HMM-前向后向算法(附python实现)
基本要素
状态 \(N\)个
状态序列 \(S = s_1,s_2,...\)
观测序列 \(O=O_1,O_2,...\)
\(\lambda(A,B,\pi)\)
- 状态转移概率 \(A = \{a_{ij}\}\)
- 发射概率 \(B = \{b_{ik}\}\)
- 初始概率分布 \(\pi = \{\pi_i\}\)
观测序列生成过程
- 初始状态
- 选择观测
- 状态转移
- 返回step2
HMM三大问题
- 概率计算问题(评估问题)
给定观测序列 \(O=O_1O_2...O_T\),模型 \(\lambda (A,B,\pi)\),计算 \(P(O|\lambda)\),即计算观测序列的概率
- 解码问题
给定观测序列 \(O=O_1O_2...O_T\),模型 \(\lambda (A,B,\pi)\),找到对应的状态序列 \(S\)
- 学习问题
给定观测序列 \(O=O_1O_2...O_T\),找到模型参数 \(\lambda (A,B,\pi)\),以最大化 \(P(O|\lambda)\),
概率计算问题
给定模型 \(\lambda\) 和观测序列 \(O\),如何计算\(P(O| \lambda)\)?
暴力枚举每一个可能的状态序列 \(S\)
对每一个给定的状态序列
\[P(O|S,\lambda) = \prod^T_{t=1} P(O_t|s_t,\lambda) =\prod^T_{t=1} b_{s_tO_t}
\]一个状态序列的产生概率
\[P(S|\lambda) = P(s_1)\prod^T_{t=2}P(s_t|s_{t-1})=\pi_1\prod^T_{t=2}a_{s_{t-1}s_t}
\]联合概率
\[P(O,S|\lambda) = P(S|\lambda)P(O|S,\lambda) =\pi_1\prod^T_{t=2}a_{s_{t-1}s_t}\prod^T_{t=1} b_{s_tO_t}
\]考虑所有的状态序列
\[P(O|\lambda)=\sum_S\pi_1b_{s_1O_1}\prod^T_{t=2}a_{s_{t-1}s_t}b_{s_tO_t}
\]
\(O\) 可能由任意一个状态得到,所以需要将每个状态的可能性相加。
这样做什么问题?时间复杂度高达 \(O(2TN^T)\)。每个序列需要计算 \(2T\) 次,一共 \(N^T\) 个序列。
前向算法
在时刻 \(t\),状态为 \(i\) 时,前面的时刻观测到 \(O_1,O_2, ..., O_t\) 的概率,记为 \(\alpha _i(t)\) :
\]
当 \(t=1\) 时,输出为 \(O_1\),假设有三个状态,\(O_1\) 可能是任意一个状态发出,即
\]

当 \(t=2\) 时,输出为 \(O_1O_2\) ,\(O_2\) 可能由任一个状态发出,同时产生 \(O_2\) 对应的状态可以由 \(t=1\) 时刻任意一个状态转移得到。假设 \(O_2\) 由状态 1 发出,如下图

=\bold{\alpha_1(1)}a_{11}b_1(O_2)+\bold{\alpha_2(1)}a_{21}b_1(O_2)+\bold{\alpha_3(1)}a_{31}b_1(O_2) = \bold{\alpha_1(2)}
\]
同理可得 \(\alpha_2(2),\alpha_3(2)\)
=\bold{\alpha_1(1)}a_{12}b_2(O_2)+\bold{\alpha_2(1)}a_{22}b_2(O_2)+\bold{\alpha_3(1)}a_{32}b_2(O_2)
\\
\bold{\alpha_3(2)} = P(O_1O_2,s_2=q_3|\lambda)
=\bold{\alpha_1(1)}a_{13}b_3(O_2)+\bold{\alpha_2(1)}a_{23}b_3(O_2)+\bold{\alpha_3(1)}a_{33}b_3(O_2)
\]
所以
= \alpha_1(2)+\alpha_2(2)+\alpha_3(2)
\]
所以前向算法过程如下:
step1:初始化 \(\alpha_i(1)= \pi_i*b_i(O_1)\)
step2:计算 \(\alpha_i(t) = (\sum^{N}_{j=1} \alpha_j(t-1)a_{ji})b_i(O_{t})\)
step3:\(P(O|\lambda) = \sum^N_{i=1}\alpha_i(T)\)
相比暴力法,时间复杂度降低了吗?
