機(jī)器學(xué)習(xí)day19概率圖模型

概率圖模型

概率圖模型(Probabilistic Graphic Model)派任,能夠很好地挖掘潛在的內(nèi)容暂氯。

概率圖中地節(jié)點(diǎn)分為隱含節(jié)點(diǎn)和觀測(cè)節(jié)點(diǎn)秸侣,邊分為有向邊和無(wú)向邊。從概率論的角度罢绽,節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于隨機(jī)變量偎漫,邊對(duì)應(yīng)于隨機(jī)變量的依賴或相關(guān)關(guān)系,其中有向邊表示單向的依賴有缆,無(wú)向邊表示互相依賴象踊。

概率圖模型分為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network)和馬爾可夫網(wǎng)絡(luò)(Markov Network)兩大類。貝葉斯用有向圖結(jié)構(gòu)表示棚壁,馬爾可夫網(wǎng)絡(luò)用無(wú)向圖的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表示杯矩。

概率圖模型包含樸素貝葉斯模型、最大熵模型袖外、隱馬爾可夫模型史隆、條件隨機(jī)場(chǎng)、主題模型等等曼验。

貝葉斯聯(lián)合概率分布

左邊為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)泌射,右邊為馬爾可夫網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)路和馬爾可夫網(wǎng)絡(luò)

由圖可見(jiàn),在給定A的條件下鬓照,B和C是條件獨(dú)立的熔酷,基于條件條件概率的定義可得
P(C|A,B)=\frac{P(B,C|A)}{P(B|A)}=\frac{P(B|A)P(C|A)}{P(B|A)}\\=P(C|A)

同理,在給定B和C的條件下豺裆,A和D是條件獨(dú)立的拒秘,可得
P(D|A,B,C)=\frac{P(A,D|B,C)}{P(A|B,C)}=\frac{P(A|B,C)P(D|B,C)}{P(A|B,C)}\\=P(D|B,C)

上面兩個(gè)式子可聯(lián)合概率
P(A,B,C,D)=P(A)P(B|A)P(C|A,B)P(D|A,B,C)\\=P(A)P(B|A)P(C|A)P(D|B,C)

馬爾可夫聯(lián)合概率分布

在馬爾可夫網(wǎng)絡(luò)中,聯(lián)合概率分布的定義如下:
P(x)=\frac{1}{Z}\prod_{Q\in C}\varphi_Q(x_Q)
其中C為圖中最大團(tuán)所構(gòu)成的集合臭猜,Z=\sum_x\prod_{Q\in C}\varphi_Q(x_Q)為歸一化因子躺酒,用來(lái)保證P(x)是被正確定義的概率,\varphi_Q是與團(tuán)Q對(duì)應(yīng)的勢(shì)函數(shù)蔑歌,勢(shì)函數(shù)非負(fù)羹应,并且應(yīng)該在概率較大的變量上取得較大的值,例如指數(shù)函數(shù)
\varphi_Q(x_Q)=e^{-H_Q(x_Q)}
其中
H_Q(x_Q)=\sum_{u,v\in Q,u\neq v}\alpha_{u,v}x_ux_v+\sum_{v\in Q}\beta_vx_v
對(duì)于圖中所有節(jié)點(diǎn)x=\{x_1,x_2,..,x_n\}所構(gòu)成的一個(gè)子集次屠,如果這個(gè)子集中园匹,任意兩點(diǎn)之間都存在邊相連,則這個(gè)自己的所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)團(tuán)帅矗。如果在這個(gè)子集中加入其他任意節(jié)點(diǎn)偎肃,都不能構(gòu)成團(tuán)煞烫,我們稱這樣的子集構(gòu)成一個(gè)最大團(tuán)浑此。左邊為貝葉斯網(wǎng)絡(luò),右邊為馬爾可夫網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)路和馬爾可夫網(wǎng)絡(luò)

顯然這里只有(A,B)滞详、(A,C)凛俱、(B,D)紊馏、(C,D)構(gòu)成團(tuán),且是最大團(tuán)蒲犬。聯(lián)合概率密度可以表示為
P(A,B,C,D)=\frac{1}{Z}\varphi_1(A,B)\varphi_2(A,C)\varphi_3(B,D)\varphi_4(C,D)

如果使用上面的指數(shù)函數(shù)作為勢(shì)函數(shù)朱监,則有
H(A,B,C,D)=\alpha_1AB+\alpha_2AC+\alpha_3BD+\alpha_4CD+\beta_1A+\beta_2B+\beta_3C+\beta_4D


P(A,B,C,D)=\frac{1}{Z}e^{-H(A,B,C,D)}

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