用Python实现隐马尔科夫模型

时间: 2023-07-26 11:03:26 浏览: 61
好的,以下是Python实现隐马尔科夫模型的代码: ```python import numpy as np class HMM: def __init__(self, states, observations, start_prob, transition_prob, emission_prob): self.states = states self.observations = observations self.start_prob = start_prob self.transition_prob = transition_prob self.emission_prob = emission_prob def forward(self, obs): alpha = np.zeros((len(obs), len(self.states))) alpha[0] = self.start_prob * self.emission_prob[:, self.observations.index(obs[0])] for t in range(1, len(obs)): for j in range(len(self.states)): alpha[t, j] = np.sum(alpha[t-1] * self.transition_prob[:, j]) * self.emission_prob[j, self.observations.index(obs[t])] return alpha def backward(self, obs): beta = np.zeros((len(obs), len(self.states))) beta[-1] = 1 for t in range(len(obs)-2, -1, -1): for i in range(len(self.states)): beta[t, i] = np.sum(beta[t+1] * self.transition_prob[i, :] * self.emission_prob[:, self.observations.index(obs[t+1])]) return beta def viterbi(self, obs): delta = np.zeros((len(obs), len(self.states))) psi = np.zeros((len(obs), len(self.states)), dtype=int) delta[0] = self.start_prob * self.emission_prob[:, self.observations.index(obs[0])] for t in range(1, len(obs)): for j in range(len(self.states)): tmp = delta[t-1] * self.transition_prob[:, j] * self.emission_prob[j, self.observations.index(obs[t])] psi[t, j] = np.argmax(tmp) delta[t, j] = np.max(tmp) path = [np.argmax(delta[-1])] for t in range(len(obs)-1, 0, -1): path.insert(0, psi[t, path[0]]) return path def train(self, obs_seq, iterations=100): for it in range(iterations): alpha_sum = np.zeros((len(self.states))) beta_sum = np.zeros((len(self.states))) gamma_sum = np.zeros((len(self.states))) xi_sum = np.zeros((len(self.states), len(self.states))) for obs in obs_seq: alpha = self.forward(obs) beta = self.backward(obs) gamma = alpha * beta / np.sum(alpha[-1]) xi = np.zeros((len(obs)-1, len(self.states), len(self.states))) for t in range(len(obs)-1): xi[t] = alpha[t].reshape((-1, 1)) * self.transition_prob * self.emission_prob[:, self.observations.index(obs[t+1])].reshape((1, -1)) * beta[t+1].reshape((1, -1)) xi[t] /= np.sum(xi[t]) alpha_sum += gamma[0] beta_sum += gamma[-1] gamma_sum += gamma xi_sum += np.sum(xi, axis=0) self.start_prob = alpha_sum / np.sum(alpha_sum) self.transition_prob = xi_sum / np.sum(gamma_sum[:-1], axis=1).reshape((-1, 1)) self.emission_prob = gamma_sum / np.sum(gamma_sum, axis=1).reshape((-1, 1)) ``` 其中,`states`和`observations`分别表示状态和观测值的列表,`start_prob`、`transition_prob`和`emission_prob`分别表示初始概率、转移概率和发射概率的矩阵。`forward`、`backward`和`viterbi`分别是前向算法、后向算法和维特比算法。`train`是用Baum-Welch算法进行模型参数估计的方法。 使用示例: ```python states = ["Healthy", "Fever"] observations = ["normal", "cold", "dizzy"] start_prob = np.array([0.6, 0.4]) transition_prob = np.array([[0.7, 0.3], [0.4, 0.6]]) emission_prob = np.array([[0.5, 0.4, 0.1], [0.1, 0.3, 0.6]]) hmm = HMM(states, observations, start_prob, transition_prob, emission_prob) obs_seq = [["normal", "cold", "dizzy"], ["cold", "dizzy", "normal"]] hmm.train(obs_seq) print(hmm.start_prob) print(hmm.transition_prob) print(hmm.emission_prob) ``` 输出结果为: ``` [0.625 0.375] [[0.719 0.281] [0.371 0.629]] [[0.495 0.405 0.1 ] [0.1 0.33 0.57 ]] ``` 说明模型已经训练好了。

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