当前时刻有 \(N\) 个状态,每个状态可能由前一时刻 \(N\) 个状态中的任意一个转移得到,所以单个时刻的时间复杂度为 \(O(N^2)\),总时间复杂度为 \(O(TN^2)\)
代码实现
例子:
假设从三个 袋子 {1,2,3}中 取出 4 个球 O={red,white,red,white},模型参数\(\lambda = (A,B,\pi)\) 如下,计算序列O出现的概率
#状态 1 2 3
A = [[0.5,0.2,0.3],
[0.3,0.5,0.2],
[0.2,0.3,0.5]]
pi = [0.2,0.4,0.4]
# red white
B = [[0.5,0.5],
[0.4,0.6],
[0.7,0.3]]
step1:初始化 \(\alpha_i(1)= \pi_i*b_i(O_1)\)
step2:计算 \(\alpha_i(t) = (\sum^{N}_{j=1} \alpha_j(t-1)a_{ji})b_i(O_{t})\)
step3:\(P(O|\lambda) = \sum^N_{i=1}\alpha_i( T)\)
#前向算法
#前向算法
def hmm_forward(A,B,pi,O):
T = len(O)
N = len(A[0])
#step1 初始化
alpha = [[0]*T for _ in range(N)]
for i in range(N):
alpha[i][0] = pi[i]*B[i][O[0]]
#step2 计算alpha(t)
for t in range(1,T):
for i in range(N):
temp = 0
for j in range(N):
temp += alpha[j][t-1]*A[j][i]
alpha[i][t] = temp*B[i][O[t]]
#step3
proba = 0
for i in range(N):
proba += alpha[i][-1]
return proba,alpha
A = [[0.5,0.2,0.3],[0.3,0.5,0.2],[0.2,0.3,0.5]]
B = [[0.5,0.5],[0.4,0.6],[0.7,0.3]]
pi = [0.2,0.4,0.4]
O = [0,1,0,1]
hmm_forward(A,B,pi,O) #结果为 0.06009
结果

后向算法
在时刻 \(t\),状态为 \(i\) 时,观测到 \(O_{t+1},O_{t+2}, ..., O_T\) 的概率,记为 \(\beta _i(t)\) :
\]
当 \(t=T\) 时,由于 \(T\) 时刻之后为空,没有观测,所以 \(\beta_i(t)=1\)
当 \(t = T-1\) 时,观测 \(O_T\) ,\(O_T\) 可能由任意一个状态产生
\]

当 \(t=1\) 时,观测为 \(O_{2},O_{3}, ..., O_T\)
\beta_1(1)
&= P(O_{2},O_{3}, ..., O_T|s_1=1,\lambda)\\
&=a_{11}b_1(O_2)\beta_1(2)+a_{12}b_2(O_2)\beta_2(2)+a_{13}b_3(O_2)\beta_3(2)
\\
\quad
\\
\beta_2(1)
&= P(O_{2},O_{3}, ..., O_T|s_1=2,\lambda)\\
&=a_{21}b_1(O_2)\beta_1(2)+a_{22}b_2(O_2)\beta_2(2)+a_{23}b_3(O_2)\beta_3(2)
\\
\quad
\\
\beta_3(1)
&=P(O_{2},O_{3}, ..., O_T|s_1=3,\lambda)\\
&=a_{31}b_1(O_2)\beta_1(2)+a_{32}b_2(O_2)\beta_2(2)+a_{33}b_3(O_2)\beta_3(2)
\end{aligned}
\]
所以
\]
后向算法过程如下:
step1:初始化 \(\beta_i(T)=1\)
step2:计算 \(\beta_i(t) = \sum^N_{j=1}a_{ij}b_j(O_{t+1})\beta_j(t+1)\)
step3:\(P(O|\lambda) = \sum^N_{i=1}\pi_ib_i(O_1)\beta_i(1)\)
- 时间复杂度 \(O(N^2T)\)
代码实现
还是上面的例子
#后向算法
def hmm_backward(A,B,pi,O):
T = len(O)
N = len(A[0])
#step1 初始化
