HMM隐马尔可夫模型
隐马尔可夫模型原理
隐马尔可夫模型原理
隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model, HMM）是一种用来
描述状态序列的概率模型。
它基于马尔可夫链的理论，假设系统的状态是一个没有直接观察到的随机过程，但可以通过观察到的结果来推断。
HMM的原理可以分为三个关键要素：状态集合、转移概率矩
阵和观测概率矩阵。
1. 状态集合：HMM中的状态是不能直接观测到的，但可以从
观测序列中推断出来。
状态集合可以用S={s1, s2, ..., sn}表示，其中si表示第i个状态。
2. 转移概率矩阵：转移概率矩阵A表示在一个时间步从状态
si转移到状态sj的概率。
可以表示为A={aij}，其中aij表示从状态si到状态sj的转移概率。
3. 观测概率矩阵：观测概率矩阵B表示在一个时间步观测到
某个输出的概率。
可以表示为B={bj(o)}，其中bj(o)表示在状
态sj下观测到输出o的概率。
通过这些要素，HMM可以用来解决三类问题：
1. 评估问题：给定模型参数和观测序列，计算观测序列出现的概率。
可以使用前向算法或后向算法解决。
2. 解码问题：给定模型参数和观测序列，寻找最可能的状态序
列。
可以使用维特比算法解决。
3. 学习问题：给定观测序列，学习模型的参数。
可以使用Baum-Welch算法进行无监督学习，或使用监督学习进行有标注数据的学习。
总之，HMM是一种可以用来描述随机过程的模型，可以用于许多序列预测和模式识别问题中。
它的简洁性和可解释性使其成为机器学习领域中重要的工具之一。
隐马尔可夫模型(hmm)在中文分词中的处理流程
隐马尔可夫模型(HMM)在中文分词中的处理流程1.引言中文分词是自然语言处理领域中一个重要的任务，其目的是将连续的中文文本切分成有意义的词语。
隐马尔可夫模型(H id de nM ar ko vM ode l,H MM)是一种常用的统计模型，已被广泛应用于中文分词任务中。
本文将介绍H MM在中文分词中的处理流程。
2. HM M基本原理H M M是一种基于统计的模型，用于建模具有隐含状态的序列数据。
在中文分词任务中，HM M将文本视为一个观测序列，其中每个观测代表一个字或一个词，而隐藏的状态则代表该字或词的标签，如“B”表示词的开始，“M”表示词的中间，“E”表示词的结尾，“S”表示单字成词。
H M M通过学习观测序列和隐藏状态之间的转移概率和发射概率，来实现对中文分词的自动标注和切分。
3. HM M中文分词流程3.1数据预处理在使用H MM进行中文分词之前，首先需要对文本数据进行预处理。
预处理步骤包括去除无关字符、去除停用词、繁简转换等。
这些步骤旨在减少干扰和噪音，提高分词的准确性。
3.2构建H M M模型构建HM M模型包括确定隐藏状态集合、观测集合以及初始化转移概率和发射概率。
在中文分词中，隐藏状态集合包括“B”、“M”、“E”和“S”，观测集合包括所有字或词。
转移概率和发射概率的初始化可以使用统计方法，如频次统计、平滑处理等。
3.3模型训练模型训练是指根据已标注的中文语料库，利用最大似然估计或其他方法，估计转移概率和发射概率的参数。
训练过程中可以使用一些优化算法，如维特比算法、B aum-We lc h算法等。
3.4分词标注在模型训练完成后，利用已学习到的参数和观测序列，可以通过维特比算法进行分词标注。
维特比算法是一种动态规划算法，可以求解出最可能的隐藏状态序列。
3.5分词切分根据分词标注结果，可以进行分词切分。
根据“B”、“M”、“E”和“S”标签，可以将连续的字或词切分出来，得到最终的分词结果。
深度学习中的序列生成模型
深度学习中的序列生成模型深度学习中的序列生成模型是指通过神经网络模型生成序列数据的一种方法。
它在自然语言处理、语音识别、机器翻译等领域具有重要应用。
本文将介绍序列生成模型的基本原理、主要应用以及当前的研究进展。
一、序列生成模型的基本原理序列生成模型的核心思想是根据历史上的已观察数据来预测未来的数据。
常见的序列生成模型包括隐马尔可夫模型（HMM）、循环神经网络（RNN）以及变分自编码器（VAE）等。
下面将分别介绍这几种模型的基本原理。
1. 隐马尔可夫模型（HMM）HMM是一种统计模型，假设观察序列由一个未知的隐含状态序列和对应的观察序列组成。
HMM通过定义状态转移概率矩阵和观测概率矩阵来进行模型训练和预测。
HMM在语音识别和自然语言处理中得到广泛应用。
2. 循环神经网络（RNN）RNN是一种具有记忆功能的神经网络模型，能够处理序列数据的依赖关系。
RNN通过在网络中引入循环连接来建立序列之间的依赖关系，从而将历史的信息传递到未来。
