The particle filter is a powerful framework for estimating hidden states in dynamic systems where uncertainty, noise, and nonlinearity dominate. This mini-book offers a clear and structured introduction to the core ideas behind particle filters-how they represent uncertainty through random samples, update beliefs using observations, and maintain robustness where linear or Gaussian assumptions fail. Starting from the limitations of the Kalman filter, the book develops the intuition that drives the particle filter: belief as a cloud of weighted hypotheses that evolve through prediction, measurement, and resampling. Step by step, it connects these ideas to their mathematical foundations, showing how probability distributions can be approximated by a finite set of particles and how Bayesian reasoning unfolds in sampled form. Illustrated examples, numerical walk-throughs, and Python code bring each concept to life, bridging the gap between theory and implementation. By the end, readers will not only understand the algorithmic flow of the particle filter but also develop an intuitive grasp of how randomness and structure together enable systems to infer, adapt, and make sense of noisy observations in real time.


翻译:粒子滤波是一种强大的框架,用于在不确定性、噪声和非线性占主导的动态系统中估计隐藏状态。这本小册子清晰而系统地介绍了粒子滤波的核心思想——如何通过随机样本表示不确定性、利用观测更新信念,并在线性或高斯假设失效时保持鲁棒性。从卡尔曼滤波的局限性出发,本书逐步阐释了粒子滤波的直观原理:将信念视为一组加权假设构成的云团,通过预测、测量和重采样过程演化。书中逐步将这些思想与其数学基础联系起来,展示了概率分布如何通过有限粒子集近似,以及贝叶斯推理如何以采样形式展开。通过图解示例、数值演算和Python代码,每个概念都得以生动呈现,弥合了理论与实现之间的鸿沟。最终,读者不仅能理解粒子滤波的算法流程,还能直观把握随机性与结构如何共同使系统能够实时推理、适应并解析噪声观测。

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