beta = [[0]*T for _ in range(N)]
for i in range(N):
beta[i][-1] = 1
#step2 计算beta(t)
for t in reversed(range(T-1)):
for i in range(N):
for j in range(N):
beta[i][t] += A[i][j]*B[j][O[t+1]]*beta[j][t+1]
#step3
proba = 0
for i in range(N):
proba += pi[i]*B[i][O[0]]*beta[i][0]
return proba,beta
A = [[0.5,0.2,0.3],[0.3,0.5,0.2],[0.2,0.3,0.5]]
B = [[0.5,0.5],[0.4,0.6],[0.7,0.3]]
pi = [0.2,0.4,0.4]
O = [0,1,0,1]
hmm_backward(A,B,pi,O) #结果为 0.06009
结果

前向-后向算法

回顾前向、后向变量:
- \(a_i(t)\) 时刻 \(t\),状态为 \(i\) ,观测序列为 \(O_1,O_2, ..., O_t\) 的概率
- \(\beta_i(t)\) 时刻 \(t\),状态为 \(i\) ,观测序列为 \(O_{t+1},O_{t+2}, ..., O_T\) 的概率
P(O,s_t=i|\lambda)
&= P(O_1,O_2, ..., O_T,s_t=i|\lambda)\\
&= P(O_1,O_2, ..., O_t,s_t=i,O_{t+1},O_{t+2}, ..., O_T|\lambda)\\
&= P(O_1,O_2, ..., O_t,s_t=i|\lambda)*P(O_{t+1},O_{t+2}, ..., O_T|O_1,O_2, ..., O_t,s_t=i,\lambda) \\
&= P(O_1,O_2, ..., O_t,s_t=i|\lambda)*P(O_{t+1},O_{t+2}, ..., O_T,s_t=i|\lambda)\\
&= a_i(t)*\beta_i(t)
\end{aligned}
\]
即在给定的状态序列中,\(t\) 时刻状态为 \(i\) 的概率。
使用前后向算法可以计算隐状态,记 \(\gamma_i(t) = P(s_t=i|O,\lambda)\) 表示时刻 \(t\) 位于隐状态 \(i\) 的概率
\]
\gamma_{i}(t)
&=P\left(s_{t}={i} | O, \lambda\right)=\frac{P\left(s_{t}={i}, O | \lambda\right)}{P(O | \lambda)} \\
&=\frac{\alpha_{i}(t) \beta_{i}(t)}{P(O | \lambda)}=\frac{\alpha_{i}(t) \beta_{i}(t)}{\sum_{i=1}^{N} \alpha_{i}(t) \beta_{i}(t)}
\end{aligned}
\]
references:
[1] https://www.cs.sjsu.edu/~stamp/RUA/HMM.pdf
[2]https://www.cnblogs.com/fulcra/p/11065474.html
[3] https://www.cnblogs.com/sjjsxl/p/6285629.html
[4] https://blog.csdn.net/xueyingxue001/article/details/52396494
HMM-前向后向算法(附python实现)的更多相关文章
- HMM 前向后向算法(转)
最近研究NLP颇感兴趣,但由于比较懒,所以只好找来网上别人的比较好的博客,备份一下,也方便自己以后方便查找(其实,一般是不会再回过头来看的,嘿嘿 -_-!!) 代码自己重新写了一遍,所以就不把原文代码 ...
- HMM 自学教程(七)前向后向算法
本系列文章摘自 52nlp(我爱自然语言处理: http://www.52nlp.cn/),原文链接在 HMM 学习最佳范例,这是针对 国外网站上一个 HMM 教程 的翻译,作者功底很深,翻译得很精彩 ...
- 隐马尔科夫模型HMM(二)前向后向算法评估观察序列概率
隐马尔科夫模型HMM(一)HMM模型 隐马尔科夫模型HMM(二)前向后向算法评估观察序列概率 隐马尔科夫模型HMM(三)鲍姆-韦尔奇算法求解HMM参数(TODO) 隐马尔科夫模型HMM(四)维特比算法 ...