RNN在机器翻译和文本生成等任务中表现出色。
3. 变分自编码器（VAE）VAE是一种生成模型，通过学习数据的潜在分布来生成新的样本。
在序列生成中，VAE通过学习输入序列的潜在表示来生成新的序列。
VAE的优势在于可以通过潜在空间的插值来生成具有连续变化的序列数据。
二、序列生成模型的主要应用序列生成模型在自然语言处理、语音识别和机器翻译等领域广泛应用。
下面将介绍一些具体的应用案例。
1. 机器翻译机器翻译是将一种语言的句子自动翻译成另一种语言的任务。
序列生成模型在机器翻译中发挥着重要作用，能够将源语言句子转化为目标语言句子。
当前的主流机器翻译系统多基于循环神经网络模型或者变分自编码器模型。
2. 文本生成文本生成是指通过模型生成新的文本内容。
序列生成模型可以学习到文本数据的潜在分布，并可以生成与原始数据类似的新文本。
文本生成在文学创作、自动对话系统等方面有广泛的应用。
3. 音乐生成音乐生成是利用序列生成模型来创作新的音乐作品。
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。
隐马尔可夫模型算法及其在语音识别中的应用
隐马尔可夫模型算法及其在语音识别中的应用隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）算法是一种经典的统计模型，常被用于对序列数据的建模与分析。
目前，在语音识别、生物信息学、自然语言处理等领域中，HMM算法已经得到广泛的应用。
本文将阐述HMM算法的基本原理及其在语音识别中的应用。
一、HMM算法的基本原理1.概率有限状态自动机HMM算法是一种概率有限状态自动机（Probabilistic Finite State Automata，PFSA）。
PFSA是一种用于描述随机序列的有限状态自动机，在描述序列数据的时候可以考虑序列的概率分布。
PFSA主要包括以下几个部分：（1）一个有限状态的集合S={s_1,s_2,…,s_N}，其中s_i表示第i个状态。
（2）一个有限的输出字母表A={a_1,a_2,…,a_K}，其中a_i表示第i个输出字母。
（3）一个大小为N×N的转移概率矩阵Ψ={ψ_ij}，其中ψ_ij表示在状态s_i的前提下，转移到状态s_j的概率。
（4）一个大小为N×K的输出概率矩阵Φ={φ_ik}，其中φ_ik 表示在状态s_i的前提下，输出字母a_k的概率。
2. 隐藏状态在HMM中，序列的具体生成过程是由一个隐藏状态序列和一个观测序列组成的。
隐藏状态是指对于每个观测值而言，在每个时刻都存在一个对应的隐藏状态，但这个隐藏状态对于观测者来说是不可见的。
这就是所谓的“隐藏”状态。
隐藏状态和观测序列中的每个观测值都有一定的概率联系。
3. HMM模型在HMM模型中，隐藏状态和可观察到的输出状态是联合的，且它们都服从马尔可夫过程。
根据不同的模型，HMM模型可以划分为左-右模型、符合模型、环模型等。
其中最常见的是左-右模型。
在这种模型中，隐藏状态之间存在着马尔可夫链的转移。
在任何隐藏状态上，当前状态接下来可以转移到最多两个状态：向右移动一格或不变。
4. HMM的三个问题在HMM模型中，有三个基本问题：概率计算问题、状态路径问题和参数训练问题。
HMM隐马尔可夫模型解析课件
的颜色为O1，并把球放回缸中 n 根据描述缸的转移的概率分布，随机选择下一口缸，
重复以上步骤。
n 为最观后察得值到序一列个O描。述球的颜色的序列O1,O2, … ，称
HMM实例——约束
在上述实验中，有几个要点需要注意：
n (a)转移矩阵没有零值 的Markov链
n (b)转移矩阵有零值的 Markov链
n (c)和(d)是左-右形式表 示的Markov链
HMM实例
Urn 3 Urn 2 Urn 1
Veil
Observed Ball Sequence
HMM实例——描述
n 设有N个缸，每个缸中装有很多彩球，球的颜色 由一组概率分布描述。实验进行方式如下
的统计特性，即状态转移概率确定；这个 状态产生的输出亦为随机的，取决于该状 态生成语音观察量的概率。
n 无跨越模型符合人类的语音特点，广泛应 用于语音识别中。
n 有跨越用于反映音素在发音中可能被吸收 或删除的情况。
Two types of HMM
n State-emission HMM (Moore machine):
n X(t+1) = f(X(t) ) n 现实中存在很多马尔可夫过程
马尔可夫链
n 时间和状态都离散的马尔可夫过程称为马尔可夫链
n 记作{Xn = X(n), n = 0,1,2, …}
n 在时间集T1 = {0,1,2, …}上对离散状态的过程相继观察的结果
n 链的状态空间记做I = {a1, a2, …}, ai∈R.
