隐马尔科夫模型(原理图解)

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隐马尔科夫模型(原理图解)ppt课件

t=1
t=2
t=3
t=4
t=5
S1
a11 a13a12
S1
a11 a12
S1
a11 a12
S1
a11 a12
S1
a21
a21
a21
a21
S2 a22
S2 a22
S2 a22
S2 a22
S2
a23
a23
a23
a23
a31 a32
a32
a32
a32
S3 a33
S3 a33
S3 a33
S3 a33
S3
• 从某时刻状态到下时刻的状态按一定概率转移
t=1
t=2
转移概率
S1
a11 a13a12
S1
a11 a12
t=3
t=4
t=5
SS11
a11 a12
S11
a11 a12
S1
a21
a21
a21
a21
S22 a22
S2 a22
S2 a22
S2 a22
S22
a23
a23
a23
a23
a31 a32
a32
a32
a32
S3 a33
S33 a33
S3 a33
S11
S1
A转移概率矩阵
N
π
S22
… a11 a12 L a1N
S2
AN *N
a21
aS222
L
a2 N
L L L L
S2
S22
…
…
…
…
aN1 aN 2 L aNN
SN

隐马尔可夫模型_刘秉权

隐马尔可夫模型 8
实例
一房间有 N 只瓮，每只瓮中有 M 种不同颜色的球。根据某一概率分布随机地选择一个初始瓮，根据不同颜色球的概率分布从中随机取出一个球，并报告球的颜色。然后根据某一概率分布随机地选择另一只瓮，再根据不同颜色球的概率分布从中随机取出一个球，并报告球的颜色，…。对房间外的观察者，可观察的过程是不同颜色球的序列，而瓮的序列是不可观察的。这里每只瓮对应 HMM 模型中的状态，球的颜色对应于状态的输出符号，从一只瓮转向另一只瓮对应于状态转换，从一只瓮中取球对应于从一状态输出观察符号。
P(q t = S j | q t -1 = Si , q t -2 = S k ,L)
如果系统在 t 时间的状态只与其在时间 t − 1 的状态相关，则该系统构成一个离散的一阶马尔可夫链(马尔可夫过程)：
P(q t = S j | q t -1 = Si , q t -2 = S k ,L) = P(q t = S j | q t -1 = S i )
困难：穷尽所有可能的状态序列，复杂度 O ( N ) ，指数爆炸。有效方法：向前算法，动态规划，复杂性 O ( N 2 T ) 。
隐马尔可夫模型 18
T
动态规划(Dynamic Programming)
也称为动态时间弯曲(Dynamic TimeWraping) 常用于有序数字的最优求解问题，例如无向图中两点之间的最短距离问题或者语料库对齐中基于长度的对齐都采用了动态规划算法。
隐马尔可夫模型 3
马尔可夫模型(Markov Model)
如果只考虑独立于时间 t 的随机过程：
P(q t = S j | q t -1 = Si ) = a i, j , 1 ≤ i, j ≤ N

一文搞懂HMM（隐马尔可夫模型）

⼀⽂搞懂HMM（隐马尔可夫模型）什么是熵(Entropy)简单来说，熵是表⽰物质系统状态的⼀种度量，⽤它⽼表征系统的⽆序程度。

熵越⼤，系统越⽆序，意味着系统结构和运动的不确定和⽆规则；反之，，熵越⼩，系统越有序，意味着具有确定和有规则的运动状态。

熵的中⽂意思是热量被温度除的商。

负熵是物质系统有序化，组织化，复杂化状态的⼀种度量。

熵最早来原于物理学. 德国物理学家鲁道夫·克劳修斯⾸次提出熵的概念，⽤来表⽰任何⼀种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越⼤。

1. ⼀滴墨⽔滴在清⽔中，部成了⼀杯淡蓝⾊溶液2. 热⽔晾在空⽓中，热量会传到空⽓中，最后使得温度⼀致更多的⼀些⽣活中的例⼦:1. 熵⼒的⼀个例⼦是⽿机线，我们将⽿机线整理好放进⼝袋，下次再拿出来已经乱了。

