保姆韦尔奇方法Baum-Welch

本文详细介绍了Baum-Welch算法的工作原理及其在隐马尔科夫模型中的应用。通过具体实例演示了如何使用该算法进行参数估计,并提供了完整的Python代码实现。
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保姆韦尔奇方法Baum-Welch

本例中的代码为用保姆韦尔奇方法实现的机器学习算法,请轻拍

# -*- coding:utf-8 -*-  
import sys

# alpha函数
def alpha(A, B, PI, O): 
    a = [[0 for _ in range(len(A))] for _ in range(len(O))]
    # 设置初始化的值
    for i in range(len(A)):
        a[0][i] = PI[i] * B[i][O[0]]
    # 根据前向算法计算概率
    for t in range(1, len(O)):
        for j in range(len(A)):   # 状态转换到达的下一个状态
            sum = 0
            for i in range(len(A)):
                sum += a[t-1][i] * A[i][j]
            a[t][j] = sum * B[j][O[t]]
    return a


# beta函数
def beta(A, B, PI, O):
    b = [[0 for _ in range(len(A))] for _ in range(len(O))]
    # 初始化
    for j in range(len(A)):
        b[len(O) - 1][j] = 1
    # 根据后向算法公式计算后向概率
    for t in reversed(range(0, len(O) - 1)):
        for i in range(len(A)):
            sum = 0 
            for j in range(len(A)):
                sum += A[i][j] * B[j][O[t + 1]] * b[t + 1][j]
            b[t][i] = sum
    return b


# 计算zeta的值
def zeta(alpha, beta, A, B, O):
    numerator = [[[0 for _ in range(len(A))] for _ in range(len(A))] for _ in range(len(O))]
    # 计算分子
    for t in range(len(O)):
        for i in range(len(A)):
            for j in range(len(A)):
                if t < len(O) - 2:
                    numerator[t][i][j] = alpha[t][i] * A[i][j] * B[j][O[t + 1]] * beta[t + 1][j]
                elif t < len(O) - 1:
                    numerator[t][i][j] = alpha[t][i] * A[i][j] * B[j][O[t + 1]]
                else:
                    numerator[t][i][j] = alpha[t][i]
    # 计算分母
    denominator = [0 for _ in range(len(O))]
    for t in range(len(O)):
        denominator[t] = 0 ;
        for i in range(len(A)):
            for j in range(len(A)):
                denominator[t] += numerator[t][i][j]

    # 计算整个zeta的值
    zeta = [[[0 for _ in range(len(A))] for _ in range(len(A))] for _ in range(len(O))]
    for t in range(len(O)):
        for i in range(len(A)):
            for j in range(len(A)):
                zeta[t][i][j] = numerator[t][i][j] / denominator[t]
    return zeta


def gamma(zeta, O):
    gamma = [[0 for _ in range(len(zeta[0]))] for _ in range(len(O))]
    for t in range(len(O)):
        for i in range(len(zeta[0])):
            gamma[t][i] = 0
            for j in range(len(zeta[0])):
                gamma[t][i] += zeta[t][i][j]
    return gamma

def calc_A(zeta, gamma):
    a = [[0 for _ in range(len(zeta[0]))] for _ in range(len(zeta[0]))]
    for i in range(len(zeta[0])):
        for j in range(len(zeta[0])):
            a[i][j] = sum(zeta[t][i][j] for t in range(len(zeta)-1)) / sum(gamma[t][i] for t in range(len(zeta)-1))
    return a

def calc_B(gamma, O, v):
    b = [[0 for _ in range(len(set(O)))] for _ in range(len(gamma[0]))]
    for j in range(len(gamma[0])):
        for k in range(len(set(O))):
            b[j][k] = sum([gamma[t][j] for t in range(len(O)) if O[t] == v[k] ]) / sum([gamma[t][j] for t in range(len(O))])
    return b

def calc_PI(gamma, A):
    pi = [0 for _ in range(len(A))]
    for i in range(len(A)):
        pi[i] = gamma[0][i]
    return pi

# v = observations
def baum_welch(A, B, PI , O, e, v):
    done = True
    while done:
        a = alpha(A, B, PI, O)
        b = beta(A, B, PI, O)
        z = zeta(a, b, A, B, O)
        g = gamma(z, O)
        newA = calc_A(z, g)
        newB = calc_B(g, O, v)
        newPI = calc_PI(g, A)
        print newPI
        A = newA
        B = newB
        PI = newPI
        # 达到一个阈值就可以停止循环。否则一直下去会等于0.
        if False:
            break