隐马尔可夫模型 Hidden Markov model
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。
隐马尔可夫模型的基本概念与应用
隐马尔可夫模型的基本概念与应用隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）是一种常用于序列建模的统计模型。
它在许多领域中被广泛应用，如语音识别、自然语言处理、生物信息学等。
本文将介绍隐马尔可夫模型的基本概念和应用。
一、基本概念1.1 状态与观测隐马尔可夫模型由状态和观测组成。
状态是模型的内部表示，不能直接观测到；观测是在每个状态下可观测到的结果。
状态和观测可以是离散的或连续的。
1.2 转移概率与发射概率转移概率表示模型从一个状态转移到另一个状态的概率，用矩阵A 表示。
发射概率表示在每个状态下观测到某个观测的概率，用矩阵B 表示。
1.3 初始概率初始概率表示在初始时刻各个状态的概率分布，用向量π表示。
二、应用2.1 语音识别隐马尔可夫模型在语音识别中广泛应用。
它可以将语音信号转化为状态序列，并根据状态序列推断出最可能的词语或句子。
模型的状态可以表示音素或音节，观测可以是语音特征向量。
2.2 自然语言处理在自然语言处理中，隐马尔可夫模型被用于语言建模、词性标注和命名实体识别等任务。
模型的状态可以表示词性或语法角色，观测可以是词语。
2.3 生物信息学隐马尔可夫模型在生物信息学中的应用十分重要。
它可以用于DNA序列比对、基因识别和蛋白质结构预测等任务。
模型的状态可以表示不同的基因或蛋白质结构，观测可以是序列中的碱基或氨基酸。
三、总结隐马尔可夫模型是一种重要的序列建模方法，在语音识别、自然语言处理和生物信息学等领域有广泛的应用。
它通过状态和观测之间的概率关系来解决序列建模问题，具有较好的表达能力和计算效率。
随着研究的深入，隐马尔可夫模型的扩展和改进方法也在不断涌现，为更多的应用场景提供了有效的解决方案。
（以上为文章正文，共计243字）注：根据您给出的字数限制，本文正文共243字。
如需增加字数，请提供具体要求。
隐马尔可夫模型的理论和应用
隐马尔可夫模型的理论和应用一、引言隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）是一种基于概率的统计模型，广泛应用于语音识别、自然语言处理、生物信息学等各个领域。
本文将从理论和应用两个方面来介绍隐马尔可夫模型。
二、理论1. 概念隐马尔可夫模型是一种Markov模型的扩展，用于描述随时间变化的隐含状态的过程。
例如，在讲话时，说话人的情绪状态是无法观测到的，但它却会直接影响语音信号的产生。
2. 基本原理隐马尔可夫模型由三个基本部分组成：状态、观察、转移概率。
其中，状态是指模型中的隐藏状态，观察是指通过某种手段能够观测到的变量，转移概率是指从一个状态转移到另一个状态的概率。
隐马尔可夫模型可以用一个有向图表示，其中节点表示状态，边表示转移概率，而每个节点和边的权重对应了状态和观察的概率分布。
3. 基本假设HMM假设当前状态只与前一状态有关，即满足马尔可夫假设，也就是说，当前的状态只由前一个状态转移而来，与其他状态或之前的观察无关。
4. 前向算法前向算法是HMM求解的重要方法之一。
它可以用来计算给定观测序列的概率，并生成最有可能的隐含状态序列。
前向算法思路如下：首先，确定初始概率；其次，计算确定状态下观察序列的概率；然后，根据前一步计算结果和转移概率，计算当前时刻每个状态的概率。
5. 后向算法后向算法是另一种HMM求解方法。
它与前向算法类似，只是计算的是所给定时刻之后的观察序列生成可能的隐含状态序列在该时刻的概率。
后向算法思路如下：首先，确定初始概率；然后，计算当前时刻之后的所有观察序列生成可能性的概率；最后，根据观察序列，逆向计算出当前时刻每个状态的概率。
三、应用1. 语音识别语音识别是HMM最常见的应用之一。
在语音识别中，输入的语音信号被转换为离散的符号序列，称为观察序列。
然后HMM模型被用于识别最有可能的文本转录或声学事件，如说话人的情绪状态。
2. 自然语言处理在自然语言处理中，HMM被用于识别和分类自然语言的语法、词形和词义。
隐马尔可夫模型三个基本问题及算法
隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种用来对时序数据进行建模的概率图模型。
它在信号处理、语音识别、自然语言处理等领域被广泛应用，具有重要的理论和实际意义。
隐马尔可夫模型包括三个基本问题及相应的算法，分别是概率计算问题、学习问题和预测问题。
接下来我们将针对这三个问题展开详细探讨。
### 1.概率计算问题概率计算问题是指给定隐马尔可夫模型λ=(A, B, π)和观测序列O={o1, o2, ..., oT}，计算在模型λ下观测序列O出现的概率P(O|λ)。
为了解决这个问题，可以使用前向传播算法。
