马尔可夫过程及其例题分析

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马尔可夫过程及其例题分析

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文章目录 前言一、马尔可夫过程的分类二、马尔可夫链的定义三、转移概率1.一步转移概率2.n步转移概率3.C-K方程应用例题 四、马尔可夫链的状态分类1.周期性2.常返性3.求首达概率例题 五、状态空间的分解1.定义2.常返性、周期性例题 六、平稳分布1.定义2.平稳分布例题 总结

前言

本文的主要内容是马尔可夫过程的分类、马尔可夫链的定义、一步和n步转移概率、马尔可夫链的状态分类、状态空间的分解、平稳分布以及相关例题的解析。

一、马尔可夫过程的分类

时间、状态都离散的马尔可夫过程,称为马尔可夫链。 时间连续、状态离散的马尔可夫过程,称为连续时间马尔可夫链。 时间、状态都连续,称为马尔可夫过程。

二、马尔可夫链的定义

在这里插入图片描述 马尔可夫链的统计特性完全由条件概率: 在这里插入图片描述 所决定。

三、转移概率 1.一步转移概率

在这里插入图片描述 称上式的条件概率为马尔可夫链 {Xn,n∈T} 在时刻 n 的一步转移概率,简称为转移概率,其中的 i,j∈I。 转移概率p不仅与状态 i,j 有关,还与时刻 n 有关,当p不依赖于n时,表示马尔可夫链具有平稳转移概率。 转移概率p与n无关时,称马尔可夫链 {Xn,n∈T} 是齐次的。 一步转移概率矩阵的性质: 在这里插入图片描述 对(1),即矩阵中的每个元素都是大于等于0的;对(2),矩阵中的每行元素的和为1。通常满足(1)和(2)的矩阵为随机矩阵。

2.n步转移概率

在这里插入图片描述 其具有的性质有: 在这里插入图片描述 其中性质(1)称为切普曼-柯尔莫哥洛夫方程,简称为C-K方程。 性质(2)说明n步转移概率由一步转移概率确定。 性质(3)(4)说明n步转移矩阵可以由一步转移矩阵乘n次得到。

3.C-K方程应用例题

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四、马尔可夫链的状态分类 1.周期性

如果集合: 在这里插入图片描述 非空,则称该集合的最大公约数 d 为状态i的周期,d>1 就称 i 是周期的,d=1 就称 i 是非周期的。 在这里插入图片描述

2.常返性

在这里插入图片描述 上式表示质点从状态 i 出发,经过有限步终于到达 j 的概率。 在这里插入图片描述 若 i 是非常返的,则从 i 出发后以正概率 1-f_ii 永远不再返回到 i 。 若 i 是常返的,由定义: 在这里插入图片描述 构成一个概率分布,其分布的期望值为: 在这里插入图片描述 它表示由 i 出发再次返回到 i 的平均返回时间。 在这里插入图片描述 若 i 是常返的,则有: 在这里插入图片描述

3.求首达概率例题

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五、状态空间的分解 1.定义

设C为状态空间 I 的非空子集,若对任意 i ∈C 及 k∉C 都有p_ik =0,则称C为闭集。若C中所有的状态是互通的,称C为不可约的闭集。若马尔可夫链 {Xn} 的状态空间 I 是不可约的闭集,则称 {Xn} 为不可约的马尔可夫链。 闭集的意思是自C的内部不能到达C的外部,这意味着一旦质点进入闭集C中,它将永远留在C中循环运动。 任一马氏链的状态空间 I,可唯一地分解成有限个或可列个互不相交的子集D,C1,C2,… 之和,使得: 在这里插入图片描述 用一个式子表达状态空间 I 如下。 在这里插入图片描述

2.常返性、周期性例题

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六、平稳分布 1.定义

设{Xn,n≥0} 是齐次马尔可夫链,状态空间为 I ,转移概率为p_ij。 在这里插入图片描述 不可约非周期马尔可夫链才能求其平稳分布。 在这里插入图片描述

2.平稳分布例题

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总结

以上就是马尔可夫过程及其例题分析章节的所有内容了,本文参考的是刘次华随机过程第五版课本。



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