第八讲-隐马尔柯夫模型

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隐马尔可夫模型

隐马尔可夫模型

隐马尔可夫模型9
前向算法:
前向变量
α t ( i ) = P ( O1O 2 ... O t , q t = S i | λ )
1 2 t
给定模型的情况下,到时间t时输出观察序列为 O O ...O ,并 且时刻t的状态是S 的概率。
i
初始化:α 1 (i ) = π i bi (O1 ),1 ≤ i ≤ N 递推: α ( j ) = [∑ α (i)a ]b (O ),1 ≤ t ≤ T 1,1 ≤ 终止:
p ( B 1) = p ( B 2) = ... p(B
M
∑∑p a b
i =1 3 j =1 3 i ij
3
3
j1
∑∑p a b
i =1 j =1 i ij
j2
) =
∑∑p a b
i =1 j =1 i ij
3
3
jM
图中的HMM模型有3个隐状态S1、S2、S3,初始 分布概率为P=[p1,p2,p3];观察值空间有M个观察值 B=[B1,B2,…,BM],转移概率矩阵为
隐马尔可夫模型
演讲人:李慧子
内容提要
背景 马尔可夫性 马尔可夫链 隐马尔可夫模型
背景
自20世纪80年代以来,HMM被应用于语音识别,取 得重大成功。到了90年代,HMM还被引入计算机文 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。
马儿可夫性
j =1
t = T 1, T 2 ,..., 1 1≤ i ≤ N
终止:
P (O | λ ) =

N
β
i=1
1
(i)
隐马尔可夫模型11

隐马尔科夫模型(原理图解)ppt课件

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

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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
第10页/共85页
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
第32页/共85页
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
第33页/共85页
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

《隐马尔可夫模型》课件

《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

隐马尔可夫模型-完整

隐马尔可夫模型-完整

NLPLAB
19
分段K-均值算法
1、随机选个N个观察符号(每个符号用D维向量表示),将给定的T 个D维向量分配到上面N个观察符号中去(聚类),聚类的原则是将
T个中的每个向量分配到与自己欧氏距离最短的N个向量中的那个
向量中去。至此我们得到N个簇,每个簇代表一个状态。这个一开 始的聚类过程并不决定最后的HMM,而只是决定模型的训练次数。 2、计算起始概率和转移概率:
1i N
记忆回退路径: t(j)= arg max[ t-1(i) aij ] bj (Ot ), 2 t T ;1 i N
1i N
3.终结: QT= arg max[ T (i )]
1i N
P(QT ) max[ T (i )]
1i N
隐马尔科夫模型 Hidden Markov Model
NLPLAB
1
何为“隐”?
1. 如从四个盒子中各取一个球,开始从四个盒子随机选取一个盒子,从这 个盒子中随机抽出1个球,记录其颜色后,放回;然后从当前盒子随机 转移到下一个盒子,再取一个球;如此重复,直到取出四个球。这样可 以得到一个球的颜色的观测序列: 如:O={红,白,红,白},在这个过程中观察者只能观测到球的颜色 序列,观测不到球是从哪个盒子中取出的,即观测不到盒子的序列。 2. 如在词性标注这样的应用中,对于给定的要标注单词词性的一个句子, 我们看不到单词的词性,只能观察到每个单词,必须从单词序列去推断 正确的标记。我们说词性标注序列是隐藏的。
NLPLAB
22
NLPLAB
2
首先给出符号表示: Q=q1q2...qN 状态序列
A=a11a12...an1...ann 转移概率矩阵A,aij表示从状态i转移到状态j的概率 O=o1o2...oT B=bi(ot) 观测序列,o1表示在状态q1观测到o1 符号发射概率矩阵B,表示在状态i观测到ot的概率 初始状态, i表示初始状态为i的概率

隐马尔科夫模型在交通预测中的应用实践(八)

隐马尔科夫模型在交通预测中的应用实践(八)

隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种统计模型,常用于对序列数据进行建模和预测。

在交通领域,隐马尔科夫模型被广泛应用于交通流量预测、交通状态识别和路况预测等方面。

本文将介绍隐马尔科夫模型在交通预测中的应用实践。

一、隐马尔科夫模型简介隐马尔科夫模型是一种基于状态转移的动态随机过程模型,常用于对观测序列进行建模。

在隐马尔科夫模型中,系统的状态在时间序列上发生变化,但是这些状态是不可观测的,只能通过观测到的序列数据来进行推断。

模型假设系统处于某一状态时,会发出一个观测值,然后以一定的概率转移到下一个状态,同时再次发出观测值,如此循环。

隐马尔科夫模型由初始状态概率分布、状态转移概率矩阵和观测概率分布组成。

初始状态概率分布描述了系统在时间 t=1 时处于各个状态的概率,状态转移概率矩阵描述了系统从时间 t 到 t+1 时各个状态之间的转移概率,观测概率分布描述了系统在各个状态下观测到不同观测值的概率。

二、隐马尔科夫模型在交通流量预测中的应用在交通领域,隐马尔科夫模型被广泛应用于交通流量预测。

交通流量预测是交通管理和规划的重要任务之一,对于优化交通系统、减少交通拥堵具有重要意义。

隐马尔科夫模型能够对交通流量进行建模,并且通过对历史数据的学习,能够对将来的交通流量进行预测。

隐马尔科夫模型在交通流量预测中的应用一般包括以下几个步骤:首先,收集历史交通流量数据,包括时间、地点和交通流量等信息;然后,利用这些数据训练隐马尔科夫模型,得到模型的参数;最后,利用训练好的模型对未来的交通流量进行预测。

隐马尔科夫模型在交通流量预测中的优势在于能够充分利用历史数据,对交通流量的周期性和规律性进行建模,从而对未来的交通流量进行较为准确的预测。

此外,隐马尔科夫模型还能够处理数据中的噪声和不确定性,对于一些复杂的交通场景也能够进行有效的建模和预测。

三、隐马尔科夫模型在交通状态识别中的应用除了在交通流量预测中的应用,隐马尔科夫模型还被广泛应用于交通状态识别。

隐马尔可夫模型(有例子-具体易懂)课件

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)

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

隐马尔可夫模型

隐马尔可夫模型

隐马尔可夫模型维基百科,自由的百科全书跳转到:导航, 搜索隐马尔可夫模型状态变迁图(例子)x—隐含状态y—可观察的输出a—转换概率(transition probabilities)b—输出概率(output probabilities)隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model,HMM)是统计模型,它用来描述一个含有隐含未知参数的马尔可夫过程。

其难点是从可观察的参数中确定该过程的隐含参数。

然后利用这些参数来作进一步的分析,例如模式识别。

在正常的马尔可夫模型中,状态对于观察者来说是直接可见的。

这样状态的转换概率便是全部的参数。

而在隐马尔可夫模型中,状态并不是直接可见的,但受状态影响的某些变量则是可见的。

每一个状态在可能输出的符号上都有一概率分布。

因此输出符号的序列能够透露出状态序列的一些信息。

目录[隐藏]∙ 1 马尔可夫模型的演化∙ 2 使用隐马尔可夫模型o 2.1 具体实例o 2.2 隐马尔可夫模型的应用∙ 3 历史∙ 4 参见∙ 5 注解∙ 6 参考书目∙7 外部连接[编辑]马尔可夫模型的演化上边的图示强调了HMM的状态变迁。