前向传播算法通过递推计算前向概率αt(i)来求解观测序列O出现的概率。
具体来说，前向概率αt(i)表示在时刻t状态为i且观测到o1, o2, ..., ot的概率。
通过动态规划的思想，可以高效地计算出观测序列O出现的概率P(O|λ)。
### 2.学习问题学习问题是指已知观测序列O={o1, o2, ..., oT}，估计隐马尔可夫模型λ=(A, B, π)的参数。
为了解决这个问题，可以使用Baum-Welch算法，也称为EM算法。
Baum-Welch算法通过迭代更新模型参数A、B和π，使得观测序列O出现的概率P(O|λ)最大化。
这一过程涉及到E步和M步，通过不断迭代更新模型参数，最终可以得到最优的隐马尔可夫模型。
### 3.预测问题预测问题是指给定隐马尔可夫模型λ=(A, B, π)和观测序列O={o1,o2, ..., oT}，求解最有可能产生观测序列O的状态序列I={i1, i2, ..., iT}。
为了解决这个问题，可以使用维特比算法。
维特比算法通过动态规划的方式递推计算最优路径，得到最有可能产生观测序列O的状态序列I。
该算法在实际应用中具有高效性和准确性。
在实际应用中，隐马尔可夫模型的三个基本问题及相应的算法给我们提供了强大的建模和分析工具。
通过概率计算问题，我们可以计算出观测序列出现的概率；通过学习问题，我们可以从观测序列学习到模型的参数；通过预测问题，我们可以预测出最有可能的状态序列。
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(hmm)的matlab实现
隐马尔可夫模型(HMM)是一种用于对时序数据进行建模和分析的概率模型，特别适用于具有一定的隐含结构和状态转移概率的数据。
在自然语言处理、语音识别、生物信息学等领域中，HMM都有着广泛的应用。
在本文中，我将向您介绍HMM的基本概念和原理，并共享如何使用Matlab来实现HMM模型。
1. HMM基本概念和原理隐马尔可夫模型是由隐含状态和可见观测两部分组成的，其中隐含状态是不可见的，而可见观测是可以被观测到的。
在HMM中，隐含状态和可见观测之间存在转移概率和发射概率。
通过这些概率，HMM可以描述一个系统在不同隐含状态下观测到不同可见观测的概率分布。
HMM可以用状态转移矩阵A和发射矩阵B来表示，同时也需要一个初始状态分布π来描述系统的初始状态。
2. Matlab实现HMM模型在Matlab中，我们可以使用HMM工具箱（HMM Toolbox）来实现隐马尔可夫模型。
我们需要定义系统的隐含状态数目、可见观测的数目以及状态转移概率矩阵A和发射概率矩阵B。
利用Matlab提供的函数，可以方便地计算出系统在给定观测下的概率分布，以及通过学习的方法来调整参数以适应实际数据。
3. 在Matlab中实现HMM模型需要注意的问题在实现HMM模型时，需要注意参数的初始化和调整，以及对于不同类型的数据如何选择合适的模型和算法。
在使用HMM模型对实际问题进行建模时，需要考虑到过拟合和欠拟合等问题，以及如何有效地利用HMM模型进行预测和决策。
总结通过本文的介绍，我们可以了解到隐马尔可夫模型在时序数据建模中的重要性，以及如何使用Matlab来实现HMM模型。
对于HMM的进一步学习和实践，我个人认为需要多实践、多探索，并结合具体应用场景来深入理解HMM模型的原理和方法。
在今后的学习和工作中，我相信掌握HMM模型的实现和应用将对我具有重要的帮助。
我会继续深入学习HMM模型，并将其运用到实际问题中，以提升自己的能力和水平。
以上是我对隐马尔可夫模型的个人理解和观点，希望对您有所帮助。
隐马尔可夫模型三个基本问题以及相应的算法
隐马尔可夫模型三个基本问题以及相应的算法一、隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)隐马尔可夫模型是一种统计模型，它描述由一个隐藏的马尔可夫链随机生成的不可观测的状态序列，再由各个状态生成一个观测而产生观测序列的过程。
HMM广泛应用于语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域。
二、三个基本问题1. 概率计算问题（Forward-Backward算法）给定模型λ=(A,B,π)和观察序列O=(o1,o2,…,oT)，计算在模型λ下观察序列O出现的概率P(O|λ)。
解法：前向-后向算法(Forward-Backward algorithm)。
前向算法计算从t=1到t=T时，状态为i且观察值为o1,o2,…,ot的概率；后向算法计算从t=T到t=1时，状态为i且观察值为ot+1,ot+2,…,oT的概率。
最终将两者相乘得到P(O|λ)。
2. 学习问题（Baum-Welch算法）给定观察序列O=(o1,o2,…,oT)，估计模型参数λ=(A,B,π)。
解法：Baum-Welch算法(EM算法的一种特例)。
该算法分为两步：E 步计算在当前模型下，每个时刻处于每个状态的概率；M步根据E步计算出的概率，重新估计模型参数。
