HMM与分词、词性标注、命名实体识别
http://www.hankcs.com/nlp/hmm-and-segmentation-tagging-named-entity-recognition.html
HMM（隐马尔可夫模型）是用来描述隐含未知参数的统计模型，举一个经典的例子：一个东京的朋友每天根据天气{下雨，天晴}决定当天的活动{公园散步,购物,清理房间}中的一种，我每天只能在twitter上看到她发的推“啊，我前天公园散步、昨天购物、今天清理房间了！”，那么我可以根据她发的推特推断东京这三天的天气。在这个例子里，显状态是活动，隐状态是天气。
2014年11月23日更新：
我已利用HMM角色标注实现了中国人名、翻译人名、日本人名、地名、机构名等命名实体的识别，请参考此目录命名实体识别。
HMM描述
任何一个HMM都可以通过下列五元组来描述：
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:param obs:观测序列 :param states:隐状态 :param start_p:初始概率（隐状态） :param trans_p:转移概率（隐状态） :param emit_p: 发射概率 （隐状态表现为显状态的概率） |
例子描述
这个例子可以用如下的HMM来描述：
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states = ('Rainy', 'Sunny')observations = ('walk', 'shop', 'clean')start_probability = {'Rainy': 0.6, 'Sunny': 0.4}transition_probability = { 'Rainy' : {'Rainy': 0.7, 'Sunny': 0.3}, 'Sunny' : {'Rainy': 0.4, 'Sunny': 0.6}, }emission_probability = { 'Rainy' : {'walk': 0.1, 'shop': 0.4, 'clean': 0.5}, 'Sunny' : {'walk': 0.6, 'shop': 0.3, 'clean': 0.1},} |
求解最可能的天气
求解最可能的隐状态序列是HMM的三个典型问题之一，通常用维特比算法解决。维特比算法就是求解HMM上的最短路径（-log(prob)，也即是最大概率）的算法。
稍微用中文讲讲思路，很明显，第一天天晴还是下雨可以算出来：
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定义V[时间][今天天气] = 概率，注意今天天气指的是，前几天的天气都确定下来了（概率最大）今天天气是X的概率，这里的概率就是一个累乘的概率了。
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因为第一天我的朋友去散步了，所以第一天下雨的概率V[第一天][下雨] = 初始概率[下雨] * 发射概率[下雨][散步] = 0.6 * 0.1 = 0.06，同理可得V[第一天][天晴] = 0.24 。从直觉上来看，因为第一天朋友出门了，她一般喜欢在天晴的时候散步，所以第一天天晴的概率比较大，数字与直觉统一了。
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从第二天开始，对于每种天气Y，都有前一天天气是X的概率 * X转移到Y的概率 * Y天气下朋友进行这天这种活动的概率。因为前一天天气X有两种可能，所以Y的概率有两个，选取其中较大一个作为V[第二天][天气Y]的概率，同时将今天的天气加入到结果序列中
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比较V[最后一天][下雨]和[最后一天][天晴]的概率，找出较大的哪一个对应的序列，就是最终结果。
这个例子的Python代码：
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# -*- coding:utf-8 -*-# Filename: viterbi.py# Author：hankcs# Date: 2014-05-13 下午8:51states = ('Rainy', 'Sunny')observations = ('walk', 'shop', 'clean')start_probability = {'Rainy': 0.6, 'Sunny': 0.4}transition_probability = { 'Rainy' : {'Rainy': 0.7, 'Sunny': 0.3}, 'Sunny' : {'Rainy': 0.4, 'Sunny': 0.6}, }emission_probability = { 'Rainy' : {'walk': 0.1, 'shop': 0.4, 'clean': 0.5}, 'Sunny' : {'walk': 0.6, 'shop': 0.3, 'clean': 0.1},}# 打印路径概率表def print_dptable(V): print " ", for i in range(len(V)): print "%7d" % i, print for y in V[0].keys(): print "%.5s: " % y, for t in range(len(V)): print "%.7s" % ("%f" % V[t][y]), printdef viterbi(obs, states, start_p, trans_p, emit_p): """ :param obs:观测序列 :param states:隐状态 :param start_p:初始概率（隐状态） :param trans_p:转移概率（隐状态） :param emit_p: 发射概率 （隐状态表现为显状态的概率） :return: """ # 路径概率表 V[时间][隐状态] = 概率 V = [{}] # 一个中间变量，代表当前状态是哪个隐状态 path = {} # 初始化初始状态 (t == 0) for y in states: V[0][y] = start_p[y] * emit_p[y][obs[0]] path[y] = [y] # 对 t > 0 跑一遍维特比算法 for t in range(1, len(obs)): V.append({}) newpath = {} for y in states: # 概率 隐状态 = 前状态是y0的概率 * y0转移到y的概率 * y表现为当前状态的概率 (prob, state) = max([(V[t - 1][y0] * trans_p[y0][y] * emit_p[y][obs[t]], y0) for y0 in states]) # 记录最大概率 V[t][y] = prob # 记录路径 newpath[y] = path[state] + [y] # 不需要保留旧路径 path = newpath print_dptable(V) (prob, state) = max([(V[len(obs) - 1][y], y) for y in states]) return (prob, path[state])def example(): return viterbi(observations, states, start_probability, transition_probability, emission_probability)print example() |
输出：
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0 1 2Rainy: 0.06000 0.03840 0.01344Sunny: 0.24000 0.04320 0.00259(0.01344, ['Sunny', 'Rainy', 'Rainy']) |
NLP应用
具体到分词系统，可以将天气当成“标签”，活动当成“字或词”。那么，几个NLP的问题就可以转化为：
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词性标注：给定一个词的序列（也就是句子），找出最可能的词性序列（标签是词性）。如ansj分词和ICTCLAS分词等。
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分词：给定一个字的序列，找出最可能的标签序列（断句符号：[词尾]或[非词尾]构成的序列）。结巴分词目前就是利用BMES标签来分词的，B（开头）,M（中间),E(结尾),S(独立成词）
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命名实体识别：给定一个词的序列，找出最可能的标签序列（内外符号：[内]表示词属于命名实体，[外]表示不属于）。如ICTCLAS实现的人名识别、翻译人名识别、地名识别都是用同一个Tagger实现的。
小结
HMM是一个通用的方法，可以解决贴标签的一系列问题。
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