让⽿机线乱掉的看不见的“⼒”就是熵⼒，⽿机线喜欢变成更混乱。

2. 熵⼒另⼀个具体的例⼦是弹性⼒。

⼀根弹簧的⼒，就是熵⼒。

胡克定律其实也是⼀种熵⼒的表现。

3. 万有引⼒也是熵⼒的⼀种(热烈讨论的话题)。

4. 浑⽔澄清[1]于是从微观看，熵就表现了这个系统所处状态的不确定性程度。

⾹农，描述⼀个信息系统的时候就借⽤了熵的概念，这⾥熵表⽰的是这个信息系统的平均信息量(平均不确定程度)。

最⼤熵模型我们在投资时常常讲不要把所有的鸡蛋放在⼀个篮⼦⾥，这样可以降低风险。

在信息处理中，这个原理同样适⽤。

在数学上，这个原理称为最⼤熵原理(the maximum entropy principle)。

让我们看⼀个拼⾳转汉字的简单的例⼦。

假如输⼊的拼⾳是"wang-xiao-bo"，利⽤语⾔模型，根据有限的上下⽂(⽐如前两个词)，我们能给出两个最常见的名字“王⼩波”和“王晓波 ”。

⾄于要唯⼀确定是哪个名字就难了，即使利⽤较长的上下⽂也做不到。

当然，我们知道如果通篇⽂章是介绍⽂学的，作家王⼩波的可能性就较⼤；⽽在讨论两岸关系时，台湾学者王晓波的可能性会较⼤。

隐马尔可夫模型.pptx

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学习问题
• Baum-Welch重估计公式
• 已知X和的情况下，t时刻为状态i，t+1时刻为状态j的后验概率
θ
ij
(t
)
i
(t
1)aij P(XT
b |
jk
θ)
j
(t
)
向前
向后
T
jl (t)
t 1 l
bˆ v(t )vk
jk
T
jl (t)
t 1 l
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例如：ML估计
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估值问题
• 直接计算HMM模型产生可见长度为T的符号序列X的概率
其中，
表示状态的初始概率
假设HMM中有c个隐状态，则计算复杂度为
！
例如：c=10，T=20，基本运算1021次！
(1)
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O(cTT )
估值问题
• 解决方案
• 递归计算
t时刻的计算仅涉及上一步的结果，以及
x1和x3统计独立，而其他特征对不独立
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相关性例子
• 汽车的状态 • 发动机温度 • 油温 • 油压 • 轮胎内气压
• 相关性 • 油压与轮胎内气压相互独立 • 油温与发动机温度相关
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贝叶斯置信网
• 用图的形式来表示特征之间的因果依赖性 • 贝叶斯置信网（Bayesian belief net） • 因果网（causal network） • 置信网（belief net）
P(θi )
P(θi | X)
θi P(X | θi )
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解码问题

马尔科夫模型(转载)

隐马尔可夫模型（一）——马尔可夫模型马尔可夫模型（Markov Model)描述了一类随机变量随时间而变化的随机函数。

考察一个状态序列（此时随机变量为状态值），这些状态并不是相互独立的，每个状态的值依赖于序列中此状态之前的状态。

数学描述：一个系统由N个状态S= {s1,s2,...s n},随着时间的推移，该系统从一个状态转换成另一个状态。

Q= {q1,q2,...q n}为一个状态序列，q i∈S,在t时刻的状态为q t,对该系统的描述要给出当前时刻t所处的状态s t，和之前的状态s1,s2,...s t, 则t时刻位于状态q t的概率为：P(q t=s t|q1=s1,q2=s2,...q t-1=s t-1)。

这样的模型叫马尔可夫模型。

特殊状态下，当前时刻的状态只决定于前一时刻的状态叫一阶马尔可夫模型，即P(q t=s i|q1=s1,q2=s2,...q t-1=s j) =P(q t=s i|q t-1=s j)。

状态之间的转化表示为a ij,a ij=P(q t=s j|q t-1=s i),其表示由状态i转移到状态j的概率。

其必须满足两个条件： 1.a ij≥ 0 2.=1对于有N个状态的一阶马尔科夫模型，每个状态可以转移到另一个状态（包括自己），则共有N2次状态转移，可以用状态转移矩阵表示。

例如：一段文字中名词、动词、形容词出现的情况可以用有3个状态的y一阶马尔科夫模型M 表示：状态s1:名词状态s2:动词状态s3:形容词状态转移矩阵： s1 s2 s3A=则状态序列O=“名动形名”（假定第一个词为名词）的概率为：P(O|M) = P(s1,s2,s3,s4} = P(s1)*p(s2|s1)p(s3|s2)p(s1|s3)=p(s1)*a12*a23*a31=1*0.5*0.2*0.4=0.04在马尔可夫模型中，每一个状态都是可观察的序列，是状态关于时间的随机过程，也成为可视马尔可夫模型（Visible Markov Model,VMM）。

马尔科夫和隐马尔科夫模型

一、Morkov模型
1913年俄国数学家马尔柯夫发现：某些事物的概率变化过程中，
第n次试验的结果常由第n-1次试验的结果决定。在学术研究上
把这种无后效的随机过程称为马尔柯夫过程。
一、Morkov模型
马尔可夫过程：在事件的发展过程中，若每次状态的转移都仅与前一时刻的状态有关而与过去的状态无关，这样的状态转移过程就称为马尔可夫过程。
f (0,1) 1, f (1, 0) 0.5 g(0,1) 0, g(1, 0) 0.5
关系式给出了问题的模型。满足条件的f 和g很多，须确定它们的具体形式。在满足所有条件后，通常取最简单的方案。如成功，问题就简单解决了；如失败，可修正。
本题最简单的是假定f 和g都是自变量的线性函数，即：
qk
1 yk 1
0.5qk 0.5qk
yk
qk 1

0.5qk

0.5qk 1

0.5(qk

qk 0.5qk 10.5qk 2
qk 1 )

0.75qk 1
0.25qk2
yk1 0.25qk1 0.25qk2
qk1 yk1 qk yk 1
1 0.5 0 0.5
1 0

0.75 0.25
0.5 0.5
P3

0.75 0.25
0.5 0.5 0.5 0.5
1 0

0.625 0.375
0.75 0.25
P1

0.5 0.5
1 0
P2

0.75 0.25
时刻t，处在状态i，并且部分观察序列为o1o2o3…ot的概率。
前向算法

隐马尔科夫(HMM)模型详解及代码实现

机器学习之隐马尔科夫模型（HMM）机器学习之隐马尔科夫模型（HMM）1、隐马尔科夫模型介绍2、隐马尔科夫数学原理3、Python代码实现隐马尔科夫模型4、总结隐马尔可夫模型介绍马尔科夫模型（hidden Markov model，HMM）是关于时序的概率模型，描述由一个隐藏的马尔科夫随机生成不可观测的状态随机序列，再由各个状态生成一个观测从而产生观测随机序列的过程，属于一个生成模型。