重复以上两步直至收敛。
3. 预测问题（Viterbi算法）给定模型λ=(A,B,π)和观察序列O=(o1,o2,…,oT)，找到最可能的状态序列Q=(q1,q2,…,qT)，使得P(Q|O,λ)最大。
解法：Viterbi算法。
该算法利用动态规划的思想，在t=1时初始化，逐步向后递推，找到在t=T时概率最大的状态序列Q。
具体实现中，使用一个矩阵delta记录当前时刻各个状态的最大概率值，以及一个矩阵psi记录当前时刻各个状态取得最大概率值时对应的前一时刻状态。
最终通过回溯找到最可能的状态序列Q。
三、相应的算法1. Forward-Backward算法输入：HMM模型λ=(A,B,π)和观察序列O=(o1,o2,…,oT)输出：观察序列O在模型λ下出现的概率P(O|λ)过程：1. 初始化：$$\alpha_1(i)=\pi_ib_i(o_1),i=1,2,…,N$$2. 递推：$$\alpha_t(i)=\left[\sum_{j=1}^N\alpha_{t-1}(j)a_{ji}\right]b_i(o_t),i=1,2,…,N,t=2,3,…,T$$3. 终止：$$P(O|λ)=\sum_{i=1}^N\alpha_T(i)$$4. 后向算法同理，只是从后往前递推。
HMM 隐马尔科夫模型
HMM组成
Markov链 （, A）
状态序列 q1, q2, ..., qT
随机过程 （B）
观察值序列 o1, o2, ..., oT
HMM的组成示意图
10
HMM概念
采用HMM来描述语音过程的成功原因在于： • (1) 各状态驻留的时间是可变的，这样就很 好地解决了语音时变问题。 • (2) 模型参数是通过大量的训练数据进行统 计运算而得到的，因此不仅可以用于特定人识 别，而且可用于非特定人识别，这时，只要将 大量不同人的多次发音用作训练数据即可。
1 (i ) ibi (O1 ) 1 t T
t 1 ( j ) [ i (i )aij ]b j (Ot 1 ) 1 t T 1,1 j N
i 1
N
N
P(O / ) T (i )
i 1
48
前向法示意图
qN . qi . qj . . q1
t 1 ( qt*1 ), t T 1, T 2,...,1
52
Baum-Welch算法(模型训练算法)
• 目的：给定观察值序列O，通过计算确定一个模型 ， 使得P(O| )最大。 • 算法步骤：
1. 初始模型（待训练模型） 0, 2. 基于0 以及观察值序列O，训练新模型 ； 3. 如果 log P(X|) - log(P(X|0) < Delta，说明训练已经达到预期效果， 算法结束。 4. 否则，令0 ＝ ，继续第2步工作
j 1 ij
• 当Pij(m,m+n)与m无关时，称马尔科夫 链为齐次马尔科夫链，通常说的马尔科 夫链都是指齐次马尔科夫链。
6
由于模型本身是看不见的，即模型的状态不为外界所见，只能根据获得的数据推导 出来，所以称为隐马尔可夫模型。
经典的自然语言处理模型
经典的自然语言处理模型
1. 隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）
- HMM是一种基于状态转移概率和观测概率对序列进行分析
和预测的统计模型，常用于语音识别和自然语言处理中的分词、标注和语法分析等任务。
- HMM的基本思想是将待分析的序列看作是由一系列不可观
测的隐含状态和一系列可观测的输出状态组成的，通过观测状态推断隐含状态，从而实现对序列的分析和预测。
2. 最大熵模型（Maxent Model）
- 最大熵模型是一种用于分类和回归分析的统计模型，常用于
文本分类、情感分析、命名实体识别等自然语言处理任务中。
- 最大熵模型的核心思想是最大化熵的原则，即在满足已知条
件的前提下，使模型的不确定性最大化，从而得到最优的预测结果。
3. 支持向量机（Support Vector Machine，SVM）
- SVM是一种用于分类和回归分析的机器学习模型，常用于文本分类、情感分析、命名实体识别等自然语言处理任务中。
- SVM的基本思想是将特征空间映射到高维空间，通过寻找能够最大化不同类别之间的margin（间隔）的超平面来完成分
类或回归分析，从而实现优秀的泛化能力和低复杂度。
4. 条件随机场（Conditional Random Field，CRF）
- CRF是一种用于标注和序列预测的统计模型，常用于实体识别、词性标注、句法分析等自然语言处理任务中。
- CRF的基本思想是基于马尔可夫假设，采用条件概率模型来
表示序列中每个位置的标签和相邻位置的标签间的依赖关系，从而实现对序列的标注和预测。
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。
隐马尔可夫模型三个基本问题及算法
隐马尔可夫模型三个基本问题及算法隐马尔可夫模型(Hien Markov Model, HMM)是一种用于建模具有隐藏状态和可观测状态序列的概率模型。
