隐马尔科夫
隐马尔科夫
隐马尔科夫隐马尔可夫模型（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。
马尔可夫过程（Markov process）是一类随机过程。
它的原始模型马尔可夫链，由俄国数学家A.A.马尔可夫于1907年提出。
该过程具有如下特性：在已知目前状态（现在）的条件下，它未来的演变（将来）不依赖于它以往的演变 ( 过去 ) 。
Generating Patterns有两种生成模式：确定性的和非确定性的。
确定性的生成模式：就好比日常生活中的红绿灯，我们知道每个灯的变化规律是固定的。
我们可以轻松的根据当前的灯的状态，判断出下一状态。
非确定性的生成模式：比如说天气晴、多云、和雨。
与红绿灯不同，我们不能确定下一时刻的天气状态，但是我们希望能够生成一个模式来得出天气的变化规律。
我们可以简单的假设当前的天气只与以前的天气情况有关，这被称为马尔科夫假设。
虽然这是一个大概的估计，会丢失一些信息。
但是这个方法非常适于分析。
n阶马尔科夫模型马尔科夫过程就是当前的状态只与前n个状态有关。
这被称作n阶马尔科夫模型。
最简单的模型就当n=1时的一阶模型。
就当前的状态只与前一状态有关。
下图是所有可能的天气转变情况：区别非确定型和确定性生成模式的区别，这里我们得到的是一个概率模型.转移概率对于有M个状态的一阶马尔科夫模型，共有M*M个状态转移。
每一个状态转移都有其一定的概率，我们叫做转移概率，所有的转移概率可以用一个矩阵表示。
在整个建模的过程中，我们假设这个转移矩阵是不变的。
该矩阵的意义是：如果昨天是晴，那么今天是晴的概率为0.5，多云的概率是0.25，雨的概率是0.25。
注意每一行和每一列的概率之和为1。
初始概率另外，在一个系统开始的时候，我们需要知道一个初始概率，称为向量。
到现在，我们定义的一个一阶马尔科夫模型，包括如下概念：状态：晴、多云、雨状态转移概率初始概率马尔科夫模型也需要改进！崔晓源翻译当一个隐士不能通过直接观察天气状态来预测天气时，但他有一些水藻。
隐马尔科夫模型(原理图解)
• 下时期状态只取决于当前时期状态和转移概率 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 )
qt-1
t-1时 刻
3
qt
t时刻
q1 q2 q3 … qt-1
T=1 T=2 T=3
t-1时 刻
qt
t 时刻
S1
隐
藏
S2
)
aa2102 S2
S1
a11 S1 a12 2 ( 2 )
S2
a21
S1
S2
a22 aa0233
1(3) S3
S2
a22 a23
2 (3) S3
S2
SaN0a5aN014aaNNN2
1(4 S4
)
S3
a32 2 ( 4 ) a33 S4
SN
1(5)
O1
S5 O2
2 (5) S5 O3
3 (1 ) t=T-
S1
a11 a12
t=3
t=4
t=5
SS11
a11 a12
SS11
a11 a12
a21
SS22 a22
S2 a22
S2 a22
S2 a22
SS22
a23
a23
a23
a23
a31 a32
a32
a32
a32
S3 a33
SS33 a33
S3
a33
S3 a33
S3
I-隐藏状态
b2(Q3)
Q2
…
…
…
…
…
QM
QM
QM
…
QM
HMM-简介
P(O | λ) = ∑ β1 (i) i =1
解码问题—Viterbi算法
Viterbi算法采用动态规划算法。复杂度为O(K 2L) 。其中 K和 L分别为状态个数和序列长
度。
定义δ t (i )
=
max
q1,q2 ,...qt−1
P[q1 q2 ...qt−1 , qt
=
i, O1,O2,…Ot ,
3） 终止：
N
P(O | λ ) = ∑α T (i) i=1
其中递推是整个算法的核心。 后向算法和前向算法性质上是一样的，只是递推方向不同。定义后向变量：
β t (i) = P(Ot +1Ot +1...OT | qt = Si ,λ )
也就是给定模型参数，当时刻 t的状态是Si 的时候，从时刻 t＋1到序列结束的输出观察序
对于 HMM 模型，其的状态转换过程是不可观察的，因而称之为“隐”马尔可夫模型。
HMM定义
1) X代表一组状态的集合,其中 X = {S1, S2,..., SN } ，状态数为 N,并用qt 来表示 t时刻的 状态。虽然状态是隐藏的，但对于很多应用来说，有一些物理的意义都和状态或者状态 集相关。状态内部的联系就是从一个状态可以到其它状态。
集合的元素作为混合高斯模型的分量，实现的是带隐变量的
最大似然估计。
的 HMM，可能有aij ＝0（对于一对或多对 i，j）。
4) 状态 j的观察概率分布 B = {b j (k)} ，表示状态 j输出相应观察值的概率，其中