下面我们来从概率学角度定义马尔科夫模型，从一个典型例子开始：假设有4个盒子，每个盒子里面有不同数量的红、白两种颜色的球，具体如下表：盒子编号1234红球数5368白球数5742现在从这些盒子中取出T个球，取样规则为每次选择一个盒子取出一个球，记录其颜色，放回。

在这个过程中，我们只能观测到球的颜色的序列，观测不到球是从哪个盒子中取出来的，即观测不到盒子的序列，这里有两个随机序列，一个是盒子的序列（状态序列），一个是球的颜色的观测序列（观测序列），前者是隐藏的，只有后者是可观测的。

这里就构成了一个马尔科夫的例子。

定义是所有的可能的状态集合，V是所有的可能的观测的集合：其中，Ｎ是可能的状态数，Ｍ是可能的观测数，例如上例中Ｎ＝４，Ｍ＝２。

是长度为T的状态序列，是对应的观测序列：A是状态转移概率矩阵：其中，　是指在时刻处于状态的条件下在时刻转移到状态的概率。

B是观测概率矩阵：其中，　是指在时刻处于状态的条件下生成观测的概率。

是初始状态概率向量：其中，　是指在时刻=1处于状态的概率。

由此可得到，隐马尔可夫模型的三元符号表示，即称为隐马尔可夫模型的三要素。

由定义可知隐马尔可夫模型做了两个基本假设：(1)齐次马尔科夫性假设，即假设隐藏的马尔科夫链在任意时刻的状态只和-1状态有关；(2)观测独立性假设，观测只和当前时刻状态有关；仍以上面的盒子取球为例，假设我们定义盒子和球模型：状态集合： = {盒子1，盒子2，盒子3，盒子4}， N=4观测集合： = {红球，白球} M=2初始化概率分布：状态转移矩阵：观测矩阵:（1）转移概率的估计：假设样本中时刻t处于状态i，时刻t+1转移到状态j 的频数为那么转台转移概率的估计是：（2）观测概率的估计：设样本中状态为j并观测为k的频数是那么状态j观测为k的概率，　（3）初始状态概率的估计为S个样本中初始状态为的频率。

《隐马尔可夫模型》课件

它是一种双重随机过程，包括一个状态转移的随机过程和一个观测值生成的随机过程。
隐马尔可夫模型在许多领域都有应用，如语音识别、自然语言处理、生物信息学和金融预测等。
隐马尔可夫模型的应用领域
01
语音识别
用于将语音转换为文本，或识别说话人的意图。
生物信息学
用于分析基因序列、蛋白质序列和代谢物序列等。
03 隐马尔可夫模型的建立
观察概率矩阵的确定
总结词
观察概率矩阵描述了在给定状态下，观察到不同状态的概率分布。
详细描述
观察概率矩阵是隐马尔可夫模型中的重要组成部分，它表示了在给定状态下，观察到不同状态的概率分布。例如，在语音识别中，观察概率矩阵可以表示在特定语音状态下发出不同音素的概率。
状态转移概率矩阵的确定
VS
原理
通过动态规划找到最大概率的路径，该路径对应于最可能的隐藏状态序列。
05 隐马尔可夫模型的优化与改进
特征选择与模型参数优化
要点一
特征选择
选择与目标状态和观测结果相关的特征，提高模型预测准确率。
要点二
模型参数优化
通过调整模型参数，如状态转移概率和观测概率，以改进模型性能。
高阶隐马尔可夫模型
初始状态概率分布表示了隐马尔可夫模型在初始时刻处于各个状态的概率。这个概率分布是隐马尔可夫模型的重要参数之一，它决定了模型在初始时刻所处的状态。在某些应用中，初始状态概率分布可以根据具体问题来确定，也可以通过实验数据来估计。
04 隐马尔可夫模型的训练与预测
前向-后向算法
前向算法
用于计算给定观察序列和模型参数下，从初始状态到某个终止状态的所有可能路径的概率。
《隐马尔可夫模型》 ppt课件

如何用简单易懂的例子解释隐马尔可夫模型

如何用简单易懂的例子解释隐马尔可夫模型？- 知乎隐马尔可夫（HMM）好讲，简单易懂不好讲。

我想说个更通俗易懂的例子。

我希望我的读者是对这个问题感兴趣的入门者，所以我会多阐述数学思想，少写公式。

霍金曾经说过，你多写一个公式，就会少一半的读者。

还是用最经典的例子，掷骰子。

假设我手里有三个不同的骰子。

第一个骰子是我们平常见的骰子（称这个骰子为D6），6个面，每个面（1，2，3，4，5，6）出现的概率是1/6。

第二个骰子是个四面体（称这个骰子为D4），每个面（1，2，3，4）出现的概率是1/4。

第三个骰子有八个面（称这个骰子为D8），每个面（1，2，3，4，5，6，7，8）出现的概率是1/8。

假设我们开始掷骰子，我们先从三个骰子里挑一个，挑到每一个骰子的概率都是1/3。

然后我们掷骰子，得到一个数字，1，2，3，4，5，6，7，8中的一个。

不停的重复上述过程，我们会得到一串数字，每个数字都是1，2，3，4，5，6，7，8中的一个。

例如我们可能得到这么一串数字（掷骰子10次）：1 6 3 5 2 7 3 5 2 4这串数字叫做可见状态链。

但是在隐马尔可夫模型中，我们不仅仅有这么一串可见状态链，还有一串隐含状态链。

在这个例子里，这串隐含状态链就是你用的骰子的序列。

比如，隐含状态链有可能是：D6 D8 D8 D6 D4 D8 D6 D6 D4 D8一般来说，HMM中说到的马尔可夫链其实是指隐含状态链，因为隐含状态（骰子）之间存在转换概率（transition probability）。