它在语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域广泛应用，并且在机器学习和模式识别领域有着重要的地位。
隐马尔可夫模型有三个基本问题，分别是状态序列概率计算问题、参数学习问题和预测问题。
一、状态序列概率计算问题在隐马尔可夫模型中，给定模型参数和观测序列，计算观测序列出现的概率是一个关键问题。
这个问题通常由前向算法和后向算法来解决。
具体来说，前向算法用于计算给定观测序列下特定状态出现的概率，而后向算法则用于计算给定观测序列下前面状态的概率。
这两个算法相互协作，可以高效地解决状态序列概率计算问题。
二、参数学习问题参数学习问题是指在给定观测序列和状态序列的情况下，估计隐马尔可夫模型的参数。
通常采用的算法是Baum-Welch算法，它是一种迭代算法，通过不断更新模型参数来使观测序列出现的概率最大化。
这个问题的解决对于模型的训练和优化非常重要。
三、预测问题预测问题是指在给定观测序列和模型参数的情况下，求解最可能的状态序列。
这个问题通常由维特比算法来解决，它通过动态规划的方式来找到最可能的状态序列，并且在很多实际应用中都有着重要的作用。
以上就是隐马尔可夫模型的三个基本问题及相应的算法解决方法。
在实际应用中，隐马尔可夫模型可以用于许多领域，比如语音识别中的语音建模、自然语言处理中的词性标注和信息抽取、生物信息学中的基因预测等。
隐马尔可夫模型的强大表达能力和灵活性使得它成为了一个非常有价值的模型工具。
在撰写这篇文章的过程中，我对隐马尔可夫模型的三个基本问题有了更深入的理解。
通过对状态序列概率计算问题、参数学习问题和预测问题的深入探讨，我认识到隐马尔可夫模型在实际应用中的重要性和广泛适用性。
隐马尔可夫模型的算法解决了许多实际问题，并且在相关领域有着重要的意义。
隐马尔可夫模型是一种强大的概率模型，它的三个基本问题和相应的算法为实际应用提供了重要支持。
隐马尔可夫模型的原理
隐马尔可夫模型的原理隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）是一种用于建模时序数据的统计模型。
它在许多领域中都有广泛的应用，如语音识别、自然语言处理、生物信息学等。
本文将介绍隐马尔可夫模型的原理及其应用。
一、隐马尔可夫模型的基本概念隐马尔可夫模型由两个基本部分组成：状态序列和观测序列。
状态序列是一个随机变量序列，表示系统在不同时间点的状态；观测序列是与状态序列对应的观测值序列，表示在每个时间点观测到的数据。
隐马尔可夫模型的基本假设是马尔可夫性质，即当前状态只与前一个状态有关，与其他状态和观测无关。
这一假设使得隐马尔可夫模型具有简洁的表示和高效的计算。
二、隐马尔可夫模型的三个问题在隐马尔可夫模型中，有三个基本问题需要解决：状态序列问题、观测序列概率计算问题和参数估计问题。
1. 状态序列问题给定模型参数和观测序列，状态序列问题是要求找到最可能的状态序列。
这可以通过动态规划算法中的维特比算法来解决。
2. 观测序列概率计算问题给定模型参数和观测序列，观测序列概率计算问题是要求计算给定观测序列的概率。
这可以通过前向算法或后向算法来解决。
3. 参数估计问题给定观测序列，参数估计问题是要求估计模型参数。
这可以通过Baum-Welch算法（也称为EM算法）来解决。
三、隐马尔可夫模型的应用隐马尔可夫模型在许多领域中都有广泛的应用。
1. 语音识别隐马尔可夫模型在语音识别中被广泛应用。
语音信号可以看作是状态序列，而观测序列是对应的声学特征。
通过训练隐马尔可夫模型，可以实现对语音信号的识别和理解。
2. 自然语言处理隐马尔可夫模型在自然语言处理中也有重要的应用。
例如，可以将自然语言文本看作是状态序列，而观测序列是对应的词语或字符。
通过训练隐马尔可夫模型，可以实现对自然语言文本的分词、词性标注等任务。
3. 生物信息学隐马尔可夫模型在生物信息学中也有广泛的应用。
例如，可以将DNA 序列看作是状态序列，而观测序列是对应的碱基。
多变量隐马尔可夫模型
多变量隐马尔可夫模型多变量隐马尔可夫模型（Multivariate Hidden Markov Model，简称MHMM）是一种常用的统计模型，用于描述多个随机变量之间的概率关系。
它是隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，简称HMM）在多维空间中的扩展，广泛应用于语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域。
隐马尔可夫模型是一种用来描述状态序列和观测序列之间关系的概率模型。
在传统的HMM中，观测序列是一维的，即每个时刻只观测到一个状态。
而在多变量隐马尔可夫模型中，观测序列是多维的，即每个时刻观测到多个状态。
这种模型能够更准确地捕捉到多个变量之间的相关性，提高模型的表达能力和预测准确度。
