如何用簡單易懂的例子解釋隱馬爾可夫模型？（進階篇）

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作者：
Yang Eninala鏈接：
https://www.zhihu.com/question/20962240/answer/33438846

昨天通俗易懂的講解了什麼是HMM，沒看的點這裡。那麼今天就來看看，具體理論是什麼以及數學上怎麼計算的呢？

導讀

和HMM模型相關的演算法主要分為三類，分別解決三種問題：

1）知道骰子有幾種（隱含狀態數量），每種骰子是什麼（轉換概率），根據擲骰子擲出的結果（可見狀態鏈），我想知道每次擲出來的都是哪種骰子（隱含狀態鏈）。

這個問題呢，在語音識別領域呢，叫做解碼問題。這個問題其實有兩種解法，會給出兩個不同的答案。每個答案都對，只不過這些答案的意義不一樣。第一種解法求最大似然狀態路徑，說通俗點呢，就是我求一串骰子序列，這串骰子序列產生觀測結果的概率最大。第二種解法呢，就不是求一組骰子序列了，而是求每次擲出的骰子分別是某種骰子的概率。比如說我看到結果後，我可以求得第一次擲骰子是D4的概率是0.5，D6的概率是0.3，D8的概率是0.2.在這裡我們主要講第一種解法。

2）還是知道骰子有幾種（隱含狀態數量），每種骰子是什麼（轉換概率），根據擲骰子擲出的結果（可見狀態鏈），我想知道擲出這個結果的概率。看似這個問題意義不大，因為你擲出來的結果很多時候都對應了一個比較大的概率。問這個問題的目的呢，其實是檢測觀察到的結果和已知的模型是否吻合。如果很多次結果都對應了比較小的概率，那麼就說明我們已知的模型很有可能是錯的，有人偷偷把我們的骰子給換了。

3）知道骰子有幾種（隱含狀態數量），不知道每種骰子是什麼（轉換概率），觀測到很多次擲骰子的結果（可見狀態鏈），我想反推出每種骰子是什麼（轉換概率）。這個問題很重要，因為這是最常見的情況。很多時候我們只有可見結果，不知道HMM模型裏的參數，我們需要從可見結果估計出這些參數，這是建模的一個必要步驟。

問題闡述完了，下面就開始說解法。（0號問題在上面沒有提，只是作為解決上述問題的一個輔助）

0.一個簡單問題

其實這個問題實用價值不高。由於對下面較難的問題有幫助，所以先在這裡提一下。

知道骰子有幾種，每種骰子是什麼，每次擲的都是什麼骰子，根據擲骰子擲出的結果，求產生這個結果的概率。

解法無非就是概率相乘：

1.看見不可見的，破解骰子序列

這裡我說的是第一種解法，解最大似然路徑問題。舉例來說，我知道我有三個骰子，六面骰，四面骰，八面骰。我也知道我擲了十次的結果（1 6 3 5 2 7 3 5 2 4），我不知道每次用了那種骰子，我想知道最有可能的骰子序列。

其實最簡單而暴力的方法就是窮舉所有可能的骰子序列，然後依照第零個問題的解法把每個序列對應的概率算出來。然後我們從裡面把對應最大概率的序列挑出來就行了。如果馬爾可夫鏈不長，當然可行。如果長的話，窮舉的數量太大，就很難完成了。

另外一種很有名的演算法叫做Viterbi algorithm. 要理解這個演算法，我們先看幾個簡單的列子。

首先，如果我們只擲一次骰子：

看到結果為1.對應的最大概率骰子序列就是D4，因為D4產生1的概率是1/4，高於1/6和1/8.

把這個情況拓展，我們擲兩次骰子：

結果為1，6.這時問題變得複雜起來，我們要計算三個值，分別是第二個骰子是D6，D4，D8的最大概率。顯然，要取到最大概率，第一個骰子必須為D4。這時，第二個骰子取到D6的最大概率是

同樣的，我們可以計算第二個骰子是D4或D8時的最大概率。我們發現，第二個骰子取到D6的概率最大。而使這個概率最大時，第一個骰子為D4。所以最大概率骰子序列就是D4 D6。

繼續拓展，我們擲三次骰子：

同樣，我們計算第三個骰子分別是D6，D4，D8的最大概率。我們再次發現，要取到最大概率，第二個骰子必須為D6。這時，第三個骰子取到D4的最大概率是

同上，我們可以計算第三個骰子是D6或D8時的最大概率。我們發現，第三個骰子取到D4的概率最大。而使這個概率最大時，第二個骰子為D6，第一個骰子為D4。所以最大概率骰子序列就是D4 D6 D4。

寫到這裡，大家應該看出點規律了。既然擲骰子一二三次可以算，擲多少次都可以以此類推。我們發現，我們要求最大概率骰子序列時要做這麼幾件事情。首先，不管序列多長，要從序列長度為1算起，算序列長度為1時取到每個骰子的最大概率。然後，逐漸增加長度，每增加一次長度，重新算一遍在這個長度下最後一個位置取到每個骰子的最大概率。因為上一個長度下的取到每個骰子的最大概率都算過了，重新計算的話其實不難。當我們算到最後一位時，就知道最後一位是哪個骰子的概率最大了。然後，我們要把對應這個最大概率的序列從後往前推出來。

2.誰動了我的骰子？

比如說你懷疑自己的六面骰被賭場動過手腳了，有可能被換成另一種六面骰，這種六面骰擲出來是1的概率更大，是1/2，擲出來是2，3，4，5，6的概率是1/10。你怎麼辦麼？答案很簡單，算一算正常的三個骰子擲出一段序列的概率，再算一算不正常的六面骰和另外兩個正常骰子擲出這段序列的概率。如果前者比後者小，你就要小心了。

比如說擲骰子的結果是：

要算用正常的三個骰子擲出這個結果的概率，其實就是將所有可能情況的概率進行加和計算。同樣，簡單而暴力的方法就是把窮舉所有的骰子序列，還是計算每個骰子序列對應的概率，但是這回，我們不挑最大值了，而是把所有算出來的概率相加，得到的總概率就是我們要求的結果。這個方法依然不能應用於太長的骰子序列（馬爾可夫鏈）。

我們會應用一個和前一個問題類似的解法，只不過前一個問題關心的是概率最大值，這個問題關心的是概率之和。解決這個問題的演算法叫做前向演算法（forward algorithm）。

首先，如果我們只擲一次骰子：

看到結果為1.產生這個結果的總概率可以按照如下計算，總概率為0.18：