Models for categorical sequences typically assume exchangeable or first-order dependent sequence elements. These are common assumptions, for example, in models of computer malware traces and protein sequences. Although such simplifying assumptions lead to computational tractability, these models fail to capture long-range, complex dependence structures that may be harnessed for greater predictive power. To this end, a Bayesian modelling framework is proposed to parsimoniously capture rich dependence structures in categorical sequences, with memory efficiency suitable for real-time processing of data streams. Parsimonious Bayesian context trees are introduced as a form of variable-order Markov model with conjugate prior distributions. The novel framework requires fewer parameters than fixed-order Markov models by dropping redundant dependencies and clustering sequential contexts. Approximate inference on the context tree structure is performed via a computationally efficient model-based agglomerative clustering procedure. The proposed framework is tested on synthetic and real-world data examples, and it outperforms existing sequence models when fitted to real protein sequences and honeypot computer terminal sessions.


翻译:针对分类序列的模型通常假设序列元素具有可交换性或一阶依赖性。此类假设在计算机恶意软件轨迹和蛋白质序列等模型中十分常见。虽然这类简化假设能带来计算上的可处理性,但这些模型无法捕捉可能被用于增强预测能力的长程复杂依赖结构。为此,本文提出一种贝叶斯建模框架,能以简约方式捕捉分类序列中的丰富依赖结构,其内存效率适用于数据流的实时处理。简约贝叶斯上下文树被引入作为一种具有共轭先验分布的变阶马尔可夫模型。该新颖框架通过剔除冗余依赖关系并对序列上下文进行聚类,所需参数少于固定阶马尔可夫模型。通过计算高效的基于模型的凝聚聚类过程,对上下文树结构进行近似推断。所提框架在合成数据和真实数据示例中进行了测试,在拟合真实蛋白质序列和蜜罐计算机终端会话时,其性能优于现有序列模型。

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