维特比算法详解(参考《数学之美》)

本文深入探讨了维特比算法,一种用于寻找序列中最有可能的状态序列的动态规划算法。通过详细的步骤说明,解释了如何在篱笆网络中寻找从起点到终点的最短路径,展示了算法的基本原理和应用。

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问题背景:

维特比算法是数学家维特比提出的、用于寻找“篱笆网络”中的最短路径的一种算法。

篱笆网络的结构如下图所示:
在这里插入图片描述
这个图的意思是:从 S S S E E E一共需要经过 m m m个步骤(或时刻);对于第 i i i个时刻,一共有 n i n_i ni个取值; X i j X_{ij} Xij表示第 i i i个时刻的第 j j j个可能值,其中, 1 ≤ i ≤ d 1\leq i\leq d 1id。目标是找到一条从 S S S E E E的路径,使得所有步骤上的值加起来最小。

注意:图中每个步骤的取值个数都是 n n n,这是因为我用的画图软件无法在下标中再继续写下标,实际上每个步骤的最后一个取值为 X 1 n 1 X_1n_1 X1n1 X 2 n 2 X_2n_2 X2n2,……

算法基础

在这个问题中,以下结论是显然成立的,并且构成了维特比算法的基础:

  1. 如果最短路径 P P P经过点 X i j X_{ij} Xij,那么路径 P P P的从 S S S到点 X i j X_{ij} Xij的子路径 P 1 P_1 P1 一定是 S S S X i j X_{ij} Xij之间的最短路径;否则,存在另一条从 S S S X i j X_{ij} Xij的更短路径 R R R,用 R R R代替 Q Q Q,则得到比 P P P更短的路径,这与已知条件矛盾。
    在这里插入图片描述
    意思也很简单:如图所示,假设从 S S S E E E的最短路径 P P P为图中的黑色箭头,那么,路径 P P P的从 S S S到点 X 33 X_{33} X33的子路径 P 1 P_1 P1也一定是该两点之间最短的;否则,就会存在另外一条从 S S S到点 X 33 X_{33} X33的路径 P 2 P_2 P2(如红色箭头)最短。用 P 2 P_2 P2替换 P 1 P_1 P1,就会得到从 S S S E E E的更短的路径,从而推导出矛盾。
  2. S S S E E E,一定经过任一时刻 i i i的某个取值,即路径一定经过每个时刻的某一个节点。假定 i i i时刻有 n i n_i ni个状态,那么如果记录了从S到时刻 i i i的所有 n i n_i ni个状态的最短路径,最终的最短路径必然经过其中一条。
  3. 结合1和2,假定从时刻 i i i进入时刻 i + 1 i+1 i+1时,从 S S S到时刻 i i i上各个节点的最短路径已经找到,并且记录在对应节点上,那么在计算从 S S S到时刻 i + 1 i+1 i+1的某个节点的最短路径时,只要考虑从 S S S到时刻i所有的 n i n_i ni个节点的最短路径,以及从这 n i n_i ni个节点到 i + 1 i+1 i+1时刻所有 n i + 1 n_{i+1} ni+1的距离即可。

算法步骤

  1. 从点 S S S出发,对于时刻 i = 1 i=1 i=1 n 1 n_1 n1个节点,计算从 S S S到它们之间的最短距离 d ( S , X 1 j ) d(S,X_{1j}) d(S,X1j),其中, j = 1 , 2 , . . . , n 1 j=1,2,...,n_1 j=1,2,...,n1。显然, S S S到任一 X 1 j X_{1j} X1j的距离即为最短距离。
  2. i = 1 i=1 i=1 i = 2 i=2 i=2时,需针对 i = 2 i=2 i=2 n 2 n_2 n2个节点,计算 S S S到它们的最短距离。对于某个特定的节点 X 2 j X_{2j} X2j,从 S S S到该点的路径可以经过 i = 1 i=1 i=1时刻所有 n 1 n_1 n1个节点中的任意一个,因此,对应路径的长度为 d ( S , X 2 j ) = d ( S , X 1 j 1 ) + d ( X 1 j 1 , X 2 j ) d(S,X_{2j})=d(S,X_{1j_1})+d(X_{1j_1},X_{2j}) d(S,X2j)=d(S,X1j1)+d(X1j1,X2j) j 1 j_1 j1 n 1 n_1 n1种可能性,因此 S S S X 2 j X_{2j} X2j的最短路径为:
    d ( S , X 2 j ) = m i n j 1 ∈ [ 1 , n 1 ] ( d ( S , X 1 , j 1 ) + d ( X 1 j 1 , X 2 , j ) ) d(S,X_{2j})=min_{j_1\in [1,n_1]}(d(S,X_{1,j_1})+d(X_{1j_1},X_{2,j})) d(S,X2j)=minj1[1,n1](d(S,X1,j1)+d(X1j1,X2,j))
    因此,对于 i = 2 i=2 i=2的每个节点需要进行 n 1 n_1 n1次乘法运算,一共需要进行 n 1 ∗ n 2 n_1*n_2 n1n2次乘法。
  3. 采用与2中类似的步骤,对于每个 i i i的值进行运算,就可以得到全局最短路径。

