的随机过程:
其中(a_{ij})为转移概率,必须满足(a_{ij}>=0),且(a_{ij})的和为1。
例子
- 假设一段时间的气象可以用三种状态的马尔科夫模型(M)描述,S1:雨,S2:多云,S3:晴,状态转移矩阵为:
- 如果第一天为晴天,根据这一模型,在今后七天中天气O=“晴晴雨雨晴云晴”的概率为:
egin{equation}
egin{aligned}
&P(O|M)
&= P(S_3,S_3,S_3,S_1,S_1,S_3,S_2,S_3|M)
&=P(S_3)cdot P(S_3|S_3)cdot P(S_3|S_3)cdot P(S_1|S_3)cdot P(S_1|S_1)cdot P(S_3|S_1)cdot P(S_2|S_3)cdot P(S_3|S_2)
&=1 cdot a_{33}cdot a_{33}cdot a_{31}cdot a_{11}cdot a_{13}cdot a_{32} cdot a_{23}
&=1.536 imes10^{-4}
end{aligned}
end{equation}
隐马尔科夫模型(HMM)
- 在马尔科夫模型中,每一个状态表示一个可以观察的事件
- 在HMM中观察到的事件是状态的随机函数,因此该模型十一双重随机过程,其中状态转移过程是不可观察的(隐蔽)的(马尔科夫链),而可观察的时间的随机过程是隐蔽的状态转换过程的随机函数(一般随机过程)。
HMM的三个假设
对于一个随机事件,有一观察值序列:(O=O_1,O_2,...,O_TQ=q_1,q_2,...,q_T)。
- 假设1:马尔科夫性假设(状态构成一阶马尔科夫链)
- 假设2:不动性假设(状态与具体时间无关)
- 假设3:输出独立性假设(输出仅与当前的状态有关)$$ P(O_1,...,O_T|q_1,...,q_T)= prod P(O_t|q_t)$$
HMM定义
- 一个因马尔科夫模型(HMM)是有一个五元组描述的:$$ lambda =(N,M,A,B,pi )$$
其中
- (N):状态的有限集合
- (M):观察值的有限集合
- (A):状态转移概率矩阵
- (B):观察值概率分布
- (pi={pi_i},pi _i=P(q_1=s_i)):初始状态分布
观察序列产生步骤
- 1.根据初始状态概率分布(pi=pi_i),选择一初始状态
- 2.设(t=1)
- 3.根据状态Si的输出概率分布b_{jk},输出(O_t=v_k)
- 4.根据状态转移概率分布,转移到新状态(q_{t+1}=S_j)
- 5.设(t=t+1),如果(t<T),重复步骤3、4,否则结束
HMM的三个基本问题
令为给定HMM的参数
- 令(O=O_1,...,O_T)为观察序列,则HMM的三个基本问题为:评估问题、解码问题、学习问题
- 评估问题:
对于给定模型,求某个观察值序列的概率(P(O|lambda)); - 解码问题:
对于给定模型和观察值序列,求可能性最大的状态序列(max_Q {P(Q|O,lambda)}); - 学习问题:
对于给定一个观察值序列(O),调整参数(lambda),使得观察值出现的概率(P(O|lambda))。
三个基本问题的求解算法
- 评估问题:前向算法
定义前向变量,采用动态规划算法,复杂度(O(N^2T)) - 解码问题:韦特比算法
采用动态规划算法,复杂度(O(N^2T)) - 学习问题:向前向后算法
EM算法是一个特例,带隐变量的最大似然估计
举个例子——天气与作习
举个常见的例子来引出下文,同时方便大家理解!比如我在不同天气状态下去做一些事情的概率不同,天气状态集合为{下雨,阴天,晴天},事情集合为{宅着,自习,游玩}。假如我们已经有了转移概率和输出概率,即P(天气A|天气B)和P(事情a|天气A)的概率都已知道,那么则有几个问题要问(注意,假设一天我那几件事情中的一件)。
- 1.假如一周内的天气变化是 下雨->晴天->阴天->下雨->阴天->晴天->阴天,那么我这一周 自习->宅着->游玩->自习->游玩->宅着->自习的概率是多大?
- 2.假如我这一周做事序列是 自习->宅着->游玩->自习->游玩->宅着->自习,不知道天气状态的情况下这个做事序列的概率是多大?
- 3.假如一周内的天气变化是 下雨->晴天->阴天->下雨->阴天->晴天->阴天,那我们这一周最有可能的做事序列是什么?
- 4.假如我这一周做事序列是 自习->宅着->游玩->自习->游玩->宅着->自习,那么这一周的天气变化序列最有可能是什么?
参考网址:
http://blog.csdn.net/stdcoutzyx/article/details/8522078
http://wenku.baidu.com/link?url=mgefnHLJRHgX6zghIcnZPIU0KCW5A-R9BsSnwvvbTXwMuKrn5caBCOv860O1ICAUpdGtgElY5d6BcybY1mBfRCks2rKEz9dr9eIiP-s7HMm