机器学习HMM模型算法实例

Posted 2022-11-27 赵广陆

目录

• 1 前向算法求HMM观测序列的概率
• • 1.1 流程梳理
  • 1.2 算法总结
  • 1.3 HMM前向算法求解实例
  • 1.4 用后向算法求HMM观测序列的概率
  • • 1.4.1 流程梳理
    • 1.4.2 后向算法流程
  • 1.5 小结
• 2 维特比算法解码隐藏状态序列
• • 2.1 HMM最可能隐藏状态序列求解概述
  • 2.2 维特比算法概述
  • 2.3 维特比算法流程总结
  • 2.4 HMM维特比算法求解实例
  • 2.5 小结
• 3 鲍姆-韦尔奇算法简介
• • 3.1 鲍姆-韦尔奇算法简介
  • 3.2 鲍姆-韦尔奇算法原理
• 4 HMM模型API介绍
• • 4.1 API的安装：
  • 4.2 hmmlearn介绍
  • 4.3 MultinomialHMM实例

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1 前向算法求HMM观测序列的概率

前向后向算法是前向算法和后向算法的统称，这两个算法都可以用来求HMM观测序列的概率。我们先来看看前向算法是如何求解这个问题的。

1.1 流程梳理

前向算法本质上属于动态规划的算法，也就是我们要通过找到局部状态递推的公式，这样一步步的从子问题的最优解拓展到整个问题的最优解。

• 在前向算法中，通过定义“前向概率”来定义动态规划的这个局部状态。

• 什么是前向概率呢, 其实定义很简单：**定义时刻t时隐藏状态为qi, 观测状态的序列为的概率为前向概率。**记为：

  • 

• 既然是动态规划，我们就要递推了，现在假设我们已经找到了在时刻t时各个隐藏状态的前向概率，现在我们需要递推出时刻t+1时各个隐藏状态的前向概率。

• 我们可以基于时刻t时各个隐藏状态的前向概率，再乘以对应的状态转移概率，即就是在时刻t观测到，并且时刻t隐藏状态qj 时刻t+1隐藏状态qi的概率。

• 如果将下面所有的线对应的概率求和，即就是在时刻t观测到，并且时刻t+1隐藏状态qi的概率。

• 继续一步，由于观测状态ot+1只依赖于t+1时刻隐藏状态qi, 这样就是在时刻t+1观测到，并且时刻t+1隐藏状态的qi概率。

• 而这个概率，恰恰就是时刻t+1对应的隐藏状态i的前向概率，这样我们得到了前向概率的递推关系式如下：

我们的动态规划从时刻1开始，到时刻T结束，由于αT(i)表示在时刻T观测序列为，并且时刻T隐藏状态qi的概率，我们只要将所有隐藏状态对应的概率相加，即就得到了在时刻T观测序列为的概率。

1.2 算法总结

• 输入：HMM模型 λ=(A,B,Π)，观测序列
• 输出：观测序列概率P(O|λ)
  • 1. 计算时刻1的各个隐藏状态前向概率：
  • 2. 递推时刻2,3,… …T时刻的前向概率：
  • 3. 计算最终结果：

从递推公式可以看出，我们的算法时间复杂度是O(TN2)，比暴力解法的时间复杂度O(TNT)少了几个数量级。

1.3 HMM前向算法求解实例

这里我们用前面盒子与球的例子来显示前向概率的计算。 我们的观察集合是:

我们的状态集合是：

而观察序列和状态序列的长度为3.

初始状态分布为：

状态转移概率分布矩阵为：

观测状态概率矩阵为：

球的颜色的观测序列:

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按照我们上一节的前向算法。首先计算时刻1三个状态的前向概率：

时刻1是红色球，

• 隐藏状态是盒子1的概率为：

• 隐藏状态是盒子2的概率为：

• 隐藏状态是盒子3的概率为：

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现在我们可以开始递推了，首先递推时刻2三个状态的前向概率：

