转载:爱情的隐式马尔可夫模型(Love in the Hidden Markov Model)

本文来源于网络,原英文作者是Tom Yeh,后来Liu Wei把原文翻译成中文,对隐式马尔可夫模型(HMM)进行了生动的描述。出处链接均已失效,故无法在本文提供最初的出处链接,谨对两位作者表示感谢。以下是Liu Wei的中文译文——

首先感谢原英文作者Tom Yeh在其主页的精彩描述,生动地讲述了HMM模型的原理,在此我斗胆用我自己的语言用中文修改描述一次。

男生和女生分别是来自不同星球的科学事实已经众所周知的了。男生们总是认为,女生们都是迷一样的生物,他们的情感状态浮动似乎是以秒单位在变化的,难以理解,更勿论预测了!而女生们觉得男生都是没有感觉动物,完全不能理解什么叫感受——尽管[......]

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图中的“大蒜阵”,僵尸最终会死在哪一行的推车上?

这是果壳网上的一篇转载文章[1]——
zombies
这是最后一只僵尸,他啃完南瓜后将开始进入大蒜阵。假设:僵尸啃大蒜后将等概率地到相邻两行(如果在第1或5行则只能进入2或4行),並且其在某一列啃满四次后,第五次在该列啃大蒜的时候将进入相邻行的下一列,到最后一列时会被车推死。问,该僵尸死于中间那辆车下的概率。

该贴中的“文艺算法”用到了马尔可夫模型,但列出的式子有点不规范,应该如下:
$$! \begin{array}{l} S &= \begin{bmatrix} 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 &[......]

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Dice Roll

连续抛掷一枚标准的骰子(即出现6种点数的概率一样,均为1/6)直至点数和超过12。则点数和最有可能是多少?例如,如果点数依次为3、6、1、5,则点数和为15。

一种解法是穷举所有点数系列,看看哪个点数和最有可能。但有另一种更巧妙的方法。假如点数系列之和为14,则最后一次抛骰子的点数不可能是1,否则点数和为13(已经超过12)而终止。对于产生14的所有点数系列,如果最后一次的点数均减少1,则可以产生13(因得到14的最后一次不能是1,所以得到14的最后一次骰子点数只能是2、3、4、5、6,那么若最后一次骰子点数改为1,2,3,4,5,这些点数系列之和就会得到13),因此,出现点数和为[......]

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连续抛掷一枚出现正面的概率为p的硬币

一、首次出现正面时抛掷次数的平均值E(N)。

令Y=1表示第一次掷硬币的结果是正面,Y=0表示第一次掷硬币的结果是反面,则:

E(N) = E(N|Y=0) × P(Y=0) + E(N|Y=1) × P(Y=1)
=[1 + E(N)] × (1-p) + 1×p
=1 + (1-p) × E(N)

所以:E(N) = 1/p

另一种方法是使用吸收马尔可夫链,以硬币处于正面的状态为吸收状态,易得标准形式的转移矩阵为:


则有:N = (I-B)-1 =[......]

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Trials Until First Success

On the average, how many times must a die be thrown until one gets a 6?

这是《Fifty Challenging Problems in Probability with Solutions》书中的第4个题目[1],书中给出了两种解法。

方法一:

设p为在一次掷骰子中得到6的概率(很明显,p=1/6),令q=1-p。则首次掷到6的概率分布为:

[......]

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次数 概率
1 p

正则链(Regular Markov Chains)

一个具有n个状态的马尔可夫链如果存在正整数N,使从任意状态i经过N次转移都能以大于零的概率到达状态j(i,j=1,2,...n),则称此马氏链为正则链(Regular Markov Chains)[1]

正则链的判断方法:对于概率矩阵P,若其某幂次方Pm的所有元素皆为正数,则矩阵P称为正规概率矩阵,此时马氏链称为正则链,或者称马氏链具有遍历性(Ergodicity)[2]

一个具有遍历性的马尔可夫链经过相当长的时间后,它处于各个状态的概率趋于稳定,且概率稳定值与初始状态无关。在工程技术中,当马尔可夫链的极限概率分布存在时,它的遍历性表示一个系统经过相当长时间后趋于平衡状态,这时[......]

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吸收马尔可夫链

在马尔可夫链中,称Pij=1的状态为吸收状态。如果一个马尔可夫链中至少包含一个吸收状态,并且从每一个非吸收状态出发,都可以到达某个吸收状态,那么这个马尔可夫链称为吸收马尔可夫链(Absorbing Markov Chains)[1]

在上图的醉汉游走模型中,当醉汉处于位置1、2或者3时,他将会以等概率(1/2)向左或者向右走,他一直走,直到他到达位置0(他的家)或者位置4(酒吧)才停止游走。这模型的转移矩阵为:

Drunkard's Walk转移矩阵

含有r个吸收状态和t个非吸收状态的吸收链,其转移矩阵的标准形式为:

DW转移矩阵标准形式

其中,I是一个r×r的单位矩阵,0是一个r×t的零矩阵,R是一个t×r的[......]

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马尔可夫链

马尔可夫链(Markov Chains)[1]是具有马尔可夫性质的离散时间随机过程。该过程在给定当前知识或信息的情况下,只有当前的状态用来预测将来,过去(即当前以前的历史状态)对于预测将来(即当前以后的未来状态)是无关的,即t+1时刻系统状态的概率分布只与t时刻的状态有关,与t时刻以前的状态无关。在马尔可夫链的每一步,系统根据概率分布,可以从一个状态转移到另一个状态,也可以保持当前状态。

设马尔可夫链从状态Pi转移到Pj的转移概率为pij,则有一步转移概率矩阵:
$$! \begin{equation} P=P(1)=\left[ \begin{matrix} {{p}_{11}} &[......]

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