有时,明确的表示出模型的演化也是有用的,我们用x(t1)与x(t2)来表达不同时刻t1和t2的状态。

在这个图中,每一个时间块(x(t), y(t))都可以向前或向后延伸。

通常,时间的起点被设置为t=0 或t=1.另外,最近的一些方法使用Junction tree算法来解决这三个问题。

[编辑]具体实例假设你有一个住得很远的朋友,他每天跟你打电话告诉你他那天作了什么.你的朋友仅仅对三种活动感兴趣:公园散步,购物以及清理房间.他选择做什么事情只凭天气.你对于他所住的地方的天气情况并不了解,但是你知道总的趋势.在他告诉你每天所做的事情基础上,你想要猜测他所在地的天气情况.你认为天气的运行就像一个马尔可夫链.其有两个状态 "雨"和"晴",但是你无法直接观察它们,也就是说,它们对于你是隐藏的.每天,你的朋友有一定的概率进行下列活动:"散步", "购物", 或 "清理".因为你朋友告诉你他的活动,所以这些活动就是你的观察数据.这整个系统就是一个隐马尔可夫模型HMM.你知道这个地区的总的天气趋势,并且平时知道你朋友会做的事情.也就是说这个隐马尔可夫模型的参数是已知的.你可以用程序语言(Python)写下来:states = ('Rainy', 'Sunny')observations = ('walk', 'shop', 'clean')start_probability = {'Rainy': 0.6, 'Sunny': 0.4}transition_probability = {'Rainy' : {'Rainy': 0.7, 'Sunny': 0.3},'Sunny' : {'Rainy': 0.4, 'Sunny': 0.6},}emission_probability = {'Rainy' : {'walk': 0.1, 'shop': 0.4, 'clean': 0.5},'Sunny' : {'walk': 0.6, 'shop': 0.3, 'clean': 0.1},}在这些代码中,start_probability代表了你对于你朋友第一次给你打电话时的天气情况的不确定性(你知道的只是那个地方平均起来下雨多些).在这里,这个特定的概率分布并非平衡的,平衡概率应该接近(在给定变迁概率的情况下){'Rainy': 0.571, 'Sunny': 0.429}< transition_probability表示基于马尔可夫链模型的天气变迁,在这个例子中,如果今天下雨,那么明天天晴的概率只有30%.代码emission_probability表示了你朋友每天作某件事的概率.如果下雨,有 50% 的概率他在清理房间;如果天晴,则有60%的概率他在外头散步.这个例子在Viterbi算法页上有更多的解释。

《隐马尔可夫模型》课件

《隐马尔可夫模型》课件

C R F 常用在文本分类、句法分析、命名实体识别等 领域。
HMM的局限性和改进方法
1
截断、尾部效应
加入上下文信息,使用长短时记忆网络。
2
自适应马尔可夫链
使用观测序列预测假设的状态转移矩阵。
3
深度学习方法
使用神经网络建立序列到序列的映射关系,消除符号表示造成的信息损失。
总结
HMM模型的优缺点
HMM模型可以识别长时序列,具有较好的泛化 性,但是对许多情况会做出错误HMM将会在自然语言处理、语音识别、图像识 别等领域继续发挥重要作用。
参考文献
• 《统计学习方法》- 李航 • 《Python自然语言处理》- 谢益辉 • 《深度学习》- Goodfellow等
附录
最近,HMM被用于音乐生成,允许他们生成具有旋律的曲子,相信HMM会在越来越多的领域展现其重要性。
隐马尔可夫模型PPT课件
在本课件中,我们将一起了解隐马尔可夫模型的基本概念,算法和应用领域。 无论您是机器学习新手,还是专业人士,这份PPT都能帮助您了解隐马尔可夫 模型的关键要素。
隐马尔可夫模型概述
隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是 一种用于描述动态系统的概率模型。
马尔可夫假设
HMM 假设未来的状态只与当前状态有关,与历史状态无关,即是一个马尔可夫过程。
HMM的基本问题
1 问题1:给出模型和观测序列,如何计算观测序列出现的 概率?
通过前向,后向算法,或者前向-后向算法计算观测序列出现的概率。
2 问题2:给出模型和观测序列,如何预测其中的状态序列?
通过维特比算法预测概率最大的状态序列。
3 问题3:给出模型和观测序列,如何调整模型数使其最优?

《隐马尔科夫模型》课件

《隐马尔科夫模型》课件

定义
HMM由观察序列和未知的隐含状态序列组成,可以用于概率计算、状态序列预 测、模型参数学习。
3
三个问题
一、概率计算:给定模型和观察序列,计算该序列的概率。二、状态序列预测: 已知观察序列和模型,预测未知的状态序列。三、模型参数学习:已知观察序列, 使得该序列下的模型参数最优。
模型
结构
HMM由初始状态概率、状态转移 概率和观测概率构成。
学习HMM模型
从有标注数据中学习模型参数, 用于词性标注等任务。
估计HMM模型
从无标注数据中估计模型参数, 用于关键词检测等任务。
实例
HMM在词性标注中的 应用
可以将不同词性看做不同的 隐状态,对未知词性的单词 进行标注。
HMM在语音识别中的 应用
将语音信号看作观察序列, 将不同的词语看作不同的状 态,进行识别。
隐马尔科夫模型
本课程将介绍隐马尔科夫模型的原理、应用和实例。
简介
1 什么是隐马尔科模型?
一种统计模型,用于描述含有隐含未知参数 的马尔科夫过程。
2 HMM的应用场景
语音识别、手写识别、自然语言处理、计算 机视觉等领域。
原理
1
马尔科夫过程
一种基于概率的状态转移模型,下一个状态仅与当前状态有关。
2
HMM在自然语言处理 中的应用
用于语言模型的建立、文本 分类、信息抽取等任务。
总结
1 HMM的优缺点
优点:模型表达能力强,能够处理一些复杂的实际问题。缺点:模型参数估计不够准确, 容易出现过拟合。
2 HMM的未来发展方向
结合深度学习等新技术,提高模型准确性和泛化性能。