时刻2是白色球，

• 隐藏状态是盒子1的概率为：

• 隐藏状态是盒子2的概率为：

• 隐藏状态是盒子3的概率为：

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继续递推，现在我们递推时刻3三个状态的前向概率：

时刻3是红色球，

• 隐藏状态是盒子1的概率为：

• 隐藏状态是盒子2的概率为：

• 隐藏状态是盒子3的概率为：

最终我们求出观测序列:O=红，白，红的概率为：

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1.4 用后向算法求HMM观测序列的概率

1.4.1 流程梳理

熟悉了用前向算法求HMM观测序列的概率，现在我们再来看看怎么用后向算法求HMM观测序列的概率。

后向算法和前向算法非常类似，都是用的动态规划，唯一的区别是选择的局部状态不同，后向算法用的是“后向概率”。

1.4.2 后向算法流程

以下是后向算法的流程,注意下和前向算法的相同点和不同点：

• 输入：HMM模型 λ=(A,B,Π)，观测序列
• 输出：观测序列概率P(O|λ)
  • 初始化时刻T的各个隐藏状态后向概率：
  • 递推时刻T−1,T−2,…1时刻的后向概率：
  • 计算最终结果：

此时我们的算法时间复杂度仍然是O(TN2)

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1.5 小结

• 前向算法求HMM观测序列
  • 输入：HMM模型 λ=(A,B,Π)，观测序列
  • 输出：观测序列概率P(O|λ)
    • 1. 计算时刻1的各个隐藏状态前向概率：
    • 2. 递推时刻2,3,… …T时刻的前向概率：
    • 3. 计算最终结果：
• 后向算法求HMM观测序列
  • 输入：HMM模型 λ=(A,B,Π)，观测序列
  • 输出：观测序列概率P(O|λ)
    • 初始化时刻T的各个隐藏状态后向概率：
    • 递推时刻T−1,T−2,…1时刻的后向概率：
    • 计算最终结果：

2 维特比算法解码隐藏状态序列

2.1 HMM最可能隐藏状态序列求解概述

在本篇我们会讨论维特比算法解码隐藏状态序列，即给定模型和观测序列，求给定观测序列条件下，最可能出现的对应的隐藏状态序列。

HMM模型的解码问题最常用的算法是维特比算法，当然也有其他的算法可以求解这个问题。

同时维特比算法是一个通用的求序列最短路径的动态规划算法，也可以用于很多其他问题。

HMM模型的解码问题即：

• 给定模型 λ=(A,B,Π) 和观测序列，求给定观测序列O条件下，最可能出现的对应的状态序列,即的最大化。

一个可能的近似解法是求出观测序列O在每个时刻t最可能的隐藏状态 然后得到一个近似的隐藏状态序列。要这样近似求解不难，利用前向后向算法评估观察序列概率的定义：

• 在给定模型λ和观测序列O时，在时刻t处于状态q

  i

  的概率是

  ，这个概率可以通过HMM的前向算法与后向算法计算。这样我们有：

  • 

近似算法很简单，但是却不能保证预测的状态序列整体是最可能的状态序列，因为预测的状态序列中某些相邻的隐藏状态可能存在转移概率为0的情况。

而维特比算法可以将HMM的状态序列作为一个整体来考虑，避免近似算法的问题，下面我们来看看维特比算法进行HMM解码的方法。

2.2 维特比算法概述

维特比算法是一个通用的解码算法，是基于动态规划的求序列最短路径的方法。

既然是动态规划算法，那么就需要找到合适的局部状态，以及局部状态的递推公式。在HMM中，维特比算法定义了两个局部状态用于递推。

1. 第一个局部状态是在时刻t隐藏状态为 i 所有可能的状态转移路径中的概率最大值。

• 记为:

由的定义可以得到 的递推表达式：

2. 第二个局部状态由第一个局部状态递推得到。

• 我们定义在时刻t隐藏状态为i的所有单个状态转移路径中概率最大的转移路径中第t-1个节点的隐藏状态为:
• 其递推表达式可以表示为：

有了这两个局部状态，我们就可以从时刻0一直递推到时刻T，然后利用记录的前一个最可能的状态节点回溯，直到找到最优的隐藏状态序列。

2.3 维特比算法流程总结

现在我们来总结下维特比算法的流程：

• 输入：HMM模型 λ=(A,B,Π)，观测序列
• 输出：最有可能的隐藏状态序列

流程如下：

• 1）初始化局部状态：

• 2. 进行动态规划递推时刻 t=2,3,…T 时刻的局部状态：

• 3. 计算时刻T最大的,即为最可能隐藏状态序列出现的概率。计算时刻T最大的 ,即为时刻T最可能的隐藏状态。

• 4. 利用局部状态开始回溯。对于 t=T-1,T-2,…,1

最终得到最有可能的隐藏状态序列:

2.4 HMM维特比算法求解实例

下面我们仍然用盒子与球的例子来看看HMM维特比算法求解。 我们的观察集合是:

我们的状态集合是：

而观察序列和状态序列的长度为3.