复杂度分析

时间状态数为 m m m,记对于任一时刻所可能取值的个数的最大值为 N N N,那么整个算法需要进行运算的次数不超过 m ∗ N 2 m*N^2 mN2

<think>好的,用户想了解具体的算法模型示例和详解。首先,我需要确定用户的需求是什么。他们可能对常见的算法模型感兴趣,比如机器学习中的经典算法或者大模型如GPT-3。根据用户提供的引用,他们提到了大模型算法、BPE、维特比算法和XLNet。因此,我应该围绕这些内容展开。 接下来,我需要检查用户的问题是否覆盖了这些引用中的内容。引用[1]提到了GPT-3,引用[2]是BPE算法,引用[3]是维特比算法,引用[4]是XLNet。所以,我应该详细解释这四个算法模型,每个模型给出一个示例,比如代码片段或数学公式,并确保符合LaTeX格式要求。 然后,我要确保回答结构清晰,分点说明每个模型,并生成相关问题。用户可能需要进一步的信息,比如应用场景、优化方法等,所以相关问题需要针对每个模型的特点来设计。 还要注意使用中文回答,数学公式用$...$或$$...$$格式。比如在解释XLNet时,需要提到其排列语言模型,使用排列操作的数学表达式。在维特比算法中,可能需要状态转移的概率公式。 另外,要检查代码示例是否正确,比如维特比算法的Python实现是否符合引用中的描述。同时,确保每个引用标识正确对应到用户提供的参考资料,例如GPT-3对应引用[1],BPE对应引用[2],维特比对应引用[3],XLNet对应引用[4]。 最后,生成的相关问题需要覆盖每个模型的细节,比如性能优化、比较优缺点、应用场景等,这样用户可以根据问题进一步探索。整个过程需要保持自然,信息准确,结构清晰,符合用户的要求。</think>### 算法模型详解与示例 #### 1. **GPT-3(生成式预训练模型第三代)** - **核心原理**:基于Transformer架构,通过自注意力机制捕捉长距离依赖关系。模型参数规模达1750亿,支持文本生成、问答、翻译等任务[^1]。 - **数学表达**:自注意力权重计算: $$ \text{Attention}(Q,K,V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right)V $$ 其中$Q$、$K$、$V$分别表示查询、键、值矩阵,$d_k$为维度。 - **示例应用**:生成文本补全: ```python import openai response = openai.Completion.create( engine="davinci", prompt="人工智能的未来是", max_tokens=50 ) ``` #### 2. **BPE(字节对编码)** - **核心原理**:一种子词切分算法,通过合并高频字符对逐步构建词表,解决未登录词问题[^2]。 - **算法步骤**: 1. 初始化词表为所有单字符 2. 统计相邻字符对频率,合并最高频对 3. 重复直到达到目标词表大小 - **示例**:输入`["low","lower","newest"]`,合并`es`和`est`后生成子词`est`。 #### 3. **维特比算法** - **核心原理**:动态规划求解隐马尔可夫模型(HMM)最可能状态序列[^3]。 - **数学表达**:状态转移概率最大化: $$ \delta_t(j) = \max_{i} \left[ \delta_{t-1}(i) \cdot a_{ij} \cdot b_j(o_t) \right] $$ 其中$a_{ij}$为转移概率,$b_j(o_t)$为发射概率。 - **Python实现**(简化版): ```python def viterbi(obs, states, start_p, trans_p, emit_p): V = [{}] for st in states: V[0][st] = {"prob": start_p[st] * emit_p[st][obs[0]], "prev": None} for t in range(1, len(obs)): V.append({}) for st in states: max_tr_prob = max(V[t-1][prev_st]["prob"]*trans_p[prev_st][st] for prev_st in states) V[t][st] = {"prob": max_tr_prob * emit_p[st][obs[t]], "prev": prev_st} return V ``` #### 4. **XLNet** - **核心原理**:通过排列语言模型(Permutation LM)消除BERT的双向编码限制,结合自回归优势[^4]。 - **关键创新**:对输入序列所有排列顺序进行期望计算: $$ \max_\theta \mathbb{E}_{z\sim Z_T} \left[ \sum_{t=1}^T \log p_\theta(x_{z_t}|x_{z_{<t}}) \right] $$ 其中$Z_T$为位置索引的排列集合。 - **应用场景**:长文本理解、生成任务(如文档摘要)。 ---
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