在我们这个例子里，D6的下一个状态是D4，D6，D8的概率都是1/3。

D4，D8的下一个状态是D4，D6，D8的转换概率也都一样是1/3。

这样设定是为了最开始容易说清楚，但是我们其实是可以随意设定转换概率的。

比如，我们可以这样定义，D6后面不能接D4，D6后面是D6的概率是0.9，是D8的概率是0.1。

这样就是一个新的HMM。

同样的，尽管可见状态之间没有转换概率，但是隐含状态和可见状态之间有一个概率叫做输出概率（emission probability）。

隐马尔可夫模型(有例子-具体易懂)课件

解决问题一—前向算法
定义前向变量为:
“在时间步t, 得到t之前的所有明符号序列, 且时间步t的状态是Si”这一事件的概率, 记为 (t, i) = P(o1,…,ot, qt = Si|λ)
则
算法过程
HMM的网格结构
前向算法过程演示
t=1
t=2
t=3
t=4
t=5
t=T
t=6
t=7
问题 1 – 评估问题
给定
一个骰子掷出的点数记录
124552646214614613613666166466163661636616361651561511514612356234
问题
会出现这个点数记录的概率有多大? 求P(O|λ)
问题 2 – 解码问题
给定
一个骰子掷出的点数记录
124552646214614613613666166466163661636616361651561511514612356234
HMM的三个基本问题
令 λ = {π，A，B} 为给定HMM的参数，令 O = O1,...,OT 为观察值序列，则有关于隐马尔可夫模型（HMM）的三个基本问题: 1.评估问题: 对于给定模型，求某个观察值序列的概率P(O|λ) ； 2.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maxQ{P(Q|O,λ)}； 3.学习问题: 对于给定的一个观察值序列O，调整参数λ，使得观察值出现的概率P(O|λ)最大。
5点
1/6
3/16
6点
1/6
3/8
公平骰子A与灌铅骰子B的区别:
时间
1
2
3
4
5
6
7
骰子
A
A

隐马尔科夫模型(HMM)详解

马尔科夫过程马尔科夫过程可以看做是一个自动机，以一定的概率在各个状态之间跳转。

考虑一个系统，在每个时刻都可能处于N个状态中的一个，N个状态集合是{S1,S2,S3,...S N}。

我们如今用q1,q2,q3,…q n来表示系统在t=1,2,3,…n时刻下的状态。

在t=1时，系统所在的状态q取决于一个初始概率分布PI，PI(S N)表示t=1时系统状态为S N的概率。

马尔科夫模型有两个假设：1. 系统在时刻t的状态只与时刻t-1处的状态相关；〔也称为无后效性〕2. 状态转移概率与时间无关；〔也称为齐次性或时齐性〕第一条详细可以用如下公式表示：P(q t=S j|q t-1=S i,q t-2=S k,…)= P(q t=S j|q t-1=S i)其中，t为大于1的任意数值，S k为任意状态第二个假设那么可以用如下公式表示：P(q t=S j|q t-1=S i)= P(q k=S j|q k-1=S i)其中，k为任意时刻。

下列图是一个马尔科夫过程的样例图：可以把状态转移概率用矩阵A表示，矩阵的行列长度均为状态数目，a ij表示P(S i|S i-1)。

隐马尔科夫过程与马尔科夫相比，隐马尔科夫模型那么是双重随机过程，不仅状态转移之间是个随机事件，状态和输出之间也是一个随机过程，如下列图所示：此图是从别处找来的，可能符号与我之前描绘马尔科夫时不同，相信大家也能理解。

该图分为上下两行，上面那行就是一个马尔科夫转移过程，下面这一行那么是输出，即我们可以观察到的值，如今，我们将上面那行的马尔科夫转移过程中的状态称为隐藏状态，下面的观察到的值称为观察状态，观察状态的集合表示为O={O1,O2,O3,…O M}。

相应的，隐马尔科夫也比马尔科夫多了一个假设，即输出仅与当前状态有关，可以用如下公式表示：P(O1,O2,…,O t|S1,S2,…,S t)=P(O1|S1)*P(O2|S2)*...*P(O t|S t) 其中，O1,O2,…,O t为从时刻1到时刻t的观测状态序列，S1,S2,…,S t那么为隐藏状态序列。

