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Bayesian Reasoning and Machine Learning

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CONTENTS CONTENTS<br />

23.2.7 Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463<br />

23.2.8 Self localisation <strong>and</strong> kidnapped robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464<br />

23.2.9 Natural language models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466<br />

23.3 <strong>Learning</strong> HMMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466<br />

23.3.1 EM algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466<br />

23.3.2 Mixture emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468<br />

23.3.3 The HMM-GMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468<br />

23.3.4 Discriminative training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469<br />

23.4 Related Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469<br />

23.4.1 Explicit duration model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469<br />

23.4.2 Input-Output HMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470<br />

23.4.3 Linear chain CRFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471<br />

23.4.4 Dynamic <strong>Bayesian</strong> networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472<br />

23.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472<br />

23.5.1 Object tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472<br />

23.5.2 Automatic speech recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472<br />

23.5.3 Bioinformatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473<br />

23.5.4 Part-of-speech tagging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473<br />

23.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473<br />

23.7 Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474<br />

23.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474<br />

24 Continuous-state Markov Models 481<br />

24.1 Observed Linear Dynamical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481<br />

24.1.1 Stationary distribution with noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482<br />

24.2 Auto-Regressive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483<br />

24.2.1 Training an AR model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484<br />

24.2.2 AR model as an OLDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484<br />

24.2.3 Time-varying AR model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485<br />

24.2.4 Time-varying variance AR models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486<br />

24.3 Latent Linear Dynamical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487<br />

24.4 Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488<br />

24.4.1 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490<br />

24.4.2 Smoothing : Rauch-Tung-Striebel correction method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492<br />

24.4.3 The likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493<br />

24.4.4 Most likely state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494<br />

24.4.5 Time independence <strong>and</strong> Riccati equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494<br />

24.5 <strong>Learning</strong> Linear Dynamical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495<br />

24.5.1 Identifiability issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495<br />

24.5.2 EM algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496<br />

24.5.3 Subspace Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497<br />

24.5.4 Structured LDSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498<br />

24.5.5 <strong>Bayesian</strong> LDSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498<br />

24.6 Switching Auto-Regressive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498<br />

24.6.1 Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499<br />

24.6.2 Maximum likelihood learning using EM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499<br />

24.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500<br />

24.8 Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501<br />

24.8.1 Autoregressive models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501<br />

24.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502<br />

XX DRAFT January 9, 2013

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