初始状态分布为：

状态转移概率分布矩阵为：

观测状态概率矩阵为：

球的颜色的观测序列:

按照我们前面的维特比算法，首先需要得到三个隐藏状态在时刻1时对应的各自两个局部状态，此时观测状态为1：

现在开始递推三个隐藏状态在时刻2时对应的各自两个局部状态，此时观测状态为2：

• \\delta_2(1) = \\max_1\\leq j \\leq 3[\\delta_1(j)a_j1]b_1(o_2) = \\max_1\\leq j \\leq 3[0.1 \\times 0.5, 0.16 \\times 0.3, 0.28\\times 0.2] \\times 0.5 = 0.028δ2(1)=max1≤j≤3[δ1(j)a**j1]b1(o2)=max1≤j≤3[0.1×0.5,0.16×0.3,0.28×0.2]×0.5=0.028
  • \\Psi_2(1)=3Ψ2(1)=3
• \\delta_2(2) = \\max_1\\leq j \\leq 3[\\delta_1(j)a_j2]b_2(o_2) = \\max_1\\leq j \\leq 3[0.1 \\times 0.2, 0.16 \\times 0.5, 0.28\\times 0.3] \\times 0.6 = 0.0504δ2(2)=max1≤j≤3[δ1(j)a**j2]b2(o2)=max1≤j≤3[0.1×0.2,0.16×0.5,0.28×0.3]×0.6=0.0504
  • \\Psi_2(2)=3Ψ2(2)=3
• \\delta_2(3) = \\max_1\\leq j \\leq 3[\\delta_1(j)a_j3]b_3(o_2) = \\max_1\\leq j \\leq 3[0.1 \\times 0.3, 0.16 \\times 0.2, 0.28\\times 0.5] \\times 0.3 = 0.042δ2(3)=max1≤j≤3[δ1(j)a**j3]b3(o2)=max1≤j≤3[0.1×0.3,0.16×0.2,0.28×0.5]×0.3=0.042
  • \\Psi_2(3)=3Ψ2(3)=3

继续递推三个隐藏状态在时刻3时对应的各自两个局部状态，此时观测状态为1：

• \\delta_3(1) = \\max_1\\leq j \\leq 3[\\delta_2(j)a_j1]b_1(o_3) = \\max_1\\leq j \\leq 3[0.028 \\times 0.5, 0.0504 \\times 0.3, 0.042\\times 0.2] \\times 0.5 = 0.00756δ3(1)=max1≤j≤3[δ2(j)a**j1]b1(o3)=max1≤j≤3[0.028×0.5,0.0504×0.3,0.042×0.2]×0.5=0.00756
  • \\Psi_3(1)=2Ψ3(1)=2
• \\delta_3(2) = \\max_1\\leq j \\leq 3[\\delta_2(j)a_j2]b_2(o_3) = \\max_1\\leq j \\leq 3[0.028 \\times 0.2, 0.0504\\times 0.5, 0.042\\times 0.3] \\times 0.4 = 0.01008δ3(2)=max1≤j≤3[δ2(j)a**j2]b2(o3)=max1≤j≤3[0.028×0.2,0.0504×0.5,0.042×0.3]×0.4=0.01008
  • \\Psi_3(2)=2Ψ3(2)=2
• \\delta_3(3) = \\max_1\\leq j \\leq 3[\\delta_2(j)a_j3]b_3(o_3) = \\max_1\\leq j \\leq 3[0.028 \\times 0.3, 0.0504 \\times 0.2, 0.042\\times 0.5] \\times 0.7 = 0.0147δ3(3)=max1≤j≤3[δ2(j)a**j3]b3(o3)=max1≤j≤3[0.028×0.3,0.0504×0.2,0.042×0.5]×0.7=0.0147
  • \\Psi_3(3)=3Ψ3(3)=3

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2.5 小结

• 维特比算法流程总结：
  • 输入：HMM模型 λ=(A,B,Π)，观测序列
  • 输出：最有可能的隐藏状态序列

流程如下：

• 1）初始化局部状态：

• 2. 进行动态规划递推时刻 t=2,3,…T 时刻的局部状态：

• 3. 计算时刻T最大的,即为最可能隐藏状态序列出现的概率。计算时刻T最大的 ,即为时刻T最可能的隐藏状态。

• 4. 利用局部状态开始回溯。对于 t=T-1,T-2,…,1

最终得到最有可能的隐藏状态序列:

3 鲍姆-韦尔奇算法简介

3.1 鲍姆-韦尔奇算法简介

模型参数学习问题 —— 鲍姆-韦尔奇（Baum-Welch）算法(状态未知) ，

• 即给定观测序列，估计模型的λ=(A,B,Π)参数，使该模型下观测序列的条件概率最P(O|λ)大。
• 它的解法最常用的是鲍姆-韦尔奇算法，其实就是基于EM算法的求解，只不过鲍姆-韦尔奇算法出现的时代，EM算法还没有被抽象出来，所以被叫为鲍姆-韦尔奇算法。

3.2 鲍姆-韦尔奇算法原理

鲍姆-韦尔奇算法原理既然使用的就是EM算法的原理，

• 那么我们需要在E步求出联合分布P(O,I|λ)基于条件概率的期望，其中为当前的模型参数，
• 然后在M步最大化这个期望，得到更新的模型参数λ。

接着不停的进行EM迭代，直到模型参数的值收敛为止。

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首先来看看E步，当前模型参数为, 联合分布P(O,I|λ)基于条件概率的期望表达式为：

• L(\\lambda, \\overline\\lambda) = \\sum\\limits_IP(I|O,\\overline\\lambda)logP(O,I|\\lambda)L(λ,λ)=I∑P(I∣O,λ)log**P(O,I∣λ)

在M步，我们极大化上式，然后得到更新后的模型参数如下：

• \\overline\\lambda = arg;\\max_\\lambda\\sum\\limits_IP(I|O,\\overline\\lambda)logP(O,I|\\lambda)λ=argmaxλ**I∑P(I∣O,λ)log**P(O,I∣λ)

通过不断的E步和M步的迭代，直到收敛。

4 HMM模型API介绍

4.1 API的安装：

官网链接：https://hmmlearn.readthedocs.io/en/latest/

pip3 install hmmlearn

4.2 hmmlearn介绍

hmmlearn实现了三种HMM模型类，按照观测状态是连续状态还是离散状态，可以分为两类。

GaussianHMM和GMMHMM是连续观测状态的HMM模型，而MultinomialHMM是离散观测状态的模型，也是我们在HMM原理系列篇里面使用的模型。

在这里主要介绍我们前面一直讲的关于离散状态的MultinomialHMM模型。

对于MultinomialHMM的模型，使用比较简单，里面有几个常用的参数：

• "startprob_"参数对应我们的隐藏状态初始分布Π,
• "transmat_"对应我们的状态转移矩阵A,
• "emissionprob_"对应我们的观测状态概率矩阵B。

4.3 MultinomialHMM实例

下面我们用我们在前面讲的关于球的那个例子使用MultinomialHMM跑一遍。

import numpy as np
from hmmlearn import hmm
# 设定隐藏状态的集合
states = ["box 1", "box 2", "box3"]
n_states = len(states)

# 设定观察状态的集合
observations = ["red", "white"]
n_observations = len(observations)

# 设定初始状态分布
start_probability = np.array([0.2, 0.4, 0.4])

# 设定状态转移概率分布矩阵
transition_probability = np.array([
  [0.5, 0.2, 0.3],
  [0.3, 0.5, 0.2],
  [0.2, 0.3, 0.5]
])

# 设定观测状态概率矩阵
emission_probability = np.array([
  [0.5, 0.5],
  [0.4, 0.6],
  [0.7, 0.3]
])
# 设定模型参数
model = hmm.MultinomialHMM(n_components=n_states)
model.startprob_=start_probability  # 初始状态分布
model.transmat_=transition_probability  # 状态转移概率分布矩阵
model.emissionprob_=emission_probability  # 观测状态概率矩阵

现在我们来跑一跑HMM问题三维特比算法的解码过程，使用和之前一样的观测序列来解码，代码如下：

seen = np.array([[0,1,0]]).T  # 设定观测序列
box = model.predict(seen)

print("球的观测顺序为：\\n", ", ".join(map(lambda x: observations[x], seen.flatten())))
# 注意：需要使用flatten方法，把seen从二维变成一维
print("最可能的隐藏状态序列为:\\n"， ", ".join(map(lambda x: states[x], box)))

我们再来看看求HMM问题一的观测序列的概率的问题，代码如下：

print(model.score(seen))
# 输出结果是：-2.03854530992

要注意的是score函数返回的是以自然对数为底的对数概率值，我们在HMM问题一中手动计算的结果是未取对数的原始概率是0.13022。对比一下：

import math

math.exp(-2.038545309915233)
# ln0.13022≈−2.0385
# 输出结果是：0.13021800000000003