隐马尔可夫模型课件

隐马尔可夫模型课件
目录
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 隐马尔可夫模型简介 • 隐马尔可夫模型的基本概念 • 隐马尔可夫模型的参数估计 • 隐马尔可夫模型的扩展 • 隐马尔可夫模型的应用实例 • 隐马尔可夫模型的前景与挑战
01
隐马尔可夫模型简介
定义与特点
定义
隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，简称HMM）是一种统计模型，用于描述一个隐藏的马尔可夫链产生的观测序列。
观测概率
定义
观测概率是指在给定隐藏状态下，观测到某一特定输出的概率。在隐马尔可夫模型中，观测概率表示隐藏状态与观测结果之间的关系。
计算方法
观测概率通常通过训练数据集进行估计，使用最大似然估计或贝叶斯方法计算。
初始状态概率
定义
初始状态概率是指在隐马尔可夫模型中，初始隐藏状态的概率分布。
计算方法
05
隐马尔可夫模型的应用实例
语音识别
语音识别是利用隐马尔可夫模型来识别连续语音的技术。通过建立语音信号的时间序列与状态序列之间的映射关系，实现对语音的自动识别。
在语音识别中，隐马尔可夫模型用于描述语音信号的动态特性，将连续的语音信号离散化为状态序列，从而进行分类和识别。
隐马尔可夫模型在语音识别中具有较高的准确率和鲁棒性，广泛应用于语音输入、语音合成、语音导航等领域。
Baum-Welch算法
总结词
Baum-Welch算法是一种用于隐马尔可夫模型参数估计的迭代算法，它通过最大化对数似然函数来估计模型参数。
详细描述
Baum-Welch算法是一种基于期望最大化（EM）算法的参数估计方法，它通过对数似然函数作为优化目标，迭代更新模型参数。在每次迭代中，算法首先使用前向-后向算法计算给定观测序列和当前参数值下的状态序列概率，然后根据这些概率值更新模型参数。通过多次迭代，算法逐渐逼近模型参数的最优解。

隐马尔可夫模型

= (A , B, π) ，观测序列 O
输出：观测序列概率 P (O; λ)
= 1,
i = 1, 2, ⋯ , N =1
对最终时刻的所有状态 qi ，规定 βT (i) 递推：对 t
= T − 1, T − 2, ⋯ , 1 :
N
βt (i) = ∑ a ijbj (ot+1 )βt+1 (j),
O 和 I 同时出现的联合概率为：
P (O, I ; λ) = P (O/I ; λ)P (I ; λ) = π i a i i a i i ⋯ a i b ( o ) b ( o ) ⋯ bi (oT ) 1 1 2 2 3 T −1 i T i 1 1 i 2 2 T
对所有可能的状态序列 I 求和，得到观测序列 O 的概率：
用极大似然估计的方法估计参数预测问题（也称为解码问题）：已知模型 λ 最大的状态序列 I
= (A , B, π) 和观测序列 O = (o1 , o2 , ⋯ , oT ) ，求对给定观测序列条件概率 P (I /O) = (i1 , i2 , ⋯ , iT ) 。即给定观测序列，求最可能的对应的状态序列
齐次性假设：即假设隐藏的马尔可夫链在任意时刻 t 的状态只依赖于它在前一时刻的状态，与其他时刻的状态和观测无关，也与时刻 t 无关，即： P (it /it−1 , ot−1 , ⋯ , i1 , o1 )
= P (it /it−1 ),
t = 1, 2, ⋯ , T t = 1, 2, ⋯ , T
的概率记作： γ t (i)
8.给定模型 λ
= P (it = qi /O; λ)
P (O; λ) = ∑ P (O/I ; λ)P (I ; λ)

隐马尔可夫模型

使用HMM解决的问题解决的问题使用
已知模型λ和输出序列测评问题 Evaluation :已知模型和输出序列，已知模型和输出序列O，求由λ生成的概率求由生成O的概率生成已知模型λ和输出序列和输出序列O，译解问题 Decoding : 已知模型和输出序列，求最有可能生成O的状态转移序列最有可能生成的状态转移序列学习问题 Learning : 已知模型λ和输出序列，求已知模型和输出序列O，和输出序列最有可能生成Ｏ最有可能生成Ｏ的模型的参数
起始
—
0.05 0 0.015
结束
0.46 0.06
0.5
0.06
0.06 0.49
0.73 1
0.49
0.46
0.01
0.48
c
0.015 0.015
y
0.46 0.7 0.3 0.015
0.05 0.23
0.015
0.4
C
0.97
C
0.97
Y
Viterbi 算法中的矩阵
I0 A C C Y 0.12 0 0 0 I1 0 0.015 0 0 M1 0 0.046 0 0 I2 0 0 0 0 M2 0 0 0.485 0 I3 0 0 0 M3 0 0 0
Viterbi算法用了一个矩阵，矩阵的行由序列中的氨基算法用了一个矩阵，算法用了一个矩阵酸残基组成，列由模型中的状态组成。酸残基组成，列由模型中的状态组成。
HMM可由多条路径产生序列可由多条路径产生序列ACCY 可由多条路径产生序列
0.3 0.3 0.4 0.5 0.48 0.48 0.27
1 0.8 0.2 — — — — —
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隐马尔可夫链模型的递推-定义说明解析