bj (k )
=
P{O t
= Vk
|q t
=
S },1 ≤ j
j
≤
N
1≤k ≤ M 。
隐马尔可夫模型的基本用法
隐马尔可夫模型的基本用法隐马尔可夫模型（HiddenMarkovModel，HMM）是一种用于描述随机过程的概率模型，它在自然语言处理、语音识别、生物信息学、金融分析等领域得到了广泛应用。
本文将介绍隐马尔可夫模型的基本概念、数学表达、参数估计、解码算法等内容，希望对读者理解和应用该模型有所帮助。
一、隐马尔可夫模型的基本概念隐马尔可夫模型是一个二元组（Q, O, A, B, π），其中：Q = {q1, q2, …, qN}是状态集合，表示模型中可能出现的所有状态；O = {o1, o2, …, oT}是观测集合，表示模型中可能出现的所有观测；A = [aij]是状态转移矩阵，其中aij表示从状态i转移到状态j的概率；B = [bj(k)]是观测概率矩阵，其中bj(k)表示在状态j下观测到k的概率；π = [πi]是初始状态概率向量，其中πi表示模型开始时处于状态i的概率。
隐马尔可夫模型的基本假设是：每个时刻系统处于某一状态，但是我们无法观测到该状态，只能观测到该状态下产生的某个观测。
因此，我们称该状态为隐状态，称观测为可观测状态。
隐马尔可夫模型的任务就是根据观测序列推断出最有可能的隐状态序列。
二、隐马尔可夫模型的数学表达隐马尔可夫模型的数学表达可以用贝叶斯公式表示：P(O|λ) = ∑Q P(O|Q, λ)P(Q|λ)其中，O表示观测序列，Q表示隐状态序列，λ表示模型参数。
P(O|Q, λ)表示在给定隐状态序列Q和模型参数λ的条件下，观测序列O出现的概率；P(Q|λ)表示在给定模型参数λ的条件下，隐状态序列Q出现的概率。
P(O|λ)表示在给定模型参数λ的条件下，观测序列O出现的概率。
根据贝叶斯公式，我们可以得到隐状态序列的后验概率：P(Q|O,λ) = P(O|Q,λ)P(Q|λ)/P(O|λ)其中，P(O|Q,λ)和P(Q|λ)可以通过模型参数计算，P(O|λ)可以通过前向算法或后向算法计算。
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
隐马尔可夫过程
隐马尔可夫过程1. 引言隐马尔可夫过程（Hidden Markov Model, HMM）是一种用于建模时序数据的概率图模型。
它在自然语言处理、语音识别、生物信息学等领域得到广泛应用。
隐马尔可夫过程以两个基本假设为前提：1）当前状态只与前一个状态有关；2）当前观察结果只与当前状态有关。
本文将介绍隐马尔可夫过程的基本概念、数学模型、算法推导以及应用案例。
2. 隐马尔可夫过程的基本概念隐马尔可夫过程由状态序列和观察序列两部分组成。
状态序列表示系统内部的状态演化过程，观察序列表示在各个状态下的可见观察结果。
隐马尔可夫过程包括以下几个基本概念：2.1 隐藏状态隐藏状态是指系统内部的未知状态，对外不可见。
隐马尔可夫过程假设隐藏状态满足马尔可夫性质，即当前状态只与前一个状态有关。
常见的例子包括天气的状态（晴、阴、雨）等。
2.2 观察结果观察结果是可以观测到的外部表现，反映了隐藏状态的一部分信息。
观察结果与隐藏状态之间存在关联关系，但观察结果并不能完全确定隐藏状态。
在天气的例子中，观察结果可以是人们对天空的直接观察，如晴朗的天空、阴沉的天空等。
2.3 转移概率转移概率是指在给定隐藏状态的条件下，从一个隐藏状态转移到另一个隐藏状态的概率。
转移概率表示了隐藏状态之间的演化关系。
在天气的例子中，转移概率可以表示为从晴天到阴天、从阴天到雨天等的概率。
2.4 发射概率发射概率是指在给定隐藏状态的条件下，产生某个观察结果的概率。
发射概率表示了隐藏状态与观察结果之间的关联关系。
在天气的例子中，发射概率可以表示为在不同天气状态下，观察到某种天空情况的概率。
3. 隐马尔可夫过程的数学模型隐马尔可夫过程可以用数学模型来描述。
其数学模型包括隐藏状态、观察结果、转移概率和发射概率四个要素。
3.1 隐藏状态集合隐藏状态集合表示所有可能的隐藏状态，用S表示。
在天气的例子中，S可以表示为{晴天，阴天，雨天}。
3.2 观察结果集合观察结果集合表示所有可能的观察结果，用O表示。
《隐马尔可夫模型》课件
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
隐马尔科夫模型
1.0 骰子A
1: 1/6
2: 1/6 3: 1/6 4: 1/6 5: 1/6 6: 1/8
0
3: 1/8
4: 3/16
5: 3/16
6: 3/8
0.2
HMM将两个序列相联系起来：
1. 由离散隐状态组成的状态序列(路径)
Q = (q1,…,qT), 每个qt∈S均是一个状态
