隐马尔可夫模型（HMM）****

Posted 2021-07-03 月疯

1、cikit-learn 0.17之后就不再支持隐马尔可夫模型，而是将其独立拎出来作为单独的包。其中：

hmmlearn：无监督隐马尔可夫模型
seqlearn ：监督隐马尔可夫模型
2、一些通用的参数：

verbose：一个正数。用于开启/关闭迭代中间输出日志功能。

• 数值越大，则日志越详细。
• 数值为0或者None，表示关闭日志输出。

tol：一个浮点数，指定收敛的阈值。

random_state：一个整数或者一个RandomState实例，或者None。

• 如果为整数，则它指定了随机数生成器的种子。
• 如果为RandomState实例，则指定了随机数生成器。
• 如果为None，则使用默认的随机数生成器。

一、Hmmlearn

hmmlearn中有三种隐马尔可夫模型:GaussianHMM、GMMHMM、MultinomialHMM。它们分别代表了观测序列的不同分布类型。

1.1 GaussianHMM

GaussianHMM是高斯分布的隐马尔可夫模型，其原型为：

class hmmlearn.hmm.GaussianHMM(n_components=1, covariance_type='diag',
min_covar=0.001,startprob_prior=1.0, transmat_prior=1.0, means_prior=0, 
means_weight=0,covars_prior=0.01, covars_weight=1, algorithm='viterbi',
random_state=None, n_iter=10, tol=0.01,verbose=False, params='stmc', 
init_params='stmc')

n_components：一个整数，指定了状态的数量。

covariance_type：一个字符串，指定了使用方差矩阵的类型。可以为：

• 'spherical'：对每个状态，该状态的所有特征的方差都是同一个值。
• 'diag'：每个状态的方差矩阵为对角矩阵。
• 'full'：每个状态的方差矩阵为普通的矩阵。
• 'tied'：所有状态都是用同一个普通的方差矩阵。

min_covar：一个浮点数。给出了方差矩阵对角线上元素的最小值，用于防止过拟合。

startprob_prior：一个数组，形状为(n_components, )。初始状态的先验概率分布。

transmat_prior：一个数字，形状为(n_components, n_components )。先验的状态转移矩阵。

algorithm：一个字符串。指定了Decoder算法。可以为 'viterbi'（维特比算法）或者'map' 。

random_state：指定随机数种子。

tol：指定迭代收敛阈值。

verbose：指定打印日志。

params：一个字符串。控制在训练过程中，哪些参数能够得到更新（你也可以指定它们的组合形式）：

• 's'：初始概率。
• 't'：转移概率。
• 'm'：均值。
• 'c'：偏差。

init_params：一个字符串。控制在训练之前，先初始化哪些参数（你也可以指定它们的组合形式）：

• 's'：初始概率。
• 't'：转移概率。
• 'm'：均值。
• 'c'：偏差。

2、属性：

n_features：一个整数，特征维度。

monitor_：一个ConvergenceMonitor对象，可用它检查EM算法的收敛性。

transmat_：一个矩阵，形状为 (n_components, n_components)，是状态之间的转移概率矩阵。

startprob_：一个数组，形状为(n_components, )，是初始状态的概率分布。

means_：一个数组，形状为(n_components,n_features )，每个状态的均值参数。

covars_：一个数组，每个状态的方差参数，其形状取决于方差类型：

• 'spherical'：形状为(n_components, ) 。
• 'diag'：形状为(n_components,n_features ) 。
• 'full'：形状为(n_components, n_features, n_features) 。
• 'tied'：形状为(n_features,n_features ) 。

3、方法：

decode(X, lengths=None, algorithm=None)：已知观测序列X寻找最可能的状态序列。

参数：

• X：一个array-like，形状为 (n_samples, n_features)。指定了观测的样本。
• lengths：一个array-like，形状为 (n_sequences, )。指定了观测样本中，每个观测序列的长度，其累加值必须等于n_samples 。
• algorithm：一个字符串，指定解码算法。必须是'viterbi'（维特比）或者'map'。如果未指定，则使用构造函数中的decoder参数。