在多变量隐马尔可夫模型中，有两个基本假设：观测序列和状态序列之间的条件独立性假设，以及状态转移概率和观测概率的马尔可夫性假设。
根据这两个假设，可以通过对观测序列的统计推断来估计模型的参数，进而进行状态预测和序列生成。
多变量隐马尔可夫模型由三个要素组成：初始状态概率向量、状态转移矩阵和观测概率矩阵。
初始状态概率向量表示模型在初始时刻各个状态的概率分布；状态转移矩阵表示模型在各个时刻状态之间转移的概率；观测概率矩阵表示模型在各个状态下观测到各个观测值的概率分布。
通过这些要素，可以计算出给定观测序列的概率，进而进行状态预测和序列生成。
在实际应用中，多变量隐马尔可夫模型常用于语音识别和自然语言处理。
在语音识别中，观测序列可以表示为一段语音信号的频谱特征序列，状态序列可以表示为对应的语音单元序列（如音素或音节）；在自然语言处理中，观测序列可以表示为一段文本的词向量序列，状态序列可以表示为对应的词性序列。
通过训练多变量隐马尔可夫模型，可以提高语音识别和自然语言处理的准确性和效率。
多变量隐马尔可夫模型是一种强大的统计模型，能够描述多个随机变量之间的概率关系。
它在语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域有着广泛的应用。
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HMM的应用(1)
词性标注 已知单词序列w1w2…wn，求词性序列c1c2…cn HMM模型： 将词性理解为状态 将单词理解为输出值 训练： 统计词性转移矩阵aij和词性到单词的输 出矩阵bik 求解： Viterbi算法
HMM的应用(2)
疾病分析 已知疾病序列w1w2…wn，求表征序列c1c2…cn对应状 态转移过程 HMM模型： 将每种疾病理解为状态 将输入的表征现象理解为输出值 训练： 统计从一种疾病转移到另一种疾病的转移 矩阵aij和某一疾病呈现出某一症状的概率 矩阵bik 求解： Viterbi算法
基本问题之三：学习问题
目的：给定观察值序列O，通过计算确定一个模型 ，使得P(O| )最大。 算法步骤： 1. 初始模型（待训练模型） 0 , 2. 基于0以及观察值序列O，训练新模型 0 ； 3. 如果 log P(X|) - log(P(X|0) < Delta ，说明训练已经 达到预期效果， 算法结束。 4. 否则，令0 ＝ ，继续第2步工作
无跨越模型符合人类的语音特点，广泛应 用于语音识别中。
有跨越用于反映音素在发音中可能被吸收 或删除的情况。
Two types of HMM
State-emission HMM (Moore machine):
The output symbol is produced by states:
M
A B
每个状态可能的观察值数 目
与时间无关的状态转移概 率矩阵 给定状态下，观察值概率 分布 初始状态空间的概率分布
彩球颜色数目
在选定某个缸的情况下， 选择另一个缸的概率 每个缸中的颜色分布 初始时选择某口缸的概率
HMM可解决的问题
评估问题：给定观察序列O=O1,O2,…OT,以及模型λ =(π，A， B), 如何计算P(O|λ)？ 算法：Forward-Backward算法 解码问题：给定观察序列O=O1,O2,…OT以及模型λ,如何选 择一个对应的状态序列S = q1,q2,…qT，使得S能够最为合理 的解释观察序列O？ 算法：Viterbi算法 学习问题：如何调整模型参数λ =(π，A，B),对于给定观测 值序列O=O1,O2,…OT，使得P(O|λ)最大？ 算法：Baum-Welch算法
Baum-Welch算法(续)
定义：
给定模型和观察序列条件下，从i到j的 转移概率定义为t (i, j )
t (i, j ) P( st i, st 1 j | X , ) t (i )aij b j (Ot 1 ) t 1 ( j )
(i)a b ( x
i 1 j 1 t ij j
N
N
t 1
) t 1 ( j )
t (i ) t (i, j ) t时刻处于状态Si的概率
j 1
N
t 1 T 1 t 1 t
T 1
t
(i ) 整个过程中从状态Si转出的次数(number of time)的预期
i j
(i, j ) 从S 跳转到S 次数的预期
隐马尔可夫模型 Hidden Markov model
目 录
HMM的历史 HMM的由来 HMM的表述 HMM的分类 HMM的应用
HMM的历史
70年代，由Baum等人创立HMM理论 80年代，由Bell实验室的Rabiner等人对HMM 进行了深入浅出的介绍 90年代，HMM被引入计算机文字识别和移 动通信核心技术“多用户的检测” 近年来，HMM在生物信息科学、故障诊断 等领域也开始得到应用
t ,Ot k
( j)
t
( j)
t t
i 当t＝ 时处于Si的概率 1 (i) 1
HMM结构
全连接 从左至右
无跨越 有跨越 并行
