先来写写什么是贝叶斯网络(信念网络)和马尔科夫网络,这点至关重要
对于有向图模型,这么求联合概率:
举个例子,对于下面的这个有向图的随机变量(注意,这个图我画的还是比较广义的):
应该这样表示他们的联合概率:
说白就是无向图
如果一个graph太大,可以用因子分解将 写为若干个联合概率的乘积。咋分解呢,将一个图分为若干个“小团”,注意每个团必须是“最大团”(就是里面任何两个点两两连通,就是最大连通子图),则有:
至于这个公式为什么是这个形式有一个Hammersly-Clifford law,李航老师书上有详细的证明。所以这个公式说明了两点:
HMM是有向图模型,是生成模型;HMM有两个假设:一阶马尔科夫假设(t时刻隐状态只依赖于t-1时刻隐状态)和观测独立性假设(t时刻观测只依赖于t时刻的隐状态);但对于序列标注问题不仅和单个词相关,而且和观察序列的长度,单词的上下文,等等相关。
HMM模型 λ \lambda λ=(状态转移概率矩阵A,观测状态转移概率矩阵B,初始状态矩阵 π \pi π),同时假设观测数据O,状态序列数据为I,隐马尔科夫模型事实上是一个含有隐变量的概率模型 P ( O ∣ λ ) = ∑ I P ( O ∣ I , λ ) P ( I ∣ λ ) \\P(O|\lambda)=\sum_{I}P(O|I,\lambda)P(I|\lambda) P(O∣λ)=I∑P(O∣I,λ)P(I∣λ)
以下是和这个模型相关的一些算法,其实这些算法都是广义的,在HMM、MEMM和CRF中都可以使用:
MEMM(最大熵马尔科夫模型)是有向图模型,是判别模型;MEMM打破了HMM的观测独立性假设,MEMM考虑到相邻状态之间依赖关系,且考虑整个观察序列,因此MEMM的表达能力更强;但MEMM会带来标注偏置问题:由于局部归一化问题,MEMM倾向于选择拥有更少转移的状态。这就是标记偏置问题。最大熵马尔科夫模型建模如下 P ( x 1... n ∣ y 1... n ) = ∏ i = 1 n P ( x i ∣ x i − 1 , y 1... n ) P(x_{1...n}|y_{1...n})=\prod_{i=1}^{n}P(x_i|x_{i-1},y_{1...n}) P(x1...n∣y1...n)=i=1∏nP(xi∣xi−1,y1...n)
其中 P ( x i ∣ x i − 1 , y 1... n ) P(x_i|x_{i-1},y_{1...n}) P(xi∣xi−1,y1...n)会在局部进行线性叠加,即
P ( x i ∣ x i − 1 , y 1... n ) = e x p ( F ( x i − 1 , x i , y 1... n ) ) ∑ x i e x p ( F ( x i − 1 , x i , y 1... n ) ) P(x_i|x_{i-1},y_{1...n})=\frac{exp(F(x_{i-1},x_i,y_{1...n}))}{\sum_{x_i}{exp(F(x_{i-1},x_i,y_{1...n}))}} P(xi∣xi−1,y1...n)=∑xiexp(F(xi−1,xi,y1...n))exp(F(xi−1,xi,y1...n))
其中 F ( x i − 1 , x i , y 1... n ) F(x_{i-1},x_i,y_{1...n}) F(xi−1,xi,y1...n)是这些特征的线性相加
接下来回答一下为啥 P ( x i ∣ x i − 1 , y 1... n ) P(x_i|x_{i-1},y_{1...n}) P(xi∣xi−1,y1...n)长成这样,因为最大熵模型就是定义在条件熵基础上的,利用拉格朗日乘数法可以写成指数的形式,可以参考https://blog.csdn.net/taoqick/article/details/102672110, 详细推导参考李航老师的书,最终最大熵模型就是指数形式:
P w ( y ∣ x ) = 1 Z w ( x ) e x p [ ∑ i w i f i ( x , y ) ] P_w(y|x)=\frac{1}{Z_w(x)}exp[{\sum_iw_if_i(x_,y)}] Pw(y∣x)=Zw(x)1exp[i∑wifi(x,y)]