返回值：

• logprob：浮点数，代表产生的状态序列的对数似然函数。
• state_sequence：一个数组，形状为(n_samples, )，代表状态序列。

fit(X, lengths=None)：根据观测序列 X，来训练模型参数。

在训练之前会执行初始化的步骤。如果你想避开这一步，那么可以在构造函数中通过提供init_params关键字参数来避免。

参数：X，lengths 参考 decode() 方法。

返回值：self对象。

predict(X, lengths=None)：已知观测序列X，寻找最可能的状态序列。

参数：X，lengths 参考 decode() 方法。

返回：一个数组，形状为(n_samples, )，代表状态序列。

predict_proba(X, lengths=None)：计算每个状态的后验概率。

参数：X，lengths 参考 decode() 方法。

返回：一个数组，代表每个状态的后验概率。

sample(n_samples=1, random_state=None)：从当前模型中生成随机样本。

参数：

• n_samples：生成样本的数量。
• random_state：指定随机数。如果为None，则使用构造函数中的random_state。

返回值：

• X：观测序列，长度为n_samples 。
• state_sequence：状态序列，长度为n_samples 。

score(X, lengths=None)：计算预测结果的对数似然函数。

参数：X，lengths 参考 decode() 方法。

返回值：预测结果的对数似然函数

1.2 GMMHMM

1、GMMHMM 是混合高斯分布的隐马尔可夫模型，其原型为：

hmmlearn.hmm.GMMHMM(n_components=1, n_mix=1, startprob_prior=1.0,transmat_prior=1.0,
covariance_type='diag', covars_prior=0.01, algorithm='viterbi', random_state=None,
n_iter=10, tol=0.01, verbose=False, params='stmcw', init_params='stmcw')

n_mix：一个整数，指定了混合高斯分布中的分模型数量。
其它参数：参考hmmlearn.hmm.GaussianHMM 。
2、属性：

n_features：一个整数，特征维度。
monitor_：一个ConvergenceMonitor对象，可用它检查EM算法的收敛性。
transmat_：一个矩阵，形状为 (n_components, n_components)，是状态之间的转移概率矩阵。
startprob_：一个数组，形状为(n_components, )，是初始状态的概率分布。
gmms_：一个列表，指定了每个状态的混合高斯分布的分模型。
3、方法：参考hmmlearn.hmm.GaussianHMM 。

1.3 MultinomialHMM

1、MultinomialHMM是多项式分布的隐马尔可夫模型，其原型为：

class hmmlearn.hmm.MultinomialHMM(n_components=1, startprob_prior=1.0, 
transmat_prior=1.0, algorithm='viterbi', random_state=None, n_iter=10, tol=0.01,
verbose=False, params='ste', init_params='ste')
参数：一个整数，参考hmmlearn.hmm.GaussianHMM 。

2、属性：

n_features：一个整数，特征维度。
monitor_：一个ConvergenceMonitor对象，可用它检查EM算法的收敛性。
transmat_：一个矩阵，形状为 (n_components, n_components)，是状态之间的转移概率矩阵。
startprob_：一个数组，形状为(n_components, )，是初始状态的概率分布。
emissionprob_：一个数组，形状为(n_components, n_features)，每个状态的发射概率。
3、方法：参考hmmlearn.hmm.GaussianHMM 。

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二、seqlearn

1、seqlearn 扩展了scikit-learn的功能，实现了隐马尔可夫模型的监督学习。

其中监督学习的意思是：每一个观察序列都被正确的人工标定。

2、MultinomialHMM 是seqlearn 给出的监督多项式分布的隐马尔可夫模型，其原型为：

seqlearn.hmm.MultinomialHMM(decode='viterbi', alpha=0.01)

decode：一个字符串，指定解码算法。可以为：

• 'bestfirst'：最大后验概率算法。
• 'viterbi'：维特比算法 。

alpha：一个浮点数，用于平滑参数。

方法：

fit(X, y, lengths)：训练数据。

3、参数：

• X：一个array-like，形状为 (n_samples, n_features)。指定了观测的样本。
• y：一个array-like，形状为 (n_samples, )。指定了对应的状态序列。
• lengths：一个array-like，形状为 (n_sequences, )。指定了观测样本中，每个观测序列的长度。

它将样本切分成多个序列，它指定的就是每个序列的长度。

返回值：self 。