隐马尔可夫模型课件

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(课堂PPT)

隐马尔可夫模型(课堂PPT)

骰子作弊问题模型化: 作弊问题由 5 个部分构成:
(1)隐状态空间 S (状态空间):
S {正常骰子A,灌铅骰子 B} ,赌场具体使用哪个骰子,赌 徒是不知道的。 (2)观测空间 O :O {1,2,3,4,5,6}。正常骰子 A 和灌铅骰 子 B 的所有六个面可能取值。
.
14
(3)初始状态概率空间 :
❖ 马尔可夫模型的观测序列本身就是 状态序列;
❖ 隐马尔可夫模型的观测序列不是状 态序列;
.
9
引例2
设有N个篮子,每个都装了许多彩色小球, 小球颜色有M种.现在按下列步骤产生出一个输 出符号(颜色)序列:按某个初始概率分布,随机 的选定一个篮子,从中随机地取出一个球,记 录球的颜色作为第一个输出符号,并把球放回 原来的篮子.然后按照某个转移概率分布(与当 前篮子相联系)选择一个新的篮子(也可能仍停 留在当前篮子),并从中随机取出一个球,记下 颜色作为第二个输出符号.
.
10
如此重复地做下去,这样便得到一个输出序列. 我们能够观测到的是这个输出序列—颜色符号 序列,而状态(篮子)之间的转移(状态序列)被隐 藏起来了.每个状态(篮子)输出什么符号(颜色)是 由它的输出概率分布(篮子中彩球数目分布)来随 机决定的.选择哪个篮子(状态)输出颜色由状态 转移矩阵来决定.
a11
a22
1 a31
a12
a21
a13
a32
2 a23
3
a33 .
7
O(o1o2..o.T)(HHH.T.T.H ) HT
❖ 每个硬币代表一个状态; ❖每个状态有两个观测值: 正面 H 和反面 T; ❖ 每个状态产生H的概率:P(H); ❖ 每个状态产生T的概率为:1-P(H)

隐马尔可夫模型及其应用课件

隐马尔可夫模型及其应用课件

观测
观测是系统状态的可见输出,它们是由隐藏 状态生成的。
发射概率
描述在给定隐藏状态下生成观测的概率。
模型的参数
初始状态概率
隐藏状态的初始概率分布。
转移概率矩阵
描述隐藏状态之间转移的概率矩阵。
发射概率矩阵
描述在给定隐藏状态下生成观测的概率矩阵。
状态序列长度
隐藏状态序列的长度,通常根据具体问题确定。
02 隐马尔可夫模型的算法
隐马尔可夫模型及其应用课件
目录
CONTENTS
• 隐马尔可夫模型简介 • 隐马尔可夫模型的算法 • 隐马尔可夫模型的应用 • 隐马尔可夫模型的优缺点 • 隐马尔可夫模型的发展趋势与展望
01 隐马尔可夫模型简介
CHAPTER
定义与特性
隐马尔可夫模型(HMM)是一种统计模型,用于描述一个不可观测的马尔可夫过 程,也就是隐藏状态序列。
CHAPTER
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,从初始状态到结束状态的 所有可能路径的概率。
后向算法
用于计算给定观察序列和模型参 数下,从结束状态到初始状态的 所有可能路径的概率。
维特比算法
• 维特比算法:是一种高效的寻找最大概率路径的算法,通过 动态规划的方式,在每个状态转移时选择概率最大的转移。
在生物信息学中的应用
基因序列分析
在生物信息学中,隐马尔可夫模 型被用于基因序列分析,如预测 基因结构、识别基因启动子等。 通过训练模型,可以学习基因序 列的统计特性,从而进行基因相 关的分析和预测。
蛋白质序列分析
隐马尔可夫模型也被应用于蛋白 质序列分析,如蛋白质二级结构 预测、蛋白质家族分类等。通过 分析蛋白质序列的统计规律,隐 马尔可夫模型能够提供对蛋白质 结构和功能的深入理解。