隐马尔可夫链模型的递推-概述说明以及解释1.引言1.1 概述隐马尔可夫链模型是一种常用的概率统计模型，它广泛应用于自然语言处理、语音识别、模式识别等领域。

该模型由两个基本假设构成：一是假设系统的演变具有马尔可夫性质，即当前状态的变化只与前一个状态有关；二是假设在每个状态下，观测到的数据是相互独立的。

在隐马尔可夫链模型中，存在两个重要概念：隐含状态和观测数据。

隐含状态是指在系统中存在但无法直接观测到的状态，而观测数据是指我们通过观测手段能够直接获取到的数据。

隐含状态和观测数据之间通过概率函数进行联系，概率函数描述了在每个状态下观测数据出现的概率。

隐马尔可夫链模型的递推算法用于解决两个问题：一是给定模型参数和观测序列，求解最可能的隐含状态序列；二是给定模型参数和观测序列，求解模型参数的最大似然估计。

其中，递推算法主要包括前向算法和后向算法。

前向算法用于计算观测序列出现的概率，后向算法用于计算在某一隐含状态下观测数据的概率。

隐马尔可夫链模型在实际应用中具有广泛的应用价值。

在自然语言处理领域，它可以用于词性标注、语义解析等任务；在语音识别领域，它可以用于语音识别、语音分割等任务；在模式识别领域，它可以用于手写识别、人脸识别等任务。

通过对隐马尔可夫链模型的研究和应用，可以有效提高这些领域的性能和效果。

综上所述，隐马尔可夫链模型是一种重要的概率统计模型，具有广泛的应用前景。

通过递推算法，我们可以有效地解决模型参数和隐含状态序列的求解问题。

随着对该模型的深入研究和应用，相信它将在各个领域中发挥更大的作用，并取得更好的效果。

1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下要点：文章将分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分包括概述、文章结构和目的三个子部分。

概述部分简要介绍了隐马尔可夫链模型的背景和重要性，指出了该模型在实际问题中的广泛应用。

文章结构部分说明了整篇文章的组织结构，明确了每个部分的内容和目的。

目的部分描述了本文的主要目的，即介绍隐马尔可夫链模型的递推算法和应用，并总结和展望其未来发展方向。

隐马尔科夫模型HMM（一）HMM模型

隐马尔科夫模型HMM （⼀）HMM 模型隐马尔科夫模型HMM （⼀）HMM 模型基础隐马尔科夫模型（Hidden Markov Model ，以下简称HMM ）是⽐较经典的机器学习模型了，它在语⾔识别，⾃然语⾔处理，模式识别等领域得到⼴泛的应⽤。

当然，随着⽬前深度学习的崛起，尤其是，等神经⽹络序列模型的⽕热，HMM 的地位有所下降。

但是作为⼀个经典的模型，学习HMM 的模型和对应算法，对我们解决问题建模的能⼒提⾼以及算法思路的拓展还是很好的。

本⽂是HMM 系列的第⼀篇，关注于HMM 模型的基础。

1. 什么样的问题需要HMM 模型⾸先我们来看看什么样的问题解决可以⽤HMM 模型。

使⽤HMM 模型时我们的问题⼀般有这两个特征：１）我们的问题是基于序列的，⽐如时间序列，或者状态序列。

２）我们的问题中有两类数据，⼀类序列数据是可以观测到的，即观测序列；⽽另⼀类数据是不能观察到的，即隐藏状态序列，简称状态序列。

有了这两个特征，那么这个问题⼀般可以⽤HMM 模型来尝试解决。

这样的问题在实际⽣活中是很多的。

⽐如：我现在在打字写博客，我在键盘上敲出来的⼀系列字符就是观测序列，⽽我实际想写的⼀段话就是隐藏序列，输⼊法的任务就是从敲⼊的⼀系列字符尽可能的猜测我要写的⼀段话，并把最可能的词语放在最前⾯让我选择，这就可以看做⼀个HMM 模型了。

再举⼀个，我在和你说话，我发出的⼀串连续的声⾳就是观测序列，⽽我实际要表达的⼀段话就是状态序列，你⼤脑的任务，就是从这⼀串连续的声⾳中判断出我最可能要表达的话的内容。

从这些例⼦中，我们可以发现，HMM 模型可以⽆处不在。

但是上⾯的描述还不精确，下⾯我们⽤精确的数学符号来表述我们的HMM 模型。

2. HMM 模型的定义对于HMM 模型，⾸先我们假设Q 是所有可能的隐藏状态的集合，V 是所有可能的观测状态的集合，即：Q ={q 1,q 2,...,q N },V ={v 1,v 2,...v M } 其中，N 是可能的隐藏状态数，M 是所有的可能的观察状态数。

爱情的隐式马尔可夫模型(Love in the Hidden Markov Model)

