擬隱 Markov 模

以 Baum-Welch（EM）擬 HMM，以信準擇模、以 Viterbi 解態序、算前後概。

用

• 察射序而底生態不可察
• 疑數源於有限制間切之系
• 須分時序為潛段（如市制、語音素、生序注）
• 欲算察序於生模下之概
• 須予察下最可能隱態序（解）
• 較異隱態數之模以擇最繁-擬衡

入

必

Input	Type	Description
observations	sequence/matrix	Observed data sequence (univariate or multivariate)
n_hidden_states	integer	Number of hidden states to fit (or a range for model selection)
emission_type	string	Distribution family for emissions: "gaussian", "discrete", "poisson", "multinomial"

可

Input	Type	Default	Description
initial_params	dict	random/heuristic	Initial transition matrix, emission parameters, and start probabilities
n_restarts	integer	10	Number of random restarts to mitigate local optima
max_iterations	integer	500	Maximum EM iterations per restart
convergence_tol	float	1e-6	Log-likelihood convergence threshold for EM
state_range	list of ints	[n_hidden_states]	Range of state counts for model selection
covariance_type	string	"full"	For Gaussian emissions: "full", "diagonal", "spherical"
regularization	float	1e-6	Small constant added to diagonal of covariance matrices to prevent singularity

行

一：定隱態與察模

1.1. 定隱態數 K（或五步模擇候域）

1.2. 依數類擇射分佈族：

• 續數：Gaussian（單或多）
• 計數：Poisson 或負二項
• 類數：離/多項

1.3. 定模件：

• 轉矩 A 大 K x K：A[i,j] = P(z_t = j | z_{t-1} = i)
• 射參 theta_k 各態 k：分佈特（如 Gaussian 之均與協）
• 初態分 pi：pi[k] = P(z_1 = k)

1.4. 驗察數正格：序無缺、維一致、長對參足 T >> K^2

得：明設 HMM 架含 K 態、所擇射族、清察數長 T >> K^2。

敗：數含缺→填或去影段。T 對 K 過小→減 K 或增數。

二：初參

2.1. 各 n_restarts 生初參：

• 轉矩：隨機機矩（各行自 Dirichlet 取）或微擾均矩
• 射參：於察 K-means 聚以初均；算聚變供 Gaussian 射
• 初分：均或比 K-means 聚大

2.2. 首啟用 K-means 啟（常最強始）。後啟用隨擾

2.3. 驗諸初參有效：

• 轉矩諸行和為 1，諸項正
• 射參於有效域（如協矩正定）
• 初分和為 1

得：n_restarts 組有效初參，至少一數驅。

敗：K-means 不收→用純隨啟加啟數。協矩奇→加正則於對角。

三：行 Baum-Welch EM 以估參

3.1. E 步（前後算）：

• 算前 alpha[t,k] = P(o_1,...,o_t, z_t=k | model) 遞：
  • alpha[1,k] = pi[k] * b_k(o_1)
  • alpha[t,k] = sum_j(alpha[t-1,j] * A[j,k]) * b_k(o_t)
• 算後 beta[t,k] = P(o_{t+1},...,o_T | z_t=k, model)：
  • beta[T,k] = 1
  • beta[t,k] = sum_j(A[k,j] * b_j(o_{t+1}) * beta[t+1,j])
• 算態後 gamma[t,k] = P(z_t=k | O, model)：
  • gamma[t,k] = alpha[t,k] * beta[t,k] / P(O | model)
• 算轉後 xi[t,i,j] = P(z_t=i, z_{t+1}=j | O, model)

3.2. M 步（再估參）：

• 更轉矩：A[i,j] = sum_t(xi[t,i,j]) / sum_t(gamma[t,i])
• 以權足統更射參：
  • Gaussian 均：mu_k = sum_t(gamma[t,k] * o_t) / sum_t(gamma[t,k])
  • Gaussian 協：權散矩加正則
  • 離：b_k(v) = sum_t(gamma[t,k] * I(o_t=v)) / sum_t(gamma[t,k])
• 更初分：pi[k] = gamma[1,k]