隐马尔可夫模型

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 — — — — —
2 0.6 0.4 — — — — —

隐马尔可夫模型简介PPT课件

隐马尔可夫模型简介PPT课件
ΩX = {q1,...qN}:状态的有限集合 ΩO = {v1,...,vM}:观察值的有限集合 A = {aij},aij = p(Xt+1 = qj |Xt = qi):转移概率 B = {bik},bik = p(Ot = vk | Xt = qi):输出概率 π = {πi}, πi = p(X1 = qi):初始状态分布

症状(观察值):发烧,咳嗽,咽喉肿痛,流涕 疾病(状态值):感冒,肺炎,扁桃体炎 转移概率:从一种疾病转变到另一种疾病的概率 输出概率:某一疾病呈现出某一症状的概率 初始分布:初始疾病的概率 解码问题:某人症状为:咳嗽→咽喉痛→流涕→发烧
请问:其疾病转化的最大可能性如何?
2020/10/13
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算法:向前算法(一)
P ( O |) P ( O , X |) P ( X |) P ( O |X ,)
X T
P(X| )X1 aXi1Xi i2
X
T
P(O|X,) bXiO i i1
定义前向变量为HMM在时间t输出序列O1…Ot, 并且位于状态Si的概率:
t( i ) P ( O 1 O t,X t q i|)
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例子:词性标注
问题:
已知单词序列w1w2…wn,求词性序列c1c2…cn
HMM模型:
将词性为理解为状态 将单词为理解为输出值
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
2020/10/13
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应用
语音识别 音字转换 词性标注(POS Tagging) 组块分析 基因分析 一般化:任何与线性序列相关的现象
2020/10/13
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问题

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。

隐马尔科夫模型教学PPT

隐马尔科夫模型教学PPT

隐马尔科夫模型可以用五个元素来描述
λ=(N , M, A, B, π )
其中:
N= {q1,...qN}:状态的有限集合,隐状态的数目 M = {v1,...,vM}:观察值的有限集合,可能的观测值 A = {aij},aij = p(Xt+1 = qj |Xt = qi):状态转移概率 B = {bik},bik = p(Ot = vk | Xt = qi):观察值状态分布 π = {πi}, πi = p(X1 = qi):初始状态空间概率分布
状态转移概率矩阵
隐马尔科夫概括和简介
• 隐马尔可夫模型是马尔可夫链的一种,它的状态不能直接 观察到,但能通过观测向量序列观察到,每个观测向量都 是通过某些概率密度分布表现为各种状态,每一个观测向 量是由一个具有响应概率密度分布的状态序列产生。所以, 隐马尔可夫模型是一个双重随机过程 ----具有一定状态数 的隐马尔可夫链和显示随机函数集。自20世纪80年代以来, HMM被应用于语音识别,取得重大成功。到了90年代, HMM还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。
Reestimate :
aˆij

