维特比算法(Viterbi)

2024-02-09 10:48
文章标签 算法 维特 viterbi

本文主要是介绍维特比算法(Viterbi),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

       维特比算法 (Viterbi algorithm) 是机器学习中应用非常广泛的动态规划算法,在求解隐马尔科夫、条件随机场的预测以及seq2seq模型概率计算等问题中均用到了该算法。实际上,维特比算法不仅是很多自然语言处理的解码算法,也是现代数字通信中使用最频繁的算法。

 

 

(1)从点S出发,对于第一个状态X1的各个节点,不妨假定有n1个,计算出S到它们的距离d(S,X1i),其中X1i代表任意状态1的节点。因为只有一步,所以这些距离都是S到它们各自的最短距离。

(2)对于第二个状态X2的所有节点,要计算出从S到它们的最短距离。对于特点的节点X2i,从S到它的路径可以经过状态1的n1中任何一个节点X1i,对应的路径长度就是d(S,X2i) = d(S,X1i) + d(X1i,X2i)。由于j有n1种可能性,我们要一一计算,找出最小值。即:

d(S,X2i) = minI=1,n1 d(S,X1i) + d(X1i,X2i)

这样对于第二个状态的每个节点,需要n1次乘法计算。假定这个状态有n2个节

点,把S这些节点的距离都算一遍,就有O(n1·n2)次计算。

(3)接下来,类似地按照上述方法从第二个状态走到第三个状态,一直走到最后一个状态,就得到了整个网格从头到尾的最短路径。每一步计算的复杂度都和相邻两个状态Si和Si+1各自的节点数目ni,ni+1的乘积成正比,即O(ni·ni+1)

(4)假设这个隐含马尔可夫链中节点最多的状态有D个节点,也就是说整个网格的宽度为D,那么任何一步的复杂度不超过O(D2),由于网格长度是N,所以整个维特比算法的复杂度是O(N·D2)。

 

分词应用:

 

我们有一个词典和每个词出现的概率:

 

   词典:["经常"、"经"、“有”、“有意见”、“意见”、“分歧”、“见”、“意”、“见分歧”、“分”]

   概率:[0.1、    0.05、 0.1、    0.1、      0.2、     0.2、   0.05、0.05、0.05、    0.1]

-log(x):[2.3、      3、    2.3、    2.3、      1.6、     1.6、     3、     3、      3、      2.3]

 

 

如图所示,直观地画出了各个词对应下一个词出现的转移概率,我们的目的是寻找一条最短路径(从节点1-->节点8),也就是将每条线上的权重值进行累加,使得最终的和最小。

在这里,我们定义f(8)为从第一个节点到第8个点的最短路径,同理f(7)为第一个节点到第七个节点,所以,f(8)也可以表述为f(7)+20

简单分析:从图中的1-->3,我们发现,f(1-->2-->3) > f(1-->3),所以我们会选择从1节点到3节点的路径。

递归分析:从图中,我们可以发现,第一个节点是开始端,最短路径应为0,即minf(0)=0;在第二个节点中,只有第一个节点与之相连,所以minf(2)=3;在第三个节点中,存在两条可选的路径,可见从1-->3的路径比1-->2-->3的路径更短,所以minf(3)=2.3;在第四个节点中,只有3-->4的唯一一条路径,所以minf(4)=f(3)+2.3;依次类推.......得到如下表:

 

所以,我们可以寻得最短路径为1-->3-->6-->8(1经常3有意见6分歧8)

每一个最短路径的节点即为一个分词的断点,所以,分词的最后结果为:

经常|有意见|分歧

 

 

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