第八讲-隐马尔柯夫模型
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

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.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
《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(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

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。
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– Termination
P (O | λ ) = ∑ α T (i )
i =1 N
– Complexity: O(TN2)
12
P(Q λ ) = π q1 aq1q2 aq2q3 ⋯ aqT −1qT
Markov chain of states
– Complexity: O(2TNT)!
11
• 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?
8
• 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
3
• 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
10
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
7
• 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
6
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