太原一上海:马尔可夫链模型

马尔可夫链模型 -随机过程

马尔可夫链，因安德烈·马尔可夫（A.A.Markov，1856－1922）得名，是数学中具有马尔可夫性质的离散时间随机过程。该过程中，在给定当前知识或信息的情况下，过去（即当期以前的历史状态）对于猜测将来（即当期以后的未来状态）是无关的。马尔可夫链是满足下面两个假设的一种随机过程：

1、t+l时刻系统状态的概率分布只与t时刻的状态有关，与t时刻以前的状态无关；

2、从t时刻到t+l时刻的状态转移与t的值无关。一个马尔可夫链模型可表示为=(S，P，Q)，其中各元的含义如下：

1）S是系统所有可能的状态所组成的非空的状态集，有时也称之为系统的状态空间，它可以是有限的、可列的集合或任意非空集。本文中假定S是可数集(即有限或可列)。用小写字母i，j(或Si，Sj)等来表示状态。

2）是系统的状态转移概率矩阵，其中Pij表示系统在时刻t处于状态i，在下一时刻t+l处于状态i的概率，N是系统所有可能的状态的个数。对于任意i∈s，有。

3）是系统的初始概率分布，qi是系统在初始时刻处于状态i的概率，满足。

马尔可夫链模型 -隐含马尔可夫模型

自然语言是人类交流信息的工具。很多自然语言处理问题都可以等同于通信系统中的解码问题--一个人根据接收到的信息，去猜测发话人要表达的意思。这其实就象通信中，人们根据接收端收到的信号去分析、理解、还原发送端传送过来的信息。右图就表示了一个典型的通信系统：其中s1，s2，s3...表示信息源发出的信号。o1,o2,o3...是接受器接收到的信号。通信中的解码就是根据接收到的信号o1,o2,o3...还原出发送的信号s1，s2，s3...。

其实人们平时在说话时，脑子就是一个信息源。人们的喉咙（声带），空气，就是如电线和光缆般的信道。听众耳朵的就是接收端，而听到的声音就是传送过来的信号。根据声学信号来推测说话者的意思，就是语音识别。这样说来，如果接收端是一台计算机而不是人的话，那么计算机要做的就是语音的自动识别。同样，在计算机中，如果我们要根据接收到的英语信息，推测说话者的汉语意思，就是机器翻译；如果我们要根据带有拼写错误的语句推测说话者想表达的正确意思，那就是自动纠错。

那么怎么根据接收到的信息来推测说话者想表达的意思呢？人们可以利用叫做“隐含马尔可夫模型”（HiddenMarkovModel）来解决这些问题。以语音识别为例，当我们观测到语音信号o1,o2,o3时，要根据这组信号推测出发送的句子s1,s2,s3。显然，人们应该在所有可能的句子中找最有可能性的一个。用数学语言来描述，就是在已知o1,o2,o3,...的情况下，求使得条件概率
P(s1,s2,s3,...|o1,o2,o3....)达到最大值的那个句子s1,s2,s3,...

当然，上面的概率不容易直接求出，于是人们可以间接地计算它。利用贝叶斯公式并且省掉一个常数项，可以把上述公式等价变换成

P(o1,o2,o3,...|s1,s2,s3....)*P(s1,s2,s3,...)
其中
P(o1,o2,o3,...|s1,s2,s3....)表示某句话s1,s2,s3...被读成o1,o2,o3,...的可能性,而
P(s1,s2,s3,...)表示字串s1,s2,s3,...本身能够成为一个合乎情理的句子的可能性，所以这个公式的意义是用发送信号为s1,s2,s3...这个数列的可能性乘以s1,s2,s3...本身可以一个句子的可能性，得出概率。

（读者读到这里也许会问，你现在是不是把问题变得更复杂了，因为公式越写越长了。别着急，现在就来简化这个问题。）人们们在这里做两个假设：

第一，s1,s2,s3,...是一个马尔可夫链，也就是说，si只由si-1决定(详见系列一)；
第二，第i时刻的接收信号oi只由发送信号si决定（又称为独立输出假设,即P(o1,o2,o3,...|s1,s2,s3....)=P(o1|s1)*P(o2|s2)*P(o3|s3)...。
那么人们就可以很容易利用算法Viterbi找出上面式子的最大值，进而找出要识别的句子s1,s2,s3,...。

满足上述两个假设的模型就叫隐含马尔可夫模型。我们之所以用“隐含”这个词，是因为状态s1,s2,s3,...是无法直接观测到的。

隐含马尔可夫模型的应用远不只在语音识别中。在上面的公式中，如果我们把s1,s2,s3,...当成中文，把o1,o2,o3,...当成对应的英文，那么人们就能利用这个模型解决机器翻译问题；如果我们把o1,o2,o3,...当成扫描文字得到的图像特征，就能利用这个模型解决印刷体和手写体的识别。

P(o1,o2,o3,...|s1,s2,s3....)根据应用的不同而又不同的名称，在语音识别中它被称为“声学模型”(AcousticModel)，在机器翻译中是“翻译模型”(TranslationModel)而在拼写校正中是“纠错模型”(CorrectionModel)。而P(s1,s2,s3,...)就是我们在系列一中提到的语言模型。

在利用隐含马尔可夫模型解决语言处理问题前，先要进行模型的训练。常用的训练方法由伯姆（Baum）在60年代提出的，并以他的名字命名。隐含马尔可夫模型在处理语言问题早期的成功应用是语音识别。七十年代，当时IBM的FredJelinek(贾里尼克)和卡内基·梅隆大学的JimandJanetBaker(贝克夫妇，李开复的师兄师姐)分别独立地提出用隐含马尔可夫模型来识别语音，语音识别的错误率相比人工智能和模式匹配等方法降低了三倍(从30%到10%)。八十年代李开复博士坚持采用隐含马尔可夫模型的框架，成功地开发了世界上第一个大词汇量连续语音识别系统Sphinx。

马尔可夫链模型 -演变

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，人们用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.

马尔可夫链模型 -应用

HMM有三个经典(canonical)问题：

已知模型参数，计算某一特定输出序列的概率，通常使用forward算法解决；
已知模型参数，寻找最可能的能产生某一特定输出序列的隐含状态的序列，通常使用Viterbi算法解决；
已知输出序列，寻找最可能的状态转移以及输出概率，通常使用Baum-Welch算法以及ReversedViterbi算法解决；另外，最近的一些方法使用Junctiontree算法来解决这三个问题。

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：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}

这个例子在Viterbi算法页上有更多的解释。

马尔可夫链模型 -应用

语音识别或光学字符识别
机器翻译
生物信息学和基因组学
基因组序列中蛋白质编码区域的预测
对于相互关联的DNA或蛋白质族的建模
从基本结构中预测第二结构元素

马尔可夫链模型 -历史

马尔可夫模型最初是在二十世纪六十年代后半期LeonardE.Baum和其它一些作者在一系列的统计学论文中描述的。HMM最初的应用之一是开始于二十世纪七十年代中期的语音识别。在二十世纪八十年代后半期，HMM开始应用到生物序列尤其是DNA的分析中。从那时开始，在生物信息学领域它们已经变得无处不在。^[1]