这次学习会讲了隐马尔科夫链,这是一个特别常见的模型,在
自然语言处理
中的应用也非常多。
常见的应用比如
分词,词性标注,命名实体识别等问题序列标注问题
均可使用隐马尔科夫模型.
下面,我根据自己的理解举例进行讲解一下HMM的基本模型以及三个基本问题,希望对大家理解有帮助~
隐马尔可夫模型是关于时序的概率模型,描述由一个隐藏的马尔可夫链随机生成不可观测的状态随机序列,再由各个状态生成一个观测而产生观测随机序列的过程。
隐藏的马尔可夫链随机生成的状态的序列,称为状态序列(state sequence);每个状态生成一个观测,而由此产生的观测的随机序列,称为观测序列(observation sequence)。
序列的每一个位置又可以看作是一个时刻。
下面我们引入一些符号来表示这些定义:
设Q是所有可能的状态的集合,V是所有可能的观测的集合。
其中,N是可能的状态数,M是可能的观测数。
状态q是不可见的,观测v是可见的。
应用到
词性标注
中,v代表词语,是可以观察到的。q代表我们要预测的词性(一个词可能对应多个词性)是隐含状态。
应用到
分词
中,v代表词语,是可以观察的。q代表我们的标签(B,E这些标签,代表一个词语的开始,或者中间等等)
应用到
命名实体识别
中,v代表词语,是可以观察的。q代表我们的标签(标签代表着地点词,时间词这些)
上面提到的方法,有兴趣的同学可以再细入查阅相应资料。
I是长度为T的状态序列,O是对应的观测序列。
我们可以看做是给定了一个词(O)+词性(I)的训练集。
或者一个词(O)+分词标签(I)的训练集....有了训练数据,
那么再加上训练算法则很多问题也就可以解决了
,问题后面慢慢道来~
我们继续定义A为状态转移概率矩阵:
其中,
是在时刻t处于状态qi的条件下在时刻t+1转移到状态qj的概率。
B是观测概率矩阵:
其中,
是在时刻t处于状态qj的条件下生成观测vk的概率(
也就是所谓的“发射概率”
)。
所以我们在其它资料中,常见到的生成概率与发射概率其实是一个概念。
π是初始状态概率向量:
其中,
隐马尔可夫模型由初始状态概率向量π、状态转移概率矩阵A和观测概率矩阵B决定。π和A决定状态序列,B决定观测序列。因此,隐马尔可夫模型可以用三元符号表示,即
称为隐马尔可夫模型的三要素。
如果加上一个具体的状态集合Q和观测序列V,构成了HMM的五元组,这也是隐马尔科夫模型的所有组成部分。
举例来说明一下,例子如下:(例子来源于维基百科)
考虑一个村庄,所有村民都健康或发烧,只有村民医生才能确定每个人是否发烧。医生通过询问患者的感受来诊断发烧。村民只能回答说他们觉得正常,头晕或感冒。(
这里的正常,头晕,感冒就是我们前面说的观察序列
)
医生认为,他的患者的健康状况作为离散的马可夫链。 “健康”和“发烧”有两个状态,但医生不能直接观察他们;健康与发烧的状态是隐藏的(这
里的健康与发烧就是我们前面说的隐藏状态
)。每天都有机会根据患者的健康状况,病人会告诉医生他/她是“正常”,“感冒”还是“头昏眼花”。
观察(正常,感冒,晕眩)以及隐藏的状态(健康,发烧)形成隐马尔可夫模型(HMM),并可以用Python编程语言表示如下:
在这段代码中,start_probability代表了医生对患者首次访问时HMM所处的状态的信念(他知道患者往往是健康的)。
这里使用的特定概率分布不是平衡的,它是(给定转移概率)大约{'健康':0.57,'发烧':0.43}。(
这里代表的就是我们前面说的初始状态概率pi