因子圖

1 概念

有向圖和無向圖都可以使得,若干個變量的一個聯合概率函數(或全局函數)能夠表示成,這些變量的子集上的因子的乘積。

因⼦圖比有向圖和無向圖更顯式地表示了這個分解,方法是:在表示變量的結點的基礎上,又引入額外結點來表示因子本身。因子圖也使我們能夠更加清晰地瞭解分解的細節。

有向圖:

1

P(x)=P(x1)P(x2)P(x3)P(x4|x1,x2,x3)P(x5|x1,x3)P(x6|x4)P(x7|x4,x5)P(x)=P(x1)P(x2)P(x3)P(x4|x1,x2,x3)P(x5|x1,x3)P(x6|x4)P(x7|x4,x5)

用因子圖表示,其實就是將相應的函數因子改寫:

P(x)=P(x1)P(x2)P(x3)P(x4|x1,x2,x3)P(x5|x1,x3)P(x6|x4)P(x7|x4,x5)=f(x1)f(x2)f(x3)f(x1,x2,x3,x4)f(x1,x3,x5)f(x4,x6)f(x4,x5,x7)P(x)=P(x1)P(x2)P(x3)P(x4|x1,x2,x3)P(x5|x1,x3)P(x6|x4)P(x7|x4,x5)=f(x1)f(x2)f(x3)f(x1,x2,x3,x4)f(x1,x3,x5)f(x4,x6)f(x4,x5,x7)

無向圖:

1

P(x)=1ZψC1(x1,x2,x3)ψC2(x3,x4)ψC3(x3,x5)P(x)=1ZψC1(x1,x2,x3)ψC2(x3,x4)ψC3(x3,x5)

上面的式子是不是也可以看成是多個因子表示的。

因子圖:

3

P(x)=fa(x1,x2)fb(x1,x3)fc(x2,x3)P(x)=fa(x1,x2)fb(x1,x3)fc(x2,x3)

2 結構

1)常見的電路圖、信號流程圖、格子圖以及各種框圖都屬於圖模型的範疇;
2)因子圖(factor graph,FG)是圖模型的一種;
3)因子圖的典型代表是Forney-style factor graph,簡稱 FFG
4)編碼領域、信號處理、人工智能方面的大量算法應用。

一般 FFG 由 結點,邊緣,半邊緣(只與一個結點連接)組成;
FFG的定義規則如下:
a) 每個因子對應唯一的結點集合;
b) 每個變量對應唯一的邊緣或者半邊緣;
c) 代表因子 ff 的函數。


4

f(u,w,x,y,z)=f1(u,w,x)f2(x,y,z)f3(z)
例:在上圖中
3個結點 對應 3個因子:f1,f2,f3f1,f2,f3
2個邊緣 對應 2個變量 x,zx,z
3個半邊緣 對應 3個變量 u,w,y

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