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Python实现连续变量GHMM高斯隐马尔可夫模型

toyiye 2024-06-23 18:34 11 浏览 0 评论

实现GHMM的重点在于,将EM算法的两步分别实现出来,高斯HMM与普通HMM的区别在于它的观测值是连续变量,服从高斯分布假设,而原始HMM模型中观测值为离散变量。



E步的过程,就是假定观测值已知,参数已知,求这个观测值序列在此参数值下出现的概率,即后验概率。

E步代码如下:

"""E-step"""
def e_step(x_list, pi, A, phi):
    """ E-step: Compute posterior distribution of the latent variables,
    p(Z|X, theta_old). Specifically, we compute
      1) gamma(z_n): Marginal posterior distribution, and
      2) xi(z_n-1, z_n): Joint posterior distribution of two successive
         latent states

    Args:
        x_list (List[np.ndarray]): List of sequences of observed measurements
        pi (np.ndarray): Current estimated Initial state distribution (K,)
        A (np.ndarray): Current estimated Transition matrix (K, K)
        phi (Dict[np.ndarray]): Current estimated gaussian parameters

    Returns:
        gamma_list (List[np.ndarray]), xi_list (List[np.ndarray])
    """
    n_states = pi.shape[0]
    gamma_list = [np.zeros([len(x), n_states]) for x in x_list]
    xi_list = [np.zeros([len(x)-1, n_states, n_states]) for x in x_list]

    """ YOUR CODE HERE
    Use the forward-backward procedure on each input sequence to populate 
    "gamma_list" and "xi_list" with the correct values.
    Be sure to use the scaling factor for numerical stability.
    """
    from scipy.stats import norm as nm
    for oo in range(len(x_list)):
        T=len(x_list[oo])
        #create alpha, beta
        alphas=alpha(x_list[oo],n_states,pi,A,phi)
        betas=beta(x_list[oo],n_states,pi,A,phi)
        #compute gamma
        for k in range(n_states):
            gamma_list[oo][:,k]=np.multiply(alphas[:,k],betas[:,k])/np.sum(np.multiply(alphas,betas),axis=1)
        #compute xi
        #for k in range(n_states)
        for t in range(T-1):
            for j in range(n_states):
                for k in range(n_states):
                    xi_list[oo][t,j,k]=alphas[t,j]*A[j,k]*betas[t+1,k]*nm.pdf(x_list[oo][t+1],loc=phi["mu"][k],scale=phi["sigma"][k])
            xi_list[oo][t,:,:]/=np.sum(xi_list[oo][t,:,:])
    return gamma_list, xi_list

其中用到了前向后向算法,forward backward算法的本质,是使用递归的方式,快速计算E步。

Forward的实现如下:

#forward compute alpha
def alpha(x_list,n_states,pi,A,phi):
    from scipy.stats import norm as nm
    T=len(x_list)
    alpha=np.zeros((T,n_states))
    for k in range(n_states):
        alpha[0,k]=pi[k]*nm.pdf(x_list[0],loc=phi["mu"][k],scale=phi["sigma"][k])
    alpha[0,:] = alpha[0,:]/np.sum(alpha[0,:])
    for t in range(1,T):
        for j in range(n_states):
            for k in range(n_states):
                alpha[t,j] += alpha[t-1,k]*A[k,j]*nm.pdf(x_list[t],loc=phi["mu"][j],scale=phi["sigma"][j])
        alpha[t,:]=alpha[t,:]/np.sum(alpha[t,:])
    return alpha

Backward的实现如下:

#backward compute beta
def beta(x_list,n_states,pi,A,phi):
    from scipy.stats import norm as nm
    T=len(x_list)
    beta=np.zeros((T,n_states))
    beta[T-1,:]=1
    for t in reversed(range(T-1)):
        for j in range(n_states):
            for k in range(n_states):
                beta[t,j] += A[j,k]*beta[t+1,k]*nm.pdf(x_list[t+1],loc=phi["mu"][k],scale=phi["sigma"][k])
        beta[t,:]=beta[t,:]/np.sum(beta[t,:])
    return beta

这样就实现了gamma,和xi这两个关键中间变量的计算,从而完成E步的计算。

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