爱情的隐式马尔可夫模型(Love in the Hidden Markov Model)首先感谢原英文作者Tom Yeh的精彩描述,生动地讲述了HMM模型的原理,在此我斗胆用我自己的语言用中文修改描述一次.感兴趣的可以点击这里下载latex生成的pdf 版本男生和女生分别是来自不同星球的科学事实已经众所周知的了.男生们总是认为,女生们都是迷一样的生物,他们的情感状态浮动似乎是以秒单位在变化的,难以理解,更勿论预测了! 而女生们觉得男生都是没有感觉动物,完全不能理解什么叫感受-尽管已经告诉他们N次了!这种男女之间的根本差别,导致了他们之间的感情关系是受一种超级无敌复杂的系统所支配的.不过,我们可以用一个叫隐式马尔可夫(Hidden Markov Model)的数学模型来分析这个系统.决定性系统首先我们来看看一种最简单的预测系统- 决定性系统.在这个系统中,如果我们知道我们目前所在的状态,那么我们也就能够毫无疑问地预测出下一个状态是什么. 比如一年四季的轮替就是一个决定性系统:每个季节的交替是完全可以预测的,如果现在是春天,那么下一个季节就一定会是夏天,冬天的前一个状态就一定是秋天等等.另外值得一提的是,冬天过后,下一个季节就又会回到春天,以此循环...另外一个常见的决定系统,就是交通灯的轮换: 红灯过后就应该是绿灯. 绿灯过后就应该是黄灯,然后又回到红灯.这种系统非常常见,人的一生大致也能看作是这种系统. 有婴儿,少年,成年,老年,然后死亡等几种状态. 不过不同的是,人的一生又不是完全遵循这种状态轮换的, 每个人都有那么丁点的可能性会跳过其中一个或者多个状态,直接到达死亡的状态...(更勿论Benjamin Buttons的情况了,呵呵).讲到这里,聪明的男生或许已经能想到,我们的世界里最为精妙,最雷人的非决定性系统就是-- 你女朋友的情感状态!对于大部分男生来说,精确地预测女朋友的下一种的情感状态基本上属于扯淡. 一个mm现在可能心情很好,可是下一秒却进入抓狂;她或许某个时刻处于悲伤,下个时刻却变得异常兴奋.在每个女生的情感状态里面,都有一种基于概率却又难以预测的本质,这种无序的本质直接导致无数男生直接蹲地画圈圈......尽管看上去女生的情感状态似乎毫无预测性可言,经过一段长时间的观察,却能发现这种现象是有规律的! 于是小明,作为一名计算机科学家, 决定要系统地去分析他女朋友的情感不确定性, 挖掘出里面的规律!于是乎,小明仔细地记录了半年来他女朋友小丽每天的喜怒哀乐变化状态, 并作了一张图表(Table1)来表示小丽的历史情感变化.小明想知道, 有了这些数据,他能否从中得出知道, 如果小丽某天的情感状态是高兴, 那么第二天她更多的是保持好心情呢,还是更多地变得悲伤了.如此等等...数据胜于雄辩, 小明从这半年的数据里面发现,当小丽高兴的时候,3/4的情况下第二天她仍然保持着好心情,只有1/4的情况小丽第二天心情会改变,比如变得气愤,悲伤等等(小明真TM走运!).小明继续分析其他各种情感状态变化情况,比如从高兴到悲伤, 悲伤到气愤, 高兴到气愤等所有的可能组合.很快小明就得到所有的组合变化数据,从中得知对于任意小丽的某天情感状态下,下一个最有可能的情感状态.为了便于教学,我们假设小明只关心小丽的四种感情状态: 高兴悲伤气愤还有忧虑高兴悲伤气愤忧虑高兴0.75 0.1 0.10.05悲伤0.05 0.5 0.250.2气愤0.15 0.2 0.40.25忧虑0.05 0.2 0.250.5 Table 1: 小丽的情绪状态变化表在这个表格中, 每个数字代表了小丽情绪从某列转变到某行的概率. 比方说, 如果小丽某天的情绪是高兴,那么她将有0.1的概率下一天她会变得悲伤或者是气愤, 有0.05的可能性转变为忧虑. 每一行代表了从某种情绪转变到各种情绪的概率,因此每行的概率之和为 1.同理,每一列代表了由各种情绪转变为该列所代表的情绪的概率,因此每列的概率总和也应该为1.我们可以画一个状态图(图1)来表示表格1, 每个圆圈代表着一种心情状态, 每两种心情变化由一个有向弧,从当前的心情状态指向下一个心情状态表示,每个弧上均带有一个状态转换的概率.Figure 1: 小丽的情绪状态变化图有了这个图表,小明就可以非常直观地看得到小丽最有可能的下个心情会是如何. 她会很有可能变得悲伤吗?(准备好鲜花巧克力),还是更有可能是气愤?(赶紧闪开!) 每天小明只需要看看哪个弧指向的心情概率最大就可以了.这个过程,同学们,就是有名的"马尔可夫过程" (Markov process)不过需要注意的是, 马尔可夫过程有一些假设的前提. 在我们的例子里面, 预测下一天小丽的心情, 我们只依赖当天小丽的心情,而没有去考虑更先前她的心情. 很明显这种假设下的模型是远不够精确的. 很多时候,随着日子一天一天的过去,女生一般会变得越来越体谅.经常女生生气了几天后,气就会慢慢消了. 比方说如果小丽已经生气了3天了,那么她第二天变得高兴起来的可能性,在多数情况下,要比她只生气了一天而第二天变得高兴的可能性要高. 马尔可夫过程并没有考虑这个, 用行话讲, 就是马尔可夫模型忽略远距离历史效应( longrange dependency).我很佩服各位能坚持读到这里, 不过,还没完呢, 我仍然没有说,隐式马尔可夫模型(Hidden Markov Model)是什么呢! 诸位如果已经有点头昏脑涨,请就此打住,以免大脑过热死机!隐式马尔可夫模型- Hidden Markov Model, or HMM for short.有些时候,我们无法直接观测一个事物的状态. 