3.3. 算對數似然：log P(O | model) = log sum_k(alpha[T,k])。用 log-sum-exp 避下溢

3.4. 尺：於長序用尺之前後變避數下溢。各時步規 alpha 並累對數尺因子

3.5. 復 E 與 M 至對數似然變 < convergence_tol 或達 max_iterations

3.6. 跨諸啟，留末對數似然最高之參組

得：對數似然於迭間單調非減，於 max_iterations 內收。末參有效（機矩、正定協）。

敗：對數似然減→E 或 M 有蟲——驗式。收極慢→試善啟或增 max_iterations。協奇→增正則。

四：以 Viterbi 解最可能態序

4.1. 初 Viterbi 變：

• delta[1,k] = log(pi[k]) + log(b_k(o_1))
• psi[1,k] = 0（無先）

4.2. t = 2,...,T 前遞：

• delta[t,k] = max_j(delta[t-1,j] + log(A[j,k])) + log(b_k(o_t))
• psi[t,k] = argmax_j(delta[t-1,j] + log(A[j,k]))

4.3. 終：

• z*_T = argmax_k(delta[T,k])
• 最佳路對數概：max_k(delta[T,k])

4.4. t = T-1,...,1 反追：

• z*_t = psi[t+1, z*_{t+1}]

4.5. 出所解態序 z* = (z*_1, ..., z*_T) 與其對數概

4.6. 較 Viterbi 路概於前算總序概以估最佳路主度

得：長 T 之單最可能態序，各項於 {1,...,K}。Viterbi 對數概宜 <= 總對數似然。

敗：Viterbi 路對數概為負無窮→某轉或射概於不應處為零。加底值避 log(0)。

五：模擇（諸模階之 BIC/AIC）

5.1. 各 state_range 中候 K 擬全 HMM（二至四步）

5.2. 算自參數 p：

• 轉矩：K * (K - 1)（各行為單純）
• 射參：依族（如 d 維全協 Gaussian：K * (d + d*(d+1)/2)）
• 初分：K - 1

5.3. 算信準：

• BIC = -2 * log_likelihood + p * log(T)
• AIC = -2 * log_likelihood + 2 * p
• AICc = AIC + 2*p*(p+1) / (T - p - 1)（小樣正）

5.4. 擇最低 BIC（偏一致）或 AIC（偏預）之模。報兩者

5.5. 列果：各 K 示對數似然、參數、BIC、AIC、收態

5.6. 最優 K 於 state_range 邊→擴域重擬

得：BIC/AIC 明最低識最優隱態數。所擇模已收且有可釋之態義。

敗：無明最低（BIC 單減）→模或誤設——考異射族。諸模對數似然劣→數或不循 HMM 構。

六：以留數與後解驗

6.1. 分數為訓與驗（如 80/20 或用多序若有）

6.2. 訓擬模。以前算於留算對數似然（勿重擬參）

6.3. 後解（Viterbi 之替）：

• 各時步賦最高後概之態：z^_t = argmax_k(gamma[t,k])
• 此最大期正解態數（對 Viterbi 之最大聯路概）

6.4. 較 Viterbi 與後解：

• 算兩解序間同意率
• 不同意區示態賦歧

6.5. 估態可釋：

• 察各態射參（均、變、離分）
• 驗態應域境有意之制
• 察態居時（A 對角隱）合理

6.6. 算每察之留對數似然並跨模階較以確訓集模擇

得：留對數似然近訓對數似然（無重過擬）。Viterbi 與後解於 90%+ 時步同意。態有明可釋之射分。

敗：留似然遠劣於訓→模過擬——減 K 或增正則。態不可釋→試異啟或異射族。

驗

• Baum-Welch 各啟之對數似然於迭間單調非減
• 轉矩為行機（行和為 1，諸項非負）
• 射參於有效域（正定協、有效概分）
• Viterbi 路對數概不逾總序對數概
• BIC/AIC 曲於所擇模階有明最低
• 留對數似然確模通外訓集
• 前後概算同：P(O) = sum_k(alpha[T,k]) = sum_k(pi[k] * b_k(o_1) * beta[1,k])

忌

• EM 局最優：Baum-Welch 收於局最大非必全。用多隨啟擇最佳
• 數下溢：前後概隨序長指減。用對數空算或尺變避下溢至零
• 態過多過擬：各增隱態加 O(K + d^2) 參。模擇用 BIC（非僅似然）並於留數驗
• 標換：隱態唯至置換可識。跨啟較模→以射參匹態，非以索
• 退化態：態或塌以釋單察（Gaussian 近零變）。協矩正則避此
• 混 Viterbi 與後解：Viterbi 予單最佳聯路；後解予各時步最佳邊態。彼答異問且或大異
• 忽態居時：標 HMM 隱之幾何居時分或於長制數劣擬。居時非幾何→考隱半 Markov 模

參

• Model Markov Chain — 解隱層下轉構之前提
• Simulate Stochastic Process — 可生試 HMM 數或自擬模模擬為後預察