expected count expected
of transitions from count of stays at i
i
to
j
t (i, j)
t
t (i, j)
tj
bˆj (k) expected
number of times in state j and observing expected number of times in state j
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N α t +1 ( j ) = ∑ α t (i ) aij b j (Ot +1 ), i =1 1 ≤ t ≤ T − 1, 1 ≤ j ≤ N.
– Termination
P (O | λ ) = ∑ α T (i )
i =1 N
– Complexity: O(TN2)
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P(Q λ ) = π q1 aq1q2 aq2q3 ⋯ aqT −1qT
Markov chain of states
– Complexity: O(2TNT)!
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• Evaluation: Forward Procedure
– Define forward variable α t (i ) = P(O1O2 ⋯ Ot , qt = Si | λ ) – Initialization α1 (i ) = π i bi (O1 ), 1 ≤ i ≤ N – Induction
• Sequential (Temporal) Pattern
– Variable length – Distortion – Ambiguous boundary between primitives (symbols)
• Dynamic Time Warping (DTW)
– – – – – Dynamic programming (DP) Tolerant to distortion Computation considerable Model learning non-trivial Suitable for small sample
e.g. 1245526462146146136136661664661636616366163616515615115146123562344 F L F
• Training problem: How “loaded” works? How “fair” works? How often does transitions fair ↔ loaded?
• Evaluation problem: How likely is this sequence, given our model of how the casino works? e.g. P(O|λ)= 1.3 x 10-35 • Decoding problem: What portion of O was generated with the fair die, and what portion with the loaded die?
P(q1 = F ) e.g. 1 π= = P(q1 = L) 1 2 2
F
0.05
L
Given: O=1234561626364656 Infer: Is the loaded die used? Further, where did it roll?
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• Three Basic Problems of HMM
• Observations: temperature, humidity • Hidden states: weather
– Hidden Markov Model (HMM): Doubly embedded stochastic process O O
1 2
OT
P(O1,O2,…,OT) P(q1,q2,…,qT) • Infer states from observations
• Evaluation: Backward Procedure
– Define backward variable βt (i ) = P(Ot +1 ,⋯ , OT | qt = Si , λ ) – Initialization βT (i ) = 1, 1 ≤ i ≤ N – Induction
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• Probabilistic: Hidden Markov Model (HMM)
Markov Chain
• Sequence of States
P (q1q2 ⋯ qT ) = P (q1 ) P (q2 | q1 ) P(q3 | q1q2 )⋯ P (qT | q1 ⋯ qT −1 )
qt ∈ {S1 ,… S N }
0.95 P(1): 1/6 P(2): 1/6 P(3): 1/6 P(4): 1/6 P(5): 1/6 P(6): 1/6 0.05 0.95 P(1): 1/10 P(2): 1/10 P(3): 1/10 P(4): 1/10 P(5): 1/10 P(6): 1/2
0.05
Fair die
• Example: Transition of Weather
State 1: rain or (snow) State 2: cloudy State 3: sunny
0.4 0.3 0.3 A = {aij } = 0.2 0.6 0.2 0.1 0.1 0.8
– N=2, S={ S1=F, S2=L } – M=6, V={1, 2, 3, 4, 5, 6} – Transition probability distribution
P( F | F ) P( F | L) 0.95 0.05 A= = P L F P L L ( | ) ( | ) 0.05 0.95
e.g. 1245526462146146136136661664661636616366163616515615115146123562344
0.95 F
0.05 L 0.05
0.95
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Evaluation Problem
• Given model λ = ( A, B, π) and observation sequence O=O1O2…OT, compute P (O | λ )
– Direct computation
P(O λ ) = =
∑ P(O | Q, λ )P(Q | λ )
all Q

q1 ,q2 , ..., qT
T
π q bq (O1 )aq q bq (O2 )⋯ aq
1 1 1 2 2
T −1qT
bqT (OT )
P(O Q, λ ) = ∏ P(Ot | qt , λ ) Conditional t =1 independence = bq1 (O1 )bq2 (O2 )⋯bqT (OT )
π i = P (q1 = Si ), 1 ≤ i ≤ N
• Concrete Example
– Occasionally dishonest casino
• One die is fair • Another is loaded (unfair): biased to six
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• HMM for Dishonest Casino λ = ( A, B, π)
5
Expected number of days for sunny and cloudy?
Hidden Markov Model (HMM)
• Markov Chain: States are Observable • Hidden States: An Example
– Imagine you are in a un-windowed room, cannot see the weather outside. Instead, you can guess the weather from the temperature and humidity in room
中科院自动化所博士生模式识别课程讲义
隐马尔柯夫模型(HMM)
2010年5月18日 刘成林
Outline
• • • • • • • Sequential Pattern Recognition Markov Chain and HMM Three Basic Problems of HMM Types of HMMs Implementation Issues Application to Speech Recognition Extensions
q1
q2
qT
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qi∈{S1,S2,…,SN}
• Elements of an HMM
λ = ( A , B, π )
– N: number of states in the model, S={S1,S2,…,SN} – M: number of observation symbols, V={v1,v2,…,vM} – State transition probability distribution A={aij}
– Problem 1 (Evaluation):
How to efficiently compute the probability of observation sequence P(O|λ) (训练中要用到) 模式识别的 关键步骤
– Problem 2 (Decoding):
How to choose the best state sequence responding to an observation sequence
1 2 3 d d+1
P(O | Model, q1 = Si ) = (aii ) d −1 (1 − aii ) = pi (d )
– Expected duration of specific state ∞
di = ∑ d pi (d )
d =1
= ∑ d (aii )
d =1

d −1
1 (1 - aii ) = 1 − aii
– Problem 3 (Training):
How to estimate the model parameters
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