比方说, 有些女生是很能隐瞒自己的情感而不流露出来的! 他们可能天天面带微笑但不代表他们就天天高兴.因此我们必须要有窍门, 去依赖某些我们能够直接观察到的东西.话说回来我们的主人公小明, 自从被小丽发现他这种近乎变态的科学分析行为后,变得非常善于隐藏自己的心情,导致某天小明错误估计了小丽的心情!在误以为那天小丽会心情好的情况下,小明告诉小丽自己不小心摔坏了她心爱的iPod...,小明没想到其实那天小丽正因为前一天错过了商场名牌打折扣的活动而异常气愤... 一场血雨腥风过后,两个人最终分手了.不过很快小明凭着自身的英俊高大潇洒,很快又交上了另外一个女朋友- 小玲. 鉴于小明意识到,女生表面的情感流露非常不可靠, 小明决定要另寻他径, 继续预测女朋友的心情! (作为一个科学家,小明的确有着不怕碰壁的精神!)小明每个月都帮小玲付信用卡的费用(真不明白，有这样的男朋友，小玲有什么理由不高兴啊!), 因此小明每天都可以通过Online banking知道小玲每天都买了什么东西. 小明突然灵机一动: "没准我能通过观测她的购物规律,推导预测出小玲的心情!".听起来有点匪夷所思,不过这个过程,的的确确是可以使用叫作隐式马尔可夫的数学模型来表示并分析的.由于我们需要预测的变量- 心情状态是无法直接观测的,是隐藏(Hidden)起来的.因此这种模型才叫隐式马尔可夫模型.在一次和小玲的好朋友们一起吃饭的时候, 小明得知了以下重要的信息:"小玲高兴的时候经常去买一大堆新衣服", "那天小玲一个人去超市买了一堆吃的,一定是有什么心事了(忧虑)", "你千万不要惹小玲生气阿,不然她会刷爆你的信用卡的!", "小玲好几次伤心难过的时候,一整天都宅在家里看杂志.". 知道了这些信息,小明扩展了他原先一直采用的马尔可夫模型, 为每种隐藏的状态(心情)赋予了新的可观测状态(Observables),这些可观测状态为:1.大部分(>50%)花费是Fashion商场(O1)2.大部分(>50%)花费在超市(O2)3.Oh my God! 一天刷了5000元以上!!! (O3)4.Oh yeah! 这一天她都没花钱(O4)为图简便,我们假设小玲和小明的ex小丽,有着同样的实际心情转换概率(图1).小明通过归类统计小玲过往的信用卡帐单(天啊,怎么这么多!),发现了如表2所示的每天心情与每天信用卡消费之间的关系:Table 2: 小玲的每天情绪状态与当天信用卡花费的关系概率表我要加一句的是, 由于概率的归一性(各种可能性之和为1), 我们为了不降低本文的娱乐搞笑性, 规定如果某天小玲大部分的花费是Fashion或者是在超市,那么她的花费不可能超过5000, 这样我们才有各行的O1+O2+O3+O4 =1.也就是说,当小玲高兴的时候, 小明发现80%的情况下那些天小玲基本都买性感小衣衣了(:Q), 也有那么10%的情况下大部分买吃的了, 令小明郁闷的是,居然小玲高兴了,还有那么5%的情况,刷了他5000+ ;最后剩下5%的情况小玲可能因为太高兴而顾不上消费了(小明暗笑:"对对,就是那次,她心情特好, we BEEP all day, it was the best we ever had!" )自此, 小玲心情的隐式马尔可夫模型就出来了(图2).Figure2: 小玲的隐式马尔可夫模型有了这个模型,我们就可以回答这个问题:"如果我知道了小玲的信用卡花费规律,我能否找出她最有可能的心情变化序列是什么?"具体一点吧, 某次小玲到外地出差了一个星期, 小明每天打电话给她问她今天开心嘛? 小玲都说"开心"...但实际呢?小明自言自语说, 哼你不告诉我, 我就只好算算了! 小明Login到了小玲信用卡网站,打开statement,统计了一下,发现小玲这一个星期的消费规律是:"O2 O1 O4 O2 O3 O1 O4" (对应着消费序列穿的, 吃的, 没刷, 吃的, 刷爆, 穿的, 没刷)有了这个消费序列和图2的模型, 有办法找出小玲这7天最有可能的心情序列是什么吗?信不信由你, Viterbi search algorithm (维特比搜索算法)就是用来计算出HMM模型中给定观测序列O(消费规律), 对应的最有可能的隐藏状态序列(心情变化). 关于Viterbi的原理和实现已经超出本文的讲解范围了,有兴趣的同学可以去Wiki或者动手Google一下. 简单来说Viterbi属于动态规划(Dynamic programming) 算法的一种,用来比较高效地计算出一个转移矩阵及其观测矩阵(分别对应我们的Table1 和Table2)制约下的最大可能的隐藏状态转移序列-如果我们事先知道观测序列的话.根据以上的转移矩阵(table 1})和观测矩阵(table 2), 建立起HMM模型并采用Viterbi算法(HMM还需要添加一个状态起始概率来表示每种状态作为起始状态的可能性,由于小明没有办法知>道这个数字,因此只能作最简单的假设- 假设他们都是均匀分布的(uniformly distributed),所以每种状态的起始>概率均为1/4).可以知道,对应以上观察序列,小玲那七天最为可能的情绪序列为:忧虑悲伤悲伤忧虑气愤高兴悲伤概率为p=1.4x10^-5看来小玲这次出差压力不小啊!呜呼! 至此整个Hidden Markov Model就介绍完了.当然,中间仍然有很多细节我是直接忽略了. 而且在现实使用当中,HMM模型中的规模要大得多,无论是隐藏的状态数目,还是可观测的状态数目,都超过千计. HMM 及其相关算法被大量广泛使用在各行各业.在计算机信息学中, 大量语音识别, 中文分词,中文拼音汉字转换系统采用的都是隐式马尔可夫模型.。