用Python实现em算法并回溯最优状态序列的代码

时间: 2024-03-06 17:51:12 浏览: 26
下面是使用Python实现EM算法并回溯最优状态序列的示例代码: ```python import numpy as np def forward_backward(obs, states, start_p, trans_p, emit_p): # Forward probability forward_prob = [{}] for state in states: forward_prob[0][state] = start_p[state] * emit_p[state][obs[0]] for t in range(1, len(obs)): forward_prob.append({}) for state in states: forward_prob[t][state] = sum(forward_prob[t-1][prev_state] * trans_p[prev_state][state] * emit_p[state][obs[t]] for prev_state in states) # Backward probability backward_prob = [{} for _ in obs] for state in states: backward_prob[-1][state] = 1 for t in range(len(obs)-2, -1, -1): for state in states: backward_prob[t][state] = sum(trans_p[state][next_state] * emit_p[next_state][obs[t+1]] * backward_prob[t+1][next_state] for next_state in states) # Posterior probability posterior_prob = [{} for _ in obs] total_prob = sum(forward_prob[-1].values()) for t in range(len(obs)): for state in states: posterior_prob[t][state] = forward_prob[t][state] * backward_prob[t][state] / total_prob return forward_prob, backward_prob, posterior_prob def viterbi(obs, states, start_p, trans_p, emit_p): # Viterbi algorithm viterbi_prob = [{}] path = {} for state in states: viterbi_prob[0][state] = start_p[state] * emit_p[state][obs[0]] path[state] = [state] for t in range(1, len(obs)): viterbi_prob.append({}) new_path = {} for state in states: (prob, state_) = max((viterbi_prob[t-1][prev_state] * trans_p[prev_state][state] * emit_p[state][obs[t]], prev_state) for prev_state in states) viterbi_prob[t][state] = prob new_path[state] = path[state_] + [state] path = new_path # Find the optimal path (prob, state) = max((viterbi_prob[-1][state], state) for state in states) return prob, path[state] def em_algorithm(obs, states, start_p, trans_p_init, emit_p_init, epsilon=0.001, max_iter=100): trans_p = trans_p_init.copy() emit_p = emit_p_init.copy() for i in range(max_iter): # E step forward_prob, backward_prob, posterior_prob = forward_backward(obs, states, start_p, trans_p, emit_p) # M step start_p = {state: posterior_prob[0][state] for state in states} for state in states: for next_state in states: trans_p[state][next_state] = sum(posterior_prob[t][state] * trans_p[state][next_state] * emit_p[next_state][obs[t+1]] * backward_prob[t+1][next_state] for t in range(len(obs)-1)) / sum(posterior_prob[t][state] * backward_prob[t][state] for t in range(len(obs)-1)) for observation in set(obs): emit_p[state][observation] = sum(posterior_prob[t][state] for t in range(len(obs)) if obs[t] == observation) / sum(posterior_prob[t][state] for t in range(len(obs)))) # Check for convergence log_likelihoods = [np.log(np.sum([forward_prob[t][state] * backward_prob[t][state] for state in states])) for t in range(len(obs))] log_likelihood = np.sum(log_likelihoods) if i > 0 and abs(log_likelihood - prev_log_likelihood) < epsilon: break prev_log_likelihood = log_likelihood # Find the optimal state sequence prob, state_seq = viterbi(obs, states, start_p, trans_p, emit_p) return prob, state_seq ``` 其中,`obs`表示观测序列,`states`表示状态集合,`start_p`表示状态初始概率分布,`trans_p`表示状态转移概率矩阵,`emit_p`表示状态发射概率矩阵。`forward_backward`函数实现前向-后向算法,返回前向概率、后向概率和后验概率;`viterbi`函数实现维特比算法,返回最大概率和最优状态序列;`em_algorithm`函数实现EM算法,返回最大似然和最优状态序列。

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