如何用简单易懂的例子解释隐马尔可夫模型(2)

2019-08-29 19:16

同上,我们可以计算第三个骰子是D6或D8时的最大概率。我们发现,第三个骰子取到D4的概率最大。而使这个概率最大时,第二个骰子为D6,第一个骰子为D4。所以最大概率骰子序列就是D4 D6 D4。

写到这里,大家应该看出点规律了。既然掷骰子一二三次可以算,掷多少次都可以以此类推。我们发现,我们要求最大概率骰子序列时要做这么几件事情。首先,不管序列多长,要从序列长度为1算起,算序列长度为1时取到每个骰子的最大概率。然后,逐渐增加长度,每增加一次长度,重新算一遍在这个长度下最后一个位置取到每个骰子的最大概率。因为上一个长度下的取到每个骰子的最大概率都算过了,重新计算的话其实不难。当我们算到最后一位时,就知道最后一位是哪个骰子的概率最大了。然后,我们要把对应这个最大概率的序列从后往前推出来。

2.谁动了我的骰子?

比如说你怀疑自己的六面骰被赌场动过手脚了,有可能被换成另一种六面骰,这种六面骰掷出来是1的概率更大,是1/2,掷出来是2,3,4,5,6的概率是1/10。你怎么办么?答案很简单,算一算正常的三个骰子掷出一段序列的概率,再算一算不正常的六面骰和另外两个正常骰子掷出这段序列的概率。如果前者比后者小,你就要小心了。

比如说掷骰子的结果是:

要算用正常的三个骰子掷出这个结果的概率,其实就是将所有可能情况的概率进行加和计算。同样,简单而暴力的方法就是把穷举所有的骰子序列,还是计算每个骰子序列对应的概率,但是这

回,我们不挑最大值了,而是把所有算出来的概率相加,得到的总概率就是我们要求的结果。这个方法依然不能应用于太长的骰子序列(马尔可夫链)。

我们会应用一个和前一个问题类似的解法,只不过前一个问题关心的是概率最大值,这个问题关心的是概率之和。解决这个问题的算法叫做前向算法(forward algorithm)。

首先,如果我们只掷一次骰子:

看到结果为1.产生这个结果的总概率可以按照如下计算,总概率为0.18:

把这个情况拓展,我们掷两次骰子:

看到结果为1,6.产生这个结果的总概率可以按照如下计算,总概率为0.05:

继续拓展,我们掷三次骰子:

看到结果为1,6,3.产生这个结果的总概率可以按照如下计算,总概率为0.03:

同样的,我们一步一步的算,有多长算多长,再长的马尔可夫链总能算出来的。用同样的方法,也可以算出不正常的六面骰和另外两个正常骰子掷出这段序列的概率,然后我们比较一下这两个概率大小,就能知道你的骰子是不是被人换了。

3.掷一串骰子出来,让我猜猜你是谁

(答主很懒,还没写,会写一下EM这个号称算法的方法)

上述算法呢,其实用到了递归,逆向推导,循环这些方法,我只不过用很直白的语言写出来了。如果你们去看专业书籍呢,会发现更加严谨和专业的描述。毕竟,我只做了会其意,要知其形,还是要看书的。

编辑于 2014-11-25173 条评论感谢分享收藏?没有帮助?举报? 作者保留权利

摘自我的博客http://blog.csdn.net/ppn029012

1. 赌场风云(背景介绍)最近一个赌场的老板发现生意不畅,于是派出手下去赌场张望。经探子回报,有位大叔在赌场中总能赢到钱,玩得一手好骰子,几乎是战无不胜。而且每次玩骰子的时候周围都有几个保镖站在身边,让人不明就… 显示全部 摘自我的博客http://blog.csdn.net/ppn029012 1. 赌场风云(背景介绍)

最近一个赌场的老板发现生意不畅,于是派出手下去赌场张望。经探子回报,有位大叔在赌场中总能赢到钱,玩得一手好骰子,几乎是战无不胜。而且每次玩骰子的时候周围都有几个保镖站在身边,让人不明就里,只能看到每次开局,骰子飞出,沉稳落地。老板根据多年的经验,推测这位不善之客使用的正是江湖失传多年的\偷换骰子大法”(编者注:偷换骰子大法,用兜里自带的骰子偷偷换掉均匀的骰子)。老板是个冷静的人,看这位大叔也不是善者,不想轻易得罪他,又不

想让他坏了规矩。正愁上心头,这时候进来一位名叫HMM帅哥,告诉老板他有一个很好的解决方案。

不用近其身,只要在远处装个摄像头,把每局的骰子的点数都记录下来。 然后HMM帅哥将会运用其强大的数学内力,用这些数据推导出 1. 该大叔是不是在出千?

2. 如果是在出千,那么他用了几个作弊的骰子? 还有当前是不是在用作弊的骰子。 3. 这几个作弊骰子出现各点的概率是多少?

天呐,老板一听,这位叫HMM的甚至都不用近身,就能算出是不是在作弊,甚至都能算出别人作弊的骰子是什么样的。那么,只要再当他作弊时,派人围捕他,当场验证骰子就能让他哑口无言。

2. HMM是何许人也?

在让HMM开展调查活动之前,该赌场老板也对HMM作了一番调查。

HMM(Hidden Markov Model), 也称隐性马尔可夫模型,是一个概率模型,用来描述一个系统隐性状态的转移和隐性状态的表现概率。

系统的隐性状态指的就是一些外界不便观察(或观察不到)的状态, 比如在当前的例子里面, 系统的状态指的是大叔使用骰子的状态,即 {正常骰子, 作弊骰子1, 作弊骰子2,...}

隐性状态的表现也就是, 可以观察到的,由隐性状态产生的外在表现特点。这里就是说, 骰子掷出的点数. {1,2,3,4,5,6}

HMM模型将会描述,系统隐性状态的转移概率。也就是大叔切换骰子的概率,下图是一个例子,这时候大叔切换骰子的可能性被描述得淋漓尽致。

很幸运的,这么复杂的概率转移图,竟然能用简单的矩阵表达, 其中a_{ij}代表的是从i状态到j状态发生的概率

当然同时也会有,隐性状态表现转移概率。也就是骰子出现各点的概率分布, (e.g. 作弊骰子1能有90%的机会掷到六,作弊骰子2有85%的机会掷到'小’). 给个图如下,

隐性状态的表现分布概率也可以用矩阵表示出来,

把这两个东西总结起来,就是整个HMM模型。


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