隐马尔可夫过程:理论与生物学应用

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"(Hidden) Markov Processes: Theory and Applications to Biology by M. Vidyasagar" 本书《隐藏马尔科夫过程:理论与生物应用》深入探讨了在生物学领域使用的隐藏马尔科夫模型(HMM,Hidden Markov Models)。自1966年引入统计学文献以来,HMMs在1970年代中期开始应用于语音识别,这是非数学背景下的早期应用之一。书中的内容涵盖了计算生物学的基础以及概率论和随机变量的理论。 在第一章《计算生物学介绍》中,作者首先讨论了基因组的重要性,它是所有生命形式的基础。接着,书中解释了基因和蛋白质之间的关系,包括遗传密码的概念,即DNA如何编码蛋白质的信息。此外,本章还提到了基因寻找问题和蛋白质分类问题,这两个是生物信息学中的核心挑战。 第二章《概率论和随机变量入门》详细介绍了随机变量的基础知识。从随机变量的定义和概率分布开始,逐步讲解期望值、两个概率度量之间的总变差距离。接着,书中讨论了多个随机变量,包括联合分布和边缘分布,以及独立性和条件分布的概念。Bayes'规则在此处得到阐述,它是概率推理的关键工具。此外,最大后验估计(MAP)和最大似然估计(MLE)作为参数估计的方法也被介绍,这些都是统计推断中的常用技术。 第三章涉及可以取无限多个值的随机变量,这在处理连续随机变量时特别重要。书中还讨论了尾部概率估计,如马尔科夫不等式和切比雪夫不等式,这些是评估极端事件概率的有力工具。 隐藏马尔科夫模型在生物学中的应用,特别是在基因预测和蛋白质功能分析方面,是本书的重点。通过使用HMMs,科学家能够识别基因序列中的模式,预测蛋白质结构和功能,以及解决其他生物序列分析问题。HMMs的动态编程算法,如维特比算法(Viterbi Algorithm),在序列比对和模式识别中起着关键作用。 这本书不仅提供了隐藏马尔科夫模型的理论基础,还展示了如何将这些概念应用于实际的生物学问题中,对于生物信息学和计算生物学的研究者来说是一本宝贵的参考资料。通过学习这些内容,读者将能够理解和应用HMMs来解决复杂的生命科学问题。