人工智能之馬爾可夫模型（MM）概述

這里“MM”-馬爾可夫模型，不是跟中國(guó)網(wǎng)絡(luò)俗語(yǔ)“美眉”有關(guān)，而是跟俄國(guó)的“老司機(jī)”馬爾可夫有關(guān)。

這位“老司機(jī)”全名叫安德雷·安德耶維齊·馬爾可夫（Андрей Андреевич Марков），是俄國(guó)數(shù)學(xué)家。1874年18歲的馬爾可夫考入圣彼得堡大學(xué)，師從切比雪夫（另一位俄國(guó)“老司機(jī)”，著名的切比雪夫定理-概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)），物理-數(shù)學(xué)博士，畢業(yè)后留校任教，圣彼得堡大學(xué)教授，圣彼得堡科學(xué)院院士。在概率論、數(shù)論、函數(shù)逼近論和微分方程等方面卓有成就。

馬爾可夫模型概述：

馬爾可夫模型MM（MarkovModel）是一種統(tǒng)計(jì)模型。它的原始模型馬爾可夫鏈，由俄國(guó)數(shù)學(xué)家馬爾可夫于1906年提出，將此一般化到可數(shù)無(wú)限狀態(tài)空間是由柯?tīng)柲宸蛟?936年給出的。馬爾可夫鏈?zhǔn)桥c馬爾可夫過(guò)程緊密相關(guān)。馬爾可夫過(guò)程是研究離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)空間的重要方法，它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是隨機(jī)過(guò)程理論。

馬爾可夫性質(zhì)：

此性質(zhì)稱(chēng)為馬爾可夫性質(zhì)（Markov Property），亦稱(chēng)無(wú)后效性或無(wú)記憶性。

若X（t）為離散型隨機(jī)變量，則馬爾可夫性亦滿(mǎn)足等式。

馬爾可夫過(guò)程：

若隨機(jī)過(guò)程{X（t）， t屬于T}滿(mǎn)足馬爾可夫性質(zhì)，則稱(chēng)為馬爾可夫過(guò)程。

比如，荷花池中一只青蛙的跳躍，液體中微粒所作的布朗運(yùn)動(dòng)，傳染病受感染的人數(shù)，原子核中一自由電子在電子層中的跳躍，人口增長(zhǎng)過(guò)程、闖迷宮的老鼠等都可視為馬爾可夫過(guò)程。

常見(jiàn)馬爾可夫過(guò)程有：

（1）獨(dú)立隨機(jī)過(guò)程為馬爾可夫過(guò)程。

（2）獨(dú)立增量過(guò)程為馬爾可夫過(guò)程。

（3）泊松過(guò)程為馬爾可夫過(guò)程。

（4）維納過(guò)程為馬爾可夫過(guò)程。

（5）質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)游動(dòng)過(guò)程為馬爾可夫過(guò)程。

跟樸素貝葉斯、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法不同，馬爾可夫過(guò)程不必給處理的數(shù)據(jù)打標(biāo)簽。馬爾可夫過(guò)程更側(cè)重于處理控制或決策問(wèn)題。

馬爾可夫過(guò)程用于預(yù)測(cè)基本步驟：首先確定系統(tǒng)狀態(tài)，然后確定狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移概率，再進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析-若結(jié)果合理，則可提交預(yù)測(cè)報(bào)告，否則需檢查系統(tǒng)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率是否正確。

馬爾可夫鏈：

馬爾可夫鏈MC（Markov Chain）是指數(shù)學(xué)中具有馬爾可夫性質(zhì)的離散事件隨機(jī)過(guò)程。該過(guò)程中，在給定當(dāng)前知識(shí)或信息的情況下，過(guò)去對(duì)于預(yù)測(cè)將來(lái)是無(wú)關(guān)的。在馬爾可夫鏈的每一步，系統(tǒng)根據(jù)概率分布，可以從一個(gè)狀態(tài)變到另一個(gè)狀態(tài)，也可以保持當(dāng)前狀態(tài)。狀態(tài)的改變叫做轉(zhuǎn)移，與不同的狀態(tài)改變相關(guān)的概率叫做轉(zhuǎn)移概率。

時(shí)間和狀態(tài)都離散的馬爾可夫過(guò)程成為馬爾可夫鏈MC。

馬爾可夫鏈原理：

馬爾可夫鏈MC描述了一種狀態(tài)序列，其每個(gè)狀態(tài)值取決于前面有限個(gè)狀態(tài)。馬爾可夫鏈?zhǔn)蔷哂旭R爾可夫性質(zhì)的隨機(jī)變量的一個(gè)數(shù)列。這些變量的范圍，即它們所有可能取值的集合，被稱(chēng)為“狀態(tài)空間”，而的值則是在時(shí)間n的狀態(tài)。

