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Section 1
Finding the probability of an observed sequence
1. Exhaustive search for solution
给定HMM，要找出 observed sequence 的概率。
在 weather model 中，我们有一个 HMM 描述了 weather 以及 weather 和 seaweed states 的关系。如果观察到的连续 3 天，seaweed 状态是 (dry, damp, soggy)，则可以将 observations 和 hidden states 的关系绘制成格子性质 trellis:
相邻的 column 列之间的概率是由 transition matrix 确定的，每个 column 下边的 observation 在不同的 hidden states （也就是weather）下的概率是由 confusion matrix 决定的。
为了计算 Pr(dry, damp, soggy)，一个方法是：
Pr(dry,damp,soggy | HMM) = Pr(dry,damp,soggy | sunny,sunny,sunny) + Pr(dry,damp,soggy | sunny,sunny ,cloudy) + Pr(dry,damp,soggy | sunny,sunny ,rainy) + . . . . Pr(dry,damp,soggy | rainy,rainy ,rainy)
这里的计算相当麻烦，可以利用 概率的时间不变性（time invariance of the probabilities） 进行简化。
2. Reduction of compleity using recursion
假定 T-long observed sequence 是
2a. Partial Probabilities, (a‘s alpha‘s)
到达每个中间状态的概率，是所有路径的概率的和。
例如：
at(j) : partial probability of state j at time t
at(j) = Pr(observation | hiden state is j) * Pr(all paths to state j at time t)
最后一个观测 (observation) 代表了通过所有可能的路径到达这些状态的概率，对于以上例子，final partial probabilities 计算如下：
2b. Calculating a‘s at time t=1
t = 1 时，没有到这个状态的路径，因此 Pr(state | t = 1) = π(state)，因此
初始状态处于 j 的概率依赖于 状态 j 的概率，以及观察到的状态的概率。
2c. Calculating a‘s at time t>1
假定第一个状态是已知的，考虑第二项 Pr(all paths to state j at time t)。这一项可以通过计算每个路径的概率，然后再加和。
路径的数目随着观察序列的增长呈指数增长，可以通过 at-1来进行计算，也就是：
2d. Reduction of computational complexity
对于一个长度为 T 的观测序列，它的 HMM 有 n 个 hidden states， l=（π， A, B）。
遍历的方法，复杂度是指数级，然而通过 forward algorithm，利用上一步计算的结果计算一个新的值，期复杂度是 T的线形级别。
Section 2
Forward algorithm definition
使用 forward algorithm 来计算一个 T 长度的观测序列的概率：
y 代表 observable set 中的元素。
中间的概率可以递归的采用 a1(j) 来算出。
对于t > 1的情况，可以递归求出：
最终所有 partial probabilities 的概率之和给出了观测序列的概率
对于天气的例子，t=2时，a对于 cloudy 状态的概率计算如下：
HMM系列之二：Forward Algorithm
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原文地址：http://www.cnblogs.com/zhang123shuo/p/5674302.html