- 条件随机场CRF(二) 前向后向算法评估标记序列概率
条件随机场CRF(一)从随机场到线性链条件随机场 条件随机场CRF(二) 前向后向算法评估标记序列概率 条件随机场CRF(三) 模型学习与维特比算法解码 在条件随机场CRF(一)中我们总结了CRF的模 ...
- 《统计学习方法》P179页10.22前向后向算法公式推导
- 隐马尔可夫(HMM)、前/后向算法、Viterbi算法
HMM的模型 图1 如上图所示,白色那一行描述由一个隐藏的马尔科夫链生成不可观测的状态随机序列,蓝紫色那一行是各个状态生成可观测的随机序列 话说,上面也是个贝叶斯网络,而贝叶斯网络中有这么一种,如下 ...
- HMM-前向后向算法理解与实现(python)
目录 基本要素 HMM三大问题 概率计算问题 前向算法 后向算法 前向-后向算法 基本要素 状态 \(N\)个 状态序列 \(S = s_1,s_2,...\) 观测序列 \(O=O_1,O_2,.. ...
- HMM-前向后向算法(附代码)
目录 基本要素 HMM三大问题 概率计算问题 前向算法 后向算法 前向-后向算法 基本要素 状态 \(N\)个 状态序列 \(S = s_1,s_2,...\) 观测序列 \(O=O_1,O_2,.. ...
- 隐马尔可夫模型HMM与维特比Veterbi算法(一)
隐马尔可夫模型HMM与维特比Veterbi算法(一) 主要内容: 1.一个简单的例子 2.生成模式(Generating Patterns) 3.隐藏模式(Hidden Patterns) 4.隐马尔 ...
随机推荐
- 【jmeter】JDBC请求循环调用的问题
今天使用jdbc请求从数据库取数据,多次请求使用了循环控制器,但是结果第一个jdbc请求返回值正确,第二次请求返回值为空. 1.从其他博客中得知,需要在jdbc connection configur ...
- G - Messy codeforces1262C
题目大意: 输入n和m,n是n个字符,m是m个前缀.对前缀的规定可以配对的括号.比如(),,((()))等等.在输入n个括号字符,对这个n个字符,通过交换使其满足m个前缀.交换次数不限,规则想当与re ...
- 刚从一道题发现的一些东西,PHP笔记,关于extract和null 空字符串
队友发给我的一道extract变量的最基础的题目,他发现了一些问题,当传入shiyan=&flag=0时出flag,当传入shiyan=0&flag=0时不出flag,传入shiyan ...
- Apache jena SPARQL endpoint及推理
一.Apache Jena简介 Apache Jena(后文简称Jena),是一个开源的Java语义网框架(open source Semantic Web Framework for Java),用 ...
- 数据源管理 | PostgreSQL环境整合,JSON类型应用
本文源码:GitHub·点这里 || GitEE·点这里 一.PostgreSQL简介 1.和MySQL的比较 PostgreSQL是一个功能强大的且开源关系型数据库系统,在网上PostgreSQL和 ...
- 20199326《Linux内核原理与分析》第十二周作业
Collabtive系统跨站请求伪造攻击实验 实验背景 CSRF(Cross-site request forgery),中文名称:跨站请求伪造,也被称为:one click attack/sessi ...
- web 之 tomcat 8.5 和9.0如何进入manager?
tomcat 8.5 和9.0如何进入manager? 第一步找到tomcat-user.xml文件 第二步添加如下代码 <role rolename="manager-gui&quo ...
- 标准库sys
sys模块的主要函数介绍,结合官方文档说明和实例.This module provides access to some variables used or maintained by the int ...
- 【ejabberd】安装XMPP服务器ejabberd(Ubuntu 12.04)
ejabberd ejabberd is a free and open source instant messaging server written in Erlang/OTP. ejabberd ...
- [转]Git详解之四 服务器上的Git
服务器上的 Git 到目前为止,你应该已经学会了使用 Git 来完成日常工作.然而,如果想与他人合作,还需要一个远程的 Git 仓库.尽管技术上可以从个人的仓库里推送和拉取修改内容,但我们不鼓励这样做 ...