其中, Z w ( x ) Z_w(x) Zw(x)叫做归一化因子,x是输入,y是输出,w是权重向量, f i ( x , y ) f_i(x,y) fi(x,y)是任意实特征函数,所以 Z w ( x ) Z_w(x) Zw(x)的表达式是
Z w ( x ) = ∑ y e x p [ ∑ i w i f i ( x , y ) ] Z_w(x)=\sum_yexp[\sum_iw_if_i(x,y)] Zw(x)=y∑exp[i∑wifi(x,y)]
CRF模型解决了标注偏置问题,去除了HMM中两个不合理的假设,当然,模型相应得也变复杂了。 P ( x 1... n ∣ y 1... n ) = ∏ i = 1 n P ( x i , x i − 1 , y 1... n ) Z ( y 1... n ) P(x_{1...n}|y_{1...n})=\frac{\prod_{i=1}^{n}P(x_i,x_{i-1},y_{1...n})}{Z(y_{1...n})} P(x1...n∣y1...n)=Z(y1...n)∏i=1nP(xi,xi−1,y1...n),其中归一化因子 Z ( y 1... n ) Z(y_{1...n}) Z(y1...n)会在全局范围内进行归一化,从而解决了局部归一化带来的标注偏置问题。
再来解释一下条件随机场 P ( x 1... n ∣ y 1... n ) P(x_{1...n}|y_{1...n}) P(x1...n∣y1...n)为啥长这个样子,这就涉及到刚开始的Hammersly-Clifford law,每次把 x i x_i xi和 x i + 1 x_{i+1} xi+1以及 y 1.. n y_{1..n} y1..n看成一个最大团,则在随机变量Y的取值为y的条件下,随机变量X取值为x的条件概率具有如下形式,分子的x’表示要枚举序列状态x’的全部情况
P ( x ∣ y ) = S c o r e ( x , y ) ∑ x ′ S c o r e ( x ′ , y ) P(x|y)=\frac{Score(x,y)}{\sum_{x'}Score(x',y)} P(x∣y)=∑x′Score(x′,y)Score(x,y)
写得更细致一点就是:
P ( x ∣ y ) = 1 Z ( y ) e x p [ ∑ i , k λ k t k ( x i − 1 , x i , y , i ) + ∑ i , l μ l s l ( x i , y , i ) ] P(x|y)=\frac{1}{Z(y)}exp[\sum_{i,k}\lambda_kt_k(x_{i-1},x_i,y,i)+\sum_{i,l}\mu_ls_l(x_i,y,i)] P(x∣y)=Z(y)1exp[i,k∑λktk(xi−1,xi,y,i)+i,l∑μlsl(xi,y,i)]
其中规范化因子Z(y)是
Z ( y ) = ∑ x e x p [ ∑ i , k λ k t k ( x i − 1 , x i , y , i ) + ∑ i , l μ l s l ( x i , y , i ) ] Z(y)=\sum_xexp[\sum_{i,k}\lambda_kt_k(x_{i-1},x_i,y,i)+\sum_{i,l}\mu_ls_l(x_i,y,i)] Z(y)=x∑exp[i,k∑λktk(xi−1,xi,y,i)+i,l∑μlsl(xi,y,i)]
其中 t k t_k tk是转移特征, s l s_l sl是状态特征,而Z(y)是全局化的归一因子,这和博客https://blog.csdn.net/taoqick/article/details/102855935 里的目标函数完全一致。所以LSTM+CRF里无非是把转移概率用LSTM给替换掉,其他是CRF的壳。。。
因此,MEMM和CRF的区别主要是两点:
a)与HMM比较。CRF没有HMM那样严格的独立性假设条件,因而可以容纳任意的上下文信息。特征设计灵活(与ME一样)
b)与MEMM比较。由于CRF计算全局最优输出节点的条件概率,它还克服了最大熵马尔可夫模型标记偏置(Label-bias)的缺点。
c)与ME比较。CRF是在给定需要标记的观察序列的条件下,计算整个标记序列的联合概率分布,而不是在给定当前状态条件下,定义下一个状态的状态分布.
更多细节参考数学之美有一章关于条件随机场的应用,李航老师的书