HMM认为语音按时间顺序，从相对稳定的 一段特性（状态）随机地过渡到另一段特 性，每个状态又随机地输出一个观察值。 HMM认为语音t+1时刻的状态由t时刻状态 的统计特性，即状态转移概率确定；这个 状态产生的输出亦为随机的，取决于该状 态生成语音观察量的概率。
时间和状态都离散的马尔可夫过程称为马尔可夫链 记作{Xn = X(n), n = 0,1,2,…}
在时间集T1 = {0,1,2,…}上对离散状态的过程相继观察的结果
链的状态空间记做I = {a1, a2,…}, ai∈R. 条件概率Pij ( m ,m+n)=P{Xm+n = aj|Xm = ai} 为马氏链在时 刻m处于状态ai条件下，在时刻m+n转移到状态aj的转移概 率。
最后得到一个描述球的颜色的序列O1,O2,…，称为 观察值序列O。
HMM实例——约束
在上述实验中，有几个要点需要注意：
不能被直接观察缸间的转移 从缸中所选取的球的颜色和缸并不是一一对应的 每次选取哪个缸由一组转移概率决定
HMM概念
HMM的状态是不确定或不可见的，只有通过观测 序列的随机过程才能表现出来 观察到的事件与状态并不是一一对应，而是通过 一组概率分布相联系 HMM是一个双重随机过程，两个组成部分： 马尔可夫链：描述状态的转移，用转移概率 描述。 一般随机过程：描述状态与观察序列间的关系， 用观察值概率描述。
马尔可夫链—转移概率矩阵
晴天 阴天 下雨
晴天
阴天
下雨
晴天
阴天
0.50
0.375
0.25
0.25
0.25
0.375
下雨
0.25
0.125
0.625
马尔可夫链—转移概率矩阵性质
由于链在时刻m从任何一个状态ai出发，到另一时 刻m+n，必然转移到a1，a2…，诸状态中的某一个， 所以有
P (m, m n) 1 i 1,2,...M
t (i) max P[q1q2 ...qt 1 , qt i, O1,O2,…Ot , | ]
q1 , q2 ,...qt 1
我们所要找的，就是T时刻最大的 表的那个状态序列
T (i) 所代
基本问题之二： Viterbi算法（续）
初始化： 递归：
1
(i ) i bi (O1 ), i N 1
Urn 3 Urn 2
Urn 1
Veil
Observed Ball Sequence
HMM实例——描述
设有N个缸，每个缸中装有很多彩球，球的颜色 由一组概率分布描述。实验进行方式如下
根据初始概率分布，随机选择N个缸中的一个开始实验 根据缸中球颜色的概率分布，随机选择一个球，记球 的颜色为O1，并把球放回缸中 根据描述缸的转移的概率分布，随机选择下一口缸， 重复以上步骤。
后向算法示意图：
t (i ) aijb j (Ot 1 ) t 1 ( j ) t T 1, T 2,...,1,1 i N
j 1 N
基本问题之二： Viterbi算法
目的：给定观察序列O以及模型λ,如何选择一 个对应的状态序列Q ，使得Q能够最为合理的 解释观察序列O？ N和T分别为状态个数和序列长度 定义：
初始化：
1 (i ) ibi (O1 ) t T 1 递归： N t 1 ( j ) [ i (i )aij ]b j (Ot 1 ) t T 1,1 j N 1
终结：
i 1
P (O / ) T (i )
i 1
Baum-Welch算法(续2)
参数估计：
: ˆ aij
Reestimate
expected count of transitions from i to j expected count of stays at i
t t
(i, j) (i, j)
t t j
expected number of times in state j and observing symbol k ˆ b j (k ) expected number of times in state j
P (O / )
所有 Q
P（O | ） P（O，Q | ） P（Q | ）
P (O / Q , ) P (Q / )
由此的复杂度：2T×NT,N=5, M=100, 计算 量10^72
基本问题之一：前向算法
定义前向变量
t (i ) P (O1 , O 2 , O t , q t i / ) t T 1
HMM的由来
马尔可夫性
马尔可夫链 隐马尔可夫模型
马尔可夫性
如果一个过程的“将来”仅依赖“现在” 而不依赖“过去”，则此过程具有马尔可 夫性,或称此过程为马尔可夫过程。由俄国 数学家A.A.马尔可夫与1907年提出。 X(t+1) = f( X(t) ) 现实中存在很多马尔可夫过程
马尔可夫链
N
复杂度：N2T
基本问题之一：前向后向算法
qN . qi . qj . . q1
tN ti aij aNj
t j1
a1j
t1
1
...
t
t+1
...
基本问题之一：后向算法
与前向法类似，只是递推方向不同. 定义后向变量
t (i ) P (Ot 1 , Ot 2 , OT , qt i / ) t T 1 1