简单说维特比算法 - python实现

动态规划求最短路径算法,与穷举法相比优点在于大大降低了时间复杂度;

1. 假如从起点A到终点S的最短路径Road经过点B1,那么从起点A到B1的最短路径的终点就是B1,否则如果存在一个B2使得A到B2的距离小于B1,那么起点A到终点S的最短路径Road就不应该经过B1,而应该经过B2,这显示是矛盾的,证明了满足最优性原理;
2. 假设从A到S需要经过N个时刻,每个时刻有M个状态(B1,B2...BM),那么我们只需要记录对应每个状态的最短路径即可,这样在任意时刻,只需要考虑非常有限的几种最短路径即可(取决于该时刻对应的状态个数),且不需要向上考虑之前的时刻,也就是不存在多维条件问题;
3. 结合以上两点,假设当前我们需要从时刻i到i+1时,从起始点S到时刻i的所有最短路径已经找出并记录到时刻i的所有状态上了,那么我们只需要考虑没时刻i的所有状态的最短路径连接到时刻i+1的所有状态上后得到的对应每个状态的最短路径并记录到状态中即可(后续计算与时刻i已无关);
4. 循环3,知道终点时刻为止,此时终点的所有状态中都保存了一个最短路径,取其中最短即可(或者说最大概率);

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import sys
states = ('Rainy', 'Sunny', 'Snowy', 'Thunder')
observations = ('walk', 'playSnow', 'clean', 'clean', 'shop', 'clean', 'walk', 'shop', 'clean', 'playSnow', 'scare', 'walk')
start_probability = {'Rainy': 0.4, 'Sunny': 0.3, 'Snowy': 0.2, 'Thunder': 0.1}
transition_probability = {
    'Rainy' : {'Rainy': 0.5, 'Sunny': 0.2, 'Snowy': 0.15, 'Thunder': 0.15},
    'Sunny' : {'Rainy': 0.1, 'Sunny': 0.5, 'Snowy': 0.3, 'Thunder': 0.1},
    'Snowy' : {'Rainy': 0.4, 'Sunny': 0.2, 'Snowy': 0.3, 'Thunder': 0.1},
    'Thunder' : {'Rainy': 0.4, 'Sunny': 0.2, 'Snowy': 0.1, 'Thunder': 0.3},
    }
emission_probability = {
    'Rainy' : {'walk': 0.1, 'shop': 0.3, 'clean': 0.4, 'playSnow':0.1, 'scare':0.1},
    'Sunny' : {'walk': 0.4, 'shop': 0.2, 'clean': 0.1, 'playSnow':0.1, 'scare':0.1},
    'Snowy' : {'walk': 0.2, 'shop': 0.1, 'clean': 0.2, 'playSnow':0.4, 'scare':0.1},
    'Thunder' : {'walk': 0.1, 'shop': 0.1, 'clean': 0.4, 'playSnow':0.1, 'scare':0.3},
}
def viterbi_output(states,observations,start_probability,transition_probability,emission_probability):
	"""
	states:隐状态
	observations:观察状态
	start_probability:初始概率
	transition_probability:转换概率(某个隐状态转换到某个隐状态)
	emission_probability:发射概率(某个隐状态转换到某个观察状态)
	算法思路:
		目的:根据三天的观察状态,计算最有可能的三天天气隐状态
		根据:得到最后一天的概率后,其中概率最大的即表示该条状态链是最有可能的隐状态链
		方法:
			第一天概率:隐状态的初始概率*该状态到第一天的观察状态的发射概率
			其他天概率:前一天隐状态的概率*前一天隐状态到当天隐状态的转换概率*当天隐状态到当天观察状态的发射概率
		关键:
			1.并不需要保存每一天的状态,实际上每天的循环计算中只会用到前一天的数据即可(因此V这个变量实际上长度为2即可)
			2.路径的保存
	"""
	V = [{}]#V[时间][天气]=概率
	path = {}#保存路径
	#第一天
	for state in states:
		V[0][state]=start_probability[state]*emission_probability[state][observations[0]]
		path[state]=[state]
		print "第一天概率估计:(天气:%s,概率:%f)" % (state,V[0][state])
	#其他时间
	for day in range(1,len(observations)):
		print "第%d天概率估计:" % (day+1)
		V.append({})
		newPath = {}
		for day_s in states:
			(prop,state) = max([V[day-1][s]*transition_probability[s][day_s]*emission_probability[day_s][observations[day]],s]for s in states)
			V[day][day_s]=prop
			newPath[day_s] = path[state]+[day_s]
			print "\t假设当前隐状态为:%s,得到最大概率:%f,对应前一天隐状态:%s" % (day_s,prop,state)
		path = newPath
	return max([(V[len(observations)-1][prop],path[prop])for prop in V[len(observations)-1]])
if __name__ == '__main__':
#argv[1]表示计算观察的天数
	print viterbi_output(states,observations[:int(sys.argv[1])],start_probability,transition_probability,emission_probability)

时间长度为5天时的运行结果图：