… 124552646214614613613666166466163661636616361651561511514612356234
问题 1 – 评估问题
给定
一个骰子掷出的点数记录
124552646214614613613666166466163661636616361651561511514612356234
i=N i=N-1
α(t,i)
i=5
i=4
i=3
i=2
i=1 t=1 t=2 t=3 t=4 t=5 t=6 t=7 t=T-1 t=T
前向算法过程演示
i=N
1. 初始化
i=N-1
2. α(1,i)=π(i)b(i,o1)
i=5
i=4
i=3
i=2
i=1 t=1 t=2 t=3 t=4 t=5 t=6 t=7 t=T-1 t=T
前向算法过程演示
i=N i=N-1 i=5 i=4 i=3 i=2 i=1
t=1 t=2 t=3 t=4 t=5 t=6 t=7 t=T-1 t=T
前向算法过程演示
i=N i=N-1 i=5 i=4 i=3 i=2 i=1
t=1 t=2 t=3 t=4 t=5 t=6 t=7 t=T-1 t=T
3.学习问题
• 给定一系列观察序列样本, 确定能够产生出这些序列的模 型 =(π, A, B)
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隐马尔科夫模型
1.隐马尔科夫模型的定义及相关术语
定义：隐马尔科夫模型是关于时序的模型，其描述一个隐藏的马尔科夫链随机生成不可观测的随机状态序列，再由各个状态生成一个观测，从而生成可观测的随机序列的过程。
状态序列：隐藏的马尔科夫链随机生成状态序列；
观测序列：每一个状态可以生成一个观测，则状态序列可以生成观测序列。
模型参数：隐马尔科夫模型有三个参数：初始概率分布π，状态转移概率分布A，观测概率分布B。
2隐马尔科夫模型建立基于的假设
（1）齐次马尔科夫性假设。
隐藏的马尔科夫链在任意时刻t的状态只依赖于其前一刻的状态，与其他时刻的状态和观测无关，也与t时刻无关。
（2）观测独立性假设。
任意时刻的观测只与本时刻的状态有关，与其他状态及观测无关。
3隐马尔科夫的三个问题
（1）概率计算问题。
给定隐马尔科夫模型λ=（π，A，B）和观测序列O，计算在该模型下，该观测序列出现的概率。
（2）学习问题。
隐马尔科夫模型参数的学习。
给定观测序列，估计模型λ=（π，A，B）的参数，使得在该模型下该观测序列出现的概率最大。
（3）预测问题。
给定模型参数和观测序列，求最有可能的状态序列。
4.概率计算
前向计算和后向计算。
<统计学习方法>P177有例子。
5.学习算法
（1）监督学习。
根据观测序列和状态序列组合。
采用极大似然的思想估计状态转移概率：
^1a =ij
ij N j A Aij
=∑
其中，ij A 表示训练集中状态i 转移到状态j 中频数。
同样可以得到，状态为j 观测为k 的概率：
^1jk
ij M jk
k B b A
==∑ （2）非监督学习方法。
当我们只知道观测序列O 而不知道状态序列I 时，可以将状态序列I 看做隐变量，从而采用EM 算法进行求解,则我们要求解的目标是：
(|)(|,)(|)I
P O P O I P I λλλ=∑
EM 算法的E 步：
Q 函数： 其中(,|)(|,)|P I O P I O P λλλ---=
（O ），因为分母为常数，所以省略。
即上式仍符合： (,)=(log (,|)|,)I Q E P O I O λλλλ--的形式。
有：
i11112221(,|)=()()...()i i i i iT iT iT T P O I b o a b o a b o λπ-
则：
i1()(1)()11(,)log (,|)(log())(,|)(log(()))(,|)
T T i t i t i t t I I t I t Q P O I a P O I b o P O I λλπλλλ----
+===++∑∑∑∑∑ 上式，右侧的三项分别独自包含了模型参数的一项，下面分别对每一项进行分析。
对第一项运用朗格朗日乘子法计算：
首先写出拉格朗日函数：
i
1i 11log (,|)(()1)N N
i i P O i i r πλπ-===+-∑∑ s.t.
i 1)1)N
i π=-∑=0; 对i π求偏导并令结果为0得到： 1i (,|)0P O i i r λπ-
=+= （2）
在两边分别对i 求和，得到：
(|)r P O λ-
=
带入（2）式得到： 1i (,|)(|)P O i i P O λπλ--== （3）
同理可以得到关于,ij ij a b 的式子。
6预测算法
采用的是动态规划的思想，具体预测过程见《统计学习方法》P187。