马尔科夫链

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概念:

P\{X_{t_n}\leq X_n|X_{t_1}=x_1,...,X_{t_{n-1}}=x_{n-1}\}=P\{X_{t_n}\leq X_n|X_{t_{n-1}}=x_{n-1}\}

则称
\{X_t,t\in T\}
为马尔可夫过程。


定理1:

独立过程是马尔可夫过程。


定理2:

若独立增量过程
\{X_t,t\in T\}
满足初始分布
X_0=0
,则为马尔可夫过程。

马氏过程
\{X_t,t\in T\}


有限维分布



一维分布和条件分布

完全确定。


离散参数马氏链:

转移矩阵是

随机矩阵

,其行向量都是

概率向量

k步转移概率:
p^{(k)}_{ij}(m)=p\{X_{m+k}=j|X_m=i\}

C-K方程:
p^{(k+l)}_{ij}(m)=\sum _{r\in E}p^{(k)}_{ir}(m)p^{l}_{rj}(m+k)


齐次马氏链:一步转移概率与初始时刻无关

绝对分布:
\pi (n)=[\pi_1(n),\pi_2(n),...,\pi_i(n),...]

初始分布:
\pi (0)=[\pi_1(0),\pi_2(0),...,\pi_i(0),...]


绝对分布

由初始分布和一步转移概率确定:

\pi (n)=\pi (0)P^n


遍历性:

对一切i,j,存在常数
\pi_j>0
,使得
\lim_{n\to \infty}p^{(n)}_{ij}=\pi_j,i,j\in E
且与i无关,则称此马氏链具有遍历性。


极限分布:

\prod =\{\pi_j,j\in E\}
,为一

概率向量,
\pi=\pi P,\pi \vec{1}=1,\pi>0

遍历马氏链的

n步转移矩阵



极限矩阵

,其各行向量均为

极限分布

ps:极限矩阵每行都相同。


遍历性定理:

若存在正整数n0,使n0步转移矩阵的每个元素都为正,则称此马氏链具有遍历性。


定理1:

遍历的齐次马氏链,其

绝对分布



转移概率

有相同的极限。


定理2:

若马氏链

初始分布

是一个

平稳分布V

,则其

绝对分布

为 π(n)=V。


定理3:

遍历的齐次马氏链的

极限分布

,就为

平稳分布V


V=V P,V \vec{1}=1,V\geq 0


首达时刻:

T_{ij}=min\{n:x_0=i,x_n=j,n\in N^+\}


平均步数:

\mu _{ij}=E(T_{ij})


平均返回步数:

\mu _{i}=E(T_{ii})


首达概率:
f^{(n)}_{ij}=P\{x_n=j,x_k\neq j,1\leq k< n|x_0=i\}


首返概率:
f^{(n)}_{ii}


推论:

\mu _{ij}=E(T_{ij})=\sum_{n=1}^{\infty}nf^{(n)}_{ij}

\mu _{i}=E(T_{ii})=\sum_{n=1}^{\infty}nf^{(n)}_{ii}


最终概率:


f_{ij}=\sum_{n=1}^{\infty}f^{(n)}_{ij}


最终返回概率:


f_{ii}=\sum_{n=1}^{\infty}f^{(n)}_{ii}


定理1:


f^{(n)}_{ij}=\sum _{i_1 \neq j}\sum _{i_2 \neq j}...\sum _{i_{n-1} \neq j}p_{ii_1}p_{i_1i_2}...p_{i_{n-1}j}


定理2:


p^{(n)}_{ij}=\sum_{m=1}^{n}f^{(m)}_{ij}p^{(n-m)}_{jj}


定理3:


f_{ij} > 0 \Leftrightarrow i\rightarrow j


状态的常返性:


定义1:


f_{ii}=1

,称状态i是常返状态。


f_{ii}<1

,称状态i是非常返状态。


定理1:

状态i常返
\Leftrightarrow
\sum_{n=1}^{\infty}p^{(n)}_{ii}=\infty


推论:

状态i非常返
\Leftrightarrow
\sum_{n=1}^{\infty}p^{(n)}_{ii}<\infty

状态i非常返
\Rightarrow \lim_{n \to \infty}p^{(n)}_{ii}=0


定理2:

i是常返的,若 i->j,则 j->i,且
f_{ji}=1

定义2:

\mu _{i}=E(T_{ii})=\sum_{n=1}^{\infty}nf^{(n)}_{ii}<+\infty
,i是正常返

\mu _{i}=E(T_{ii})=\sum_{n=1}^{\infty}nf^{(n)}_{ii}=+\infty
,i是零常返


定理3:

i是零常返
\Leftrightarrow
\lim_{n \to \infty}p^{(n)}_{ii}=0


状态的周期性:


定义1:

\{n:p^{(n)}_{ii}>0,n\geq1\}
是非空集,状态i的周期定义为:

d=\gcd \{n:p^{(n)}_{ii}>0\}\Leftrightarrow \gcd \{n:f^{(n)}_{ii}>0\}
,d=1时,为非周期。


定义2:

正常返非周期的状态称为遍历态。


定理1:

i是遍历态
\Rightarrow \lim_{n\to\infty}p^{(n)}_{ii}=\frac{1}{\mu_i}

i是周期为d的正常返状态
\Rightarrow \lim_{n\to\infty}p^{(nd)}_{ii}=\frac{d}{\mu_i}


状态空间的分解:

状态互通:

i\leftrightarrow j


定义1:

C是E的子集,i∈C,j
\notin
C,
p^{(n)}_{ij}=0
,称C为闭集。


定理1:

i是常返状态,若i->j,则j也是常返状态。


定理2:

马氏链的全体常返态构成一个闭集。


定义2:

闭集C中不含非空真子集,称C是不可约的。


定义3:

若状态空间E是不可约的,则称不可约马氏链。


定理3:

马氏链不可约
\Leftrightarrow
它的所有状态之间是互通的。


推论1:

不可约马氏链或无常返,或无非常返。


推论2:

不可约常返链,若一个状态d > 1,则全体都是。


定理4:

齐次马氏链的状态空间E可唯一地分解为:

E=N+C1+C2+…+Ck+..,其中Ck为不可约常返闭集,N为全体非常返集



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