当前位置：首页 > article >正文

【NLP冲吖~】二、隐马尔可夫模型（Hidden Markov model, HMM）

article 2024/11/20 4:22:17

0、马尔可夫模型

某一状态只由前一个状态决定，即为一阶马尔可夫模型；
状态间的转移依赖于前n个状态的过程，即为n阶马尔可夫模型

马尔科夫链：

如果 $S_{t+1}$ 只依赖于前一时刻 $S_t$ ，不依赖于 $S_1,...,S_{t-1}$ ，则称 ${S_1,S_2,...,S_T,...}$ 为马尔科夫链，这种性质叫做马尔可夫性。

$S_1, ...,S_{t-1},S_{t},S_{t+1}**$

$S_1, ...,S_{t-1}$ 表示过去； $S_t$ 表示现在； $S_{t+1}$ 表示未来。
马尔可夫性想告诉我们的是，未来只与现在有关，与过去无关。

马尔可夫模型定义：

存在一类重要的随机过程：如果一个系统有N个状态 $S_1$ , $S_2$ , $S_3$ ,…, $S_N$ ，随着时间的推移，该系统从一个状态转移到另一个状态。如果用 $q_t$ 表示系统在时间 $t$ 的状态变量，那么 $t$ 时刻的状态取值为 $S_j(1<=j<=N)$ 的概率取决于前 $t - 1$ 个时刻（1,2,3，…,t-1）的状态，该概率为：
$P(q_t = S_j | q_{t-1} = S_i, q_{t-2} = S_k, ...)$

1、假设一：如果在特定情况下，系统在时间t的状态下只与其在时间 $t - 1$ 的状态相关，则该系统构成一个离散的一阶马尔可夫链：
$P(q_t = S_j | q_{t-1} = S_i, q_{t-2} = S_k, ...) = P(q_t = S_j | q_{t-1} = S_i)$

2、假设二：如果只考虑独立于时间 $t$ 的随机过程，状态与时间无关，那么
$P(q_t = S_j | q_{t-1} = S_i) = a_ij$
其中 1<=i，j<N
即： $t$ 时刻状态的概率取决于前 $(t - 1)$ 个时刻（1,2,3，…,t-1）的状态，且状态的转移与时间无关，则该随机过程为马尔可夫模型。

马尔可夫模型的两个要素是初始状态分布和状态转移概率矩阵。

1、隐马尔可夫模型

在马尔可夫模型中，每个状态表示了一个可观察的事件，所以，马尔可夫模型又称为可视化马尔可夫模型（visibleMarkovmodel，VMM），这使得模型的适应性有所限制。

隐马尔可夫模型（HMM）就是为了解决这样的限制而产生的。在这样的情景下，系统中会有两组状态，一组是不可观察、隐藏的状态，另一种是可观察的状态。模型具体的状态序列是未知的，状态转移的概率是已知的。因此，该模型是一个双重随机过程，包括模型的状态转换和特定状态下可观察的事件的随机。

与马尔可夫模型相比，隐马尔可夫有三要素，分别是：
初始状态为 $I = (i_1, i_2, ..., i_T)$ ， $i_1$ 为第1个时刻的初始状态；
状态空间为 $Q = (q_1, q_2, ..., q_N)$ ，表示有N个状态可以相互转移；
由初始状态和状态空间可得初始状态分布
$Π = (π_1,π_2,...,π_N)$ ，其中 $π_i = P(i_1 = q_i)$ 【 $i_1$ 中的i与 $q_i$ 中的i含义不同】

状态转移矩阵 $A = [a_{11},...]$ ， $a_{11}$ 表示状态1到状态1的转换概率，A为N行N列的矩阵，每行之和为1。

观测空间为 $V = (v_1,v_2, ..., v_M)$ ，表示有M个观测状态；
观测状态为 $O = (O_1,O_2,...,O_T)$ ， $O_1$ 为初始观测状态。
观测概率矩阵 $B = [b_1(1),...]$ ， $b_1(1)$ 表示在第1个状态上得到第一个观测状态的概率。
$b_j(k) = P(O_t = v_k | i_t = q_j)$
B为N行M列的矩阵，每行之和为1。

2、算法

根据隐马尔可夫模型定义，可以将一个长度为T的观测序列 $O = (o_1,o_2,...,o_T)$ 的生成过程描述为以下算法：
输入：隐马尔可夫模型 λ = （A，B，π），观测序列长度T；
输出：观测序列O = (o_1,o_2,…,o_T);
（1）按照初始状态分布π产生状态 $i_1$ ;
（2）令t=1；
（3）按照状态 $i_t$ 的观测概率分布 $b_{i_t}(k)$ 生成 $o_t$ ;
（4）按照状态 $i_t$ 的状态转移概率分布{a_{i_t},i_{t+1}} 产生状态 $i_{t+1},i_{t+1}$ = 1,2,…,N；
（5）令 $t = t + 1$ ，如果 $t < T$ ，重复（3）-（5），否则，结束。