Markov โมเดล แบบบ้านๆ ตอนที่ 1 - 1st order Markov assumption

วันนี้มาทางวิชาการกันหน่อย ผมจะขอสรุปเนื้อหาของ Markov models ตามเอกสารอ้างอิงนี้
Eric Fosler-Lussier, Markov Models and Hidden Markov Models: A Brief Tutorial, December 1998

ซึ่งเขียนอธิบายไว้ดีมาก รวมกับความเข้าใจของผมเอง อาจจะมีคำบัญญัติภาษาไทยแบบที่ผมเขียนเองบ้าง ขอให้ดูความหมายภาษาอังกฤษกำกับเพื่อเทียบกับตำราเล่มอื่นนะครับ

ก่อนอื่นคือเราอาจจะมีคำถามว่า Markov model มีไว้ทำอะไร ถ้าเอาแบบง่ายๆสั้นๆ ก็คือ เป็นโมเดลทางคณิตศาสตร์แบบหนึ่ง ที่ไว้คาดการณ์หรือพยากรณ์เหตุการณ์ในอนาคต จากข้อมูลในอดีต


ผมจะลองยกตัวอย่างจากเอกสารอ้างอิงนะครับ

สมมติว่าเราอยากพยากรณ์อากาศของวันพรุ่งนี้ ถ้าเราไม่มีข้อมูลภาพถ่ายดาวเทียมหรือข้อมูลทางภูมิศาสตร์อื่นๆเลย เราอาจจะสามารถทำได้โดยการใช้ข้อมูลของวันที่ผ่านๆมา

ถ้าสภาพอากาศมีแค่สามแบบ คือ มีแดด (sunny) มีฝน (rainy) และ มีหมอก (foggy) ตลอดวันในแต่ละวัน

เมื่อเราลองเก็บสถิติสภาพอากาศในแต่ละวัน แล้วคำนวณหาค่าความน่าจะเป็นของสภาพอากาศวันพรุ่งนี้ เมื่อทราบสภาพอากาศของวันนี้ เราอาจจะได้ตารางความน่าจะเป็นแบบมีเงื่อนไข (conditional probability) ดังข้างล่าง

ความหมายของตารางจะเป็นดังตัวอย่างต่อไปนี้ เช่น
-ถ้าวันนี้มีแดด โอกาสที่พรุ่งนี้จะฝนตกคือ 0.05
ซึ่งเราสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังรูป

 P(W2 = rainy | W1=sunny)

 เมื่อ W2 และ W1 แทนสถานะ (สภาพอากาศ) ณ วันพรุ่งนี้และวันนี้ตามลำดับ

ให้สังเกตว่าผลรวมของความน่าจะเป็นในแต่ละแถวจะเท่ากับ 1

ซึ่งก็อาจจะเอามาเขียนเป็น finite state automaton หรือ state transition diagram ได้ตามรูปนี้

อย่างไรก็ตาม ข้อมูลนี้ก็ใช้พยากรณ์ได้วันต่อวัน ถ้าต้องการพยากรณ์ข้อมูลถัดไปอีกสองวัน (วันมะรืน) เมื่อทราบข้อมูลวันนี้ ก็จะทำไม่ได้โดยตรง นั่นคือ ต้องเก็บข้อมูลเพิ่มและคำนวณหาความน่าจะเป็นใหม่อีก ซึ่งจำนวนข้อมูลที่ต้องเก็บจะเท่ากับ จำนวนสถานะยกกำลังด้วยจำนวนวัน ข้อมูล ซึ่งในที่นี้เรามีสามสถานะ และสนใจสามวัน ก็จะต้องเก็บอย่างต่ำ 3^3 ข้อมูลเพื่อมาคำนวณหาความน่าจะเป็น

เพื่อที่จะทำให้งานง่ายลง เราสามารถใช้การประมาณมาทดแทน โดยกำหนดว่าถ้าต้องการพยากรณ์ข้อมูลวันนี้ ให้ใช้ข้อมูลของวันก่อนหน้านี้เท่านั้น นั่นคือ

P(Wn | Wn-1, Wn-2, ..., W1) มีค่าประมาณ P(Wn | Wn-1)

การประมาณนี้มีชื่อเรียกว่า การประมาณ Markov ในลำดับชั้นแรก (First-order Markov assumption) หรือเรียกสั้นๆว่า การประมาณ Markov (Markov assumption) ซึ่งจะทำให้เราลดการเก็บข้อมูลจาก สถานะ^n เหลือแค่ สถานะ^2 เพราะสนใจข้อมูลแค่สองเวลา

กลับมาที่ตัวอย่างเรื่องสภาพอากาศ ถ้าเราใช้การประมาณ Markov แล้วเราจะสามารถตอบคำถาม "สภาพอากาศของวันมะรืนจะเป็นอย่างไร ถ้าทราบสภาพอากาศของวันนี้"

การตอบคำถามข้างต้น เราสามารถใช้หลักการของความน่าจะเป็นมาคำนวณได้ ดังตัวอย่างต่อไปนี้ ซึ่งอ้างอิงตารางความน่าจะเป็นที่แสดงไว้ข้างต้น ซึ่งมีข้อมูลสภาพอากาศแค่สองวัน


ตัวอย่างที่ 1 ถ้าวันนี้มีแดด โอกาสที่พรุ่งนี้จะมีแดด และ วันมะรืนจะฝนตกจะเป็นเท่าใด
เราสามารถแปลงโจทย์เป็นดังนี้

P(W3 = rainy, W2 = sunny | W1 = sunny)

ซึ่งจะมีค่าเท่ากับ

P(W3 = rainy | W2 = sunny, W1 = sunny) * P(W2 = sunny | W1 = sunny)

เมื่อเราใช้ การประมาณ Markov นิพจน์แรกก็จะถูกประมาณให้เหลือแค่ P(W3 = rainy | W2 = sunny) และค่าทั้งหมดก็จะเปลี่ยนเป็น

P(W3 = rainy | W2 = sunny) * P(W2 = sunny | W1 = sunny)

ซึ่งเมื่อแทนค่าจากตารางด้านบน จะได้คำตอบคือ 0.05 * 0.8 = 0.04
นั่นคือ ถ้าวันนี้มีแดด โอกาสที่พรุ่งนี้จะมีแดด และ วันมะรืนจะฝนตกจะเป็น 0.04

เราสามารถคิดอีกแบบ โดยใช้ state diagram ข้างต้นมาคำนวณ โดยคูณความน่าจะเป็นตามการเปลี่ยนสถานะดังรูป คือคูณเส้นสีแดง (พรุ่งนี้มีแดดเมื่อวันนี้มีแดด) กับเส้นสีน้ำเงิน (พรุ่งนี้ฝนตกเมื่อวันนี้มีแดด)

วันนี้ก็คงพอแค่นี้ก่อนนะครับ เดี๋ยวบทความถัดไปลองมาดูตัวอย่างเพิ่มเติมกัน