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CRF:Conditional Random Fields

CRF:Conditional Random Fields

作者: yi_cloud | 来源:发表于2019-01-26 12:15 被阅读0次

概率无向图模型:

又称作马尔科夫随机场。所谓随机场,其实是由一种服从某种分布的随机变量组成的,场中某些点之间存在依赖关系,进而形成联合概率分布。

设一个联合概率分布P(Y)和表示它的无向图G=(V,E),G中随机变量之间存在三种性质:

成对马尔科夫性:

如果u,v之间没有直接概率依赖,且它们对应的条件概率分别为Y_u,Y_v,设u,v以外点的集合为O,对应的随机变量组为Y_O,那么就称Y_u,Y_v在给定Y_O的条件下是条件独立的,即:

P(Y_u,Y_v |Y_O) = P(Y_u|Y_O)P(Y_v|Y_O)

局部马尔科夫性:

如果上述u,v中v变成一组点的集合W,与u有边直接相连的所有点的集合为o,同样的,称Y_u,Y_W在给定Y_O的条件下是独立的,即:

P(Y_v,Y_W |Y_O) = P(Y_v|Y_O)P(Y_W|Y_O)

P(Y_W|Y_O)>0时,有如下等价式:

p(Y_v |Y_O) = P(Y_v|Y_O,Y_W)

全局马尔科夫性:

设无向图中集合A、B是被集合C分开的任意点集,对应的随机变量组分别为Y_A,Y_B,Y_C,那么有Y_A,Y_B在给定Y_C 的条件下是条件独立的。

P(Y_A,Y_B|Y_C) = P(Y_A|Y_C)P(Y_B|Y_C)

全局马尔科夫性

满足以上三种性质任意之一的概率无向图都称为马尔科夫随机场。下面介绍概率无向图中的因子分解机制

概率无向图模型的因子分解

团与最大团:团(Clique)中任意两点之间都有边连接,若向团中再加入任何一点都不再保持团的性质,此时的团就是最大团。

将无向图用最大团做因子分解

设有C_1,C_2,...C_n是无向图G上最大团的集合,那么无向图的概率分布可以分解成它们对应的势函数\Psi _C(Y_C)的乘积,其数学形式为:

P(Y) = \frac{1}{Z} \prod_{i=1}^n \Psi_{c_i}(Y_{C_i}),其中i为G中最大团的数量,Z为归一化因子,形式如下:

Z = \sum_Y\prod_C \Psi_C(Y_C)

规范化因子Z确保了P(Y)是一个概率分布(概率分布中每种取值的概率和应为1)。

另外,注意势函数通常定义为指数函数:

\Psi_C(Y_C) = \exp \left \{-E(Y_C) \right \}

从马尔科夫随机场到条件随机场

理解了MRF之后,再理解CRF就非常清晰了:CRF是MRF中只有两种变量:X和Y的一种特殊形式(X是输入,Y是给定X时的输出,在词性标注中,X是词,Y是词性),若Y构成马尔科夫随机场,此时条件概率P(Y|X)就是条件随机场。

线性链条件随机场

当X和Y均为相同长度的线性链表示的随机变量序列时,在给定X的情况下,Y的条件概率分布P(Y|X)构成条件随机场,即满足马尔科夫性:

P(Y_i|X,Y_1,Y_2,...Y_n) = P(Y_i|X,Y_{i-1},Y_{i+1})

则称P(Y|X)为线性链条件随机场。

P(Y_i|X,Y_{i-1},Y_{i+1})转化为X和Y序列上每个节点对应的特征函数后,再结合无向图概率分布的因子分解,可以得到Linear-Chain CRF的数学定义:

令X,Y为随机变量,\theta=\{{\theta_k}\}\in \mathbb{R}^k为参数向量,\mathcal{F}=\{f_k(y,y_{i-1},\mathbf{x})\}_{k=1}^K是一组实值特征函数,概率分布P(Y|X)的公式为:

P(\mathbf{y}|\mathbf{x})=\frac{1}{Z(\mathbf{x})}\prod_{t=1}^T exp\{\sum_{k=1}^K \theta_kf_k(y_t,y_{t-1},\mathbf{x},t) \}  ,其中Z是和输入有关的归一化函数:

Z(\mathbf{x})=\sum_{y} \prod_{t=1}^T exp\{\sum_{k=1}^K \theta_kf_k(y_t,y_{t-1},\mathbf{x},t) \}

此处的参数向量\theta可以理解为特征函数集合对应的概率序列(可以结合期望的定义理解),t表示随机变量序列的长度,k是特征函数的个数。不难想象,上面的函数可以表示为下图:

当然,也可以有更多的表现形式,如果将特征函数f_k(y_t,y_{t-1},\mathbf{x},t)中输入序列\mathbf{x}具体化:

为X添加context窗口

或者

y_t依赖x_{t-1}

CRF的三种求解方式

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