# 把状态转换map转化成为矩阵
def matrix(X, index1, index2):
    matrix = [[0 for _ in range(len(index2))] for _ in range(len(index1))]
    for row in X :
        for col in X[row] :
            matrix[index1.index(row)][index2.index(col)] = X[row][col]
    return matrix


if __name__ == "__main__":
    # 初始化,随机的给参数A、B、PI赋值
    states = ["相处", "拜拜"]   # 状态列表
    # 撒娇,小拳拳捶你胸口 
    # 状态输出概率,状态发射概率。
    observations = ["撒娇", "低头玩手机", "眼神很友好", "主动留下联系方式"] 
    A = {"相处": {"相处": 0.5, "拜拜": 0.5}, "拜拜": {"相处":.5, "拜拜": 0.5}}
    B = {"相处":{"撒娇":0.4,"低头玩手机":0.1,"眼神很友好":0.3,"主动留下联系方式":0.2},
         "拜拜":{"撒娇":0.1,"低头玩手机":0.5,"眼神很友好":0.2,"主动留下联系方式":0.2}
        }
    PI = [0.5, 0.5]                     # 初始状态概率
    O  = [1, 2, 0, 2, 3, 0]             # 时间t范围内的输出
    print len(set(O))
    # sys.exit()
    A = matrix(A, states, states)       # 状态转换概率
    B = matrix(B, states, observations) # 状态发射(输出)概率

    observations = [0, 1, 2, 3]
    print A
    print B
    print observations
    a = alpha(A, B, PI, O)
    b = beta(A, B, PI, O)
    baum_welch(A, B, PI , O, 0.05, observations)
... prompt'''

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### Baum-Welch算法原理详解 Baum-Welch算法是一种基于EM(Expectation-Maximization)算法的特殊形式,专门用于隐马尔可夫模型(HMM)中的参数学习问题。在HMM中,模型的隐藏状态序列不可观测,只能通过观测序列间接推断其结构。Baum-Welch算法的目标是通过最大化观测序列的似然函数,估计出最优的模型参数,包括状态转移矩阵、观测概率分布和初始状态分布。 算法的核心思想是通过迭代优化模型参数,使得观测序列的似然性最大化。具体而言,Baum-Welch算法包含两个主要步骤:E步(期望步骤)和M步(最大化步骤)。在E步中,算法基于当前模型参数计算观测序列下各状态的后验概率,通常使用前向-后向算法(Forward-Backward Algorithm)来实现。在M步中,利用这些后验概率更新模型参数,以提高观测序列的似然性。 这一迭代过程会持续进行,直到满足收敛条件。收敛条件通常基于似然性的变化,当观测序列的对数似然变化小于某个阈值时,算法终止。在整个过程中,观测序列的似然性是不断提高的,即新参数更能使观测序列出现的概率最大化。 ### 应用场景 Baum-Welch算法广泛应用于需要处理隐藏状态序列的问题,特别是在语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域。例如,在语音识别中,观测序列可以是语音信号的特征向量,而隐藏状态序列则对应于语音中的音素或词语。通过Baum-Welch算法,可以学习出最优的HMM参数,从而提高语音识别的准确性。 在自然语言处理中,Baum-Welch算法常用于词性标注任务。给定一个句子的词语序列,算法可以学习出最优的状态转移矩阵和观测概率分布,从而准确地预测每个词语的词性标签。此外,在生物信息学中,Baum-Welch算法被用于基因序列分析,通过建模DNA序列的隐藏状态(如外显子、内含子等),帮助研究人员识别基因的功能区域。 ### 示例代码 以下是一个简单的Python代码示例,演示了如何使用Baum-Welch算法来训练一个隐马尔可夫模型: ```python import numpy as np from hmmlearn import hmm # 创建示例数据 np.random.seed(0) n_samples = 1000 lengths = [100] * 10 # 每个序列的长度 X = np.random.randint(0, 2, (n_samples, 1)) # 二值观测序列 # 定义HMM模型并使用Baum-Welch算法训练 model = hmm.MultinomialHMM(n_components=2, n_iter=50) model.fit(X, lengths) # 输出模型参数 print("初始状态分布:", model.startprob_) print("状态转移矩阵:\n", model.transmat_) print("观测概率分布:\n", model.emissionprob_) ``` 此代码片段使用了`hmmlearn`库中的`MultinomialHMM`类来执行Baum-Welch算法,以拟合一个包含两个隐藏状态的隐马尔可夫模型
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