馬爾可夫鏈?zhǔn)桥c馬爾可夫過(guò)程緊密相關(guān)。運(yùn)用馬爾可夫鏈只需要最近或現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)資料便可預(yù)測(cè)將來(lái)。

馬爾可夫鏈性質(zhì)：

馬爾可夫鏈MC具有以下性質(zhì)：

1）正定性：狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣中的每一個(gè)元素被稱(chēng)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，由概率論知識(shí)可知，每個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率皆為正數(shù)，用公式即可表示為：

2）有限性：由概率論知識(shí)知，狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣中的每一行狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣中每行相加皆為1，用公式可表示為：

馬爾可夫序列分類(lèi)器：

序列分類(lèi)器或序列標(biāo)號(hào)器是給序列中的某個(gè)單元指派類(lèi)或者標(biāo)號(hào)的模型。諸如：詞類(lèi)標(biāo)注、語(yǔ)音識(shí)別、句子切分、字素音位轉(zhuǎn)換、局部句法剖析、語(yǔ)塊分析、命名實(shí)體識(shí)別、信息抽取都屬于序列分類(lèi)。

馬爾可夫序列分類(lèi)器為：

1）顯馬爾可夫模型（VMM），又叫馬爾可夫模型MM。

2）隱馬爾可夫模型（HMM），描述一個(gè)含有隱含未知參數(shù)的馬爾可夫過(guò)程，是一個(gè)雙重隨機(jī)過(guò)程（包括馬爾可夫鏈和一般隨機(jī)過(guò)程）。

馬爾可夫模型應(yīng)用：

馬爾可夫模型廣泛應(yīng)用在語(yǔ)音識(shí)別，詞性自動(dòng)標(biāo)注，音字轉(zhuǎn)換，概率文法等各個(gè)自然語(yǔ)言處理、算術(shù)編碼、地理統(tǒng)計(jì)學(xué)、企業(yè)產(chǎn)品市場(chǎng)預(yù)測(cè)、人口過(guò)程、生物信息學(xué)（編碼區(qū)域或基因預(yù)測(cè)）等應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，尤其是在語(yǔ)音識(shí)別中的成功應(yīng)用，使它成為一種通用的統(tǒng)計(jì)工具。

1）狀態(tài)統(tǒng)計(jì)建模：馬爾可夫鏈通常用來(lái)建模排隊(duì)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)中的建模。還可作為信號(hào)模型用于熵編碼技術(shù)等。馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)法是一種適用于隨機(jī)過(guò)程的科學(xué)、有效的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法。馬爾可夫鏈有眾多的生物學(xué)應(yīng)用，特別是人口過(guò)程，可以幫助模擬生物人口過(guò)程的建模。

2）隱蔽馬爾可夫模型（HMM）還被用于生物信息學(xué)，用以編碼區(qū)域或基因預(yù)測(cè)。1980年代后半期，HMM開(kāi)始應(yīng)用到生物序列尤其是DNA的分析中。此后，在生物信息學(xué)領(lǐng)域HMM逐漸成為一項(xiàng)不可或缺的技術(shù)。到目前為止，隱馬爾可夫模型（HMM）一直被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)快速精確的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的最成功的方法。復(fù)雜的語(yǔ)音識(shí)別問(wèn)題通過(guò)隱含馬爾可夫模型能非常簡(jiǎn)單地被表述、解決，讓人們由衷地感嘆數(shù)學(xué)模型之妙。

3）馬爾科夫鏈蒙特卡羅方法（Markov Chain Monte Carlo）方法： 馬爾科夫鏈蒙特卡羅MCMC是在樸素貝葉斯論框架下，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬的蒙特卡羅方法，該方法將馬爾科夫鏈（MC）引入到蒙特卡羅（MC）模擬中，實(shí)現(xiàn)隨著抽樣分布隨機(jī)模擬的進(jìn)行而改變的動(dòng)態(tài)模擬，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的蒙特卡羅積分只能靜態(tài)模擬的缺陷，是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法。

結(jié)語(yǔ)：

馬爾可夫模型（Markov Model）是一種統(tǒng)計(jì)模型。它的原始模型馬爾可夫鏈，由俄國(guó)數(shù)學(xué)家馬爾可夫于1906年提出。運(yùn)用馬爾可夫鏈只需要最近或現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)資料便可預(yù)測(cè)將來(lái)。馬爾可夫鏈?zhǔn)桥c馬爾可夫過(guò)程緊密相關(guān)。馬爾可夫過(guò)程是研究離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)空間的重要方法，它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是隨機(jī)過(guò)程理論。馬爾可夫模型在及人工智能之自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。