理解Markov假设

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理解Markov假设

2023-12-11 07:20| 来源: 网络整理| 查看: 265

引言

Markov假设是基于模板表示的时序模型的基础。也是理解HMM的前提。 简单说来,Markov假设使得概率计算得到简化。下面讲解如何直观的理解Markov假设,以及它详细推导过程。

时序模型

当对动态环境进行建模时,我们感兴趣的是,当问题的状态随时间变化时,对其关于状态进行推理。

这种环境可以根据系统状态进行建模。用 X(t) X ( t ) 表示系统变量(也叫模板变量)。可以用下面的贝叶斯网来表示时序模型。

这里写图片描述

在这个模型中,概率 P(X(0:T)) P ( X ( 0 : T ) ) 的表达如下:

P(X(0:T))=P(X(0),X(1),X(2),...,X(T)) P ( X ( 0 : T ) ) = P ( X ( 0 ) , X ( 1 ) , X ( 2 ) , . . . , X ( T ) )

概率 P(X(0:T)) P ( X ( 0 : T ) ) 的计算如下:

P(X(0:T))=P(X(0),X(1),X(2),...,X(T)) P ( X ( 0 : T ) ) = P ( X ( 0 ) , X ( 1 ) , X ( 2 ) , . . . , X ( T ) ) =P(X(0))P(X(1)|X(0))P(X(2)|X(0:1))...P(X(T)|X(0:T−1)) = P ( X ( 0 ) ) P ( X ( 1 ) | X ( 0 ) ) P ( X ( 2 ) | X ( 0 : 1 ) ) . . . P ( X ( T ) | X ( 0 : T − 1 ) )

所以,一般表达式为:

P(X(0:T))=P(X(0))∏0T−1P(X(t+1)|X(0:t)) P ( X ( 0 : T ) ) = P ( X ( 0 ) ) ∏ 0 T − 1 P ( X ( t + 1 ) | X ( 0 : t ) )

这个概率的计算还是比较复杂的。有没有办法简化呢?

Markov假设

只要时序模型满足Markov假设,概率 P(X(0:T)) P ( X ( 0 : T ) ) 的计算就能得到简化。

所谓Markov假设,就是

X(t+1)⊥X(0:t−1)|X(t) X ( t + 1 ) ⊥ X ( 0 : t − 1 ) | X ( t )

即 X(t+1) X ( t + 1 ) 与 X(0:t−1) X ( 0 : t − 1 ) 关于 X(t) X ( t ) 条件独立。

满足Markov假设的贝叶斯网如下

这里写图片描述

这样的贝叶斯网比上图简化了不少,所以计算 P(X(0:T)) P ( X ( 0 : T ) ) 也得到了简化:

P(X(0:T))=P(X(0))∏0T−1P(X(t+1)|X(t)) P ( X ( 0 : T ) ) = P ( X ( 0 ) ) ∏ 0 T − 1 P ( X ( t + 1 ) | X ( t ) )

总结

满足Markov假设后,概率 P(X(0:T)) P ( X ( 0 : T ) ) 的计算可以得到简化。满足Markov假设的贝叶斯网,各模板变量之间的关系也简单一些。

参考 (1) Daphne Koller。概率图模型。第六章-基于模板的表示


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