马尔可夫链
第四章 马尔可夫链
股市预测
预测股票价格变化 基于历史数据建立模型 考虑股票之间的相关性 用于投资决策和风险管理
05
马尔可夫链的算法
状态转移矩阵算法
定义：状态转移 矩阵算法是马尔 可夫链中用于描 述状态转移概率 的算法
计算方法：根据 历史数据和当前 状态计算未来的 状态转移概率
应用场景：广泛 应用于自然语言 处理、语音识别、 机器翻译等领域
类问题等。
可扩展性强： 马尔可夫链可 以通过增加状 态和转移概率 来扩展模型， 以处理更复杂
的问题。
缺点
状态转移概率矩 阵必须已知
无法处理连续时 间或非齐次过程
无法处理多维或 多状态过程
无法处理非马尔 可夫过程
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特点：隐马尔可夫链的状态转移和观测概率是参数化的，需要通过训练数据来估计。
应用：隐马尔可夫链在语音识别、自然语言处理、机器翻译等领域有广泛应用。
算法：隐马尔可夫链的算法包括前向-后向算法、Viterbi算法和Baum-Welch算法等。
04
马尔可夫链的应用
自然语言处理
文本分类：利 用马尔可夫链 对文本进行分 类，如垃圾邮 件过滤、情感
01
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02
马尔可夫链的定义
状态转移
定义：马尔可夫链的状态转移概率是描述状态之间转移的规则
特性：状态转移具有无记忆性，即下一个状态只与当前状态有关，与过去状态无关
转移矩阵：描述状态转移概率的矩阵
稳态分布：在长期状态下，马尔可夫链将趋于一个稳态分布，该分布描述
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马尔可夫链
,a click to unlimited possibilities
马尔可夫链
马尔可夫链马尔可夫链（Markov chains ）是一类重要的随机过程，它的状态空间是有限的或可数无限的。
经过一段时间系统从一个状态转到另一个状态这种进程只依赖于当前出发时的状态而与以前的历史无关。
马尔可夫链有着广泛的应用，也是研究排队系统的重要工具。
1) 离散时间参数的马尔可夫链 ①基本概念定义 5.7 设{()0,1,2,}X n n ∙∙∙=，是一个随机过程，状态空间{0,1,2,}E =，如果对于任意的一组整数时间120k n n n ∙∙∙≤<<<，以及任意状态12,,,k i i i E ∈，都有条件概率11{()|()}k k k k P X n i X n i --=== （5-17）即过程{()0,1,2,}X n n ∙∙∙=，未来所处的状态只与当前的状态有关，而与以前曾处于什么状态无关，则称{()0,1,2,}X n n ∙∙∙=，是一个离散时间参数的马尔可夫链。
当E 为可列无限集时称其为可列无限状态的马尔可夫链，否则称其为有限状态的马尔可夫链。
定义5.8 设{()0,1,2,}X n n ∙∙∙=，是状态空间{0,1,2,}E =上的马尔可夫链，条件概率(,){()|()}ij p m k P X m k j X m i i j E =+==∈，、 （5-18）称为马尔可夫链{()0,1,2,}X n n ∙∙∙=，在m 时刻的k 步转移概率。
k 步转移概率的直观意义是：质点在时刻m 处于状态i 的条件下，再经过k 步（k 个单位时间）转移到状态j 的条件概率。
特别地，当1k =时，(,1){(1)|()}ij p m P X m j X m i =+== （5-19）称为一步转移概率，简称转移概率。
如果k 步转移概率(,)ij p m k i j E ∈，、，只与k 有关，而与时间起点m 无关，则{()}X n 称为离散时间的齐次马尔可夫链。
定义5.9 设{()0,1,2,}X n n ∙∙∙=，是状态空间{0,1,2,}E ∙∙∙=上的马尔可夫链，矩阵000101011101(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)n n j j jn p m k p m k p m k p m k p m k p m k P m k p m k p m k p m k ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦（5-20） 称为{()}X n 在m 时刻的k 步转移概率矩阵。
马尔可夫链
马尔可夫链
马尔可夫链（Markov Chain, MC）是概率论和数理统计中具有马尔可夫性质（Markov property）且存在于离散的指数集（index set）和状态空间（state space）内的随机过程（stochastic process）。
适用于连续指数集的马尔可夫链被称为马尔可夫过程（Markov process），但有时也被视为马尔可夫链的子集，即连续时间马尔可夫链（Continuous-Time MC, CTMC），与离散时间马尔可夫链（Discrete-Time MC, DTMC）相对应，因此马尔可夫链是一个较为宽泛的概念。
马尔可夫链的命名来自俄国数学家安德雷·马尔可夫以纪念其首次定义马尔可夫链和对其收敛性质所做的研究。
马尔科夫链_马尔可夫过程
马尔科夫链_马尔可夫过程一、引言1、马尔科夫链的数学背景马尔可夫链，因安德烈?马尔可夫（A.A.Markov，1856－1922）得名，是数学中具有马尔可夫性质的离散时间随机过程。
该过程中，在给定当前知识或信息的情况下，过去（即当期以前的历史状态）对于预测将来（即当期以后的未来状态）是无关的。
马尔可夫链是随机变量X_1,X_2,X_3...的一个数列。
这些变量的范围，即他们所有可能取值的集合，被称为“状态空间”，而X_n的值则是在时间n的状态。
如果X_{n+1}对于过去状态的条件概率分布仅是X_n的一个函数，则PX_{n+1}=x|X_0, X_1, X_2, \ldots, X_n = PX_{n+1}=x|X_n. 这里x为过程中的某个状态。
上面这个恒等式可以被看作是马尔可夫性质。
2、马尔科夫链的典型应用①马尔科夫链在股指期货投资中的应用马尔科夫链转移矩阵的有效状态以近时点动量策略原时点反转策略为主,有效抓住了上涨和下跌的中期和初期.从而准确的抓住了日内股指波动. ②马尔科夫链在天气预报中的应用通过对马尔科夫链理论和切普曼-柯尔莫哥洛夫方程方程的探讨,,结合天气情况不确定等诸多特点,构想了天气情况预报的马尔科夫链预测模型,给出了马尔科夫链的初始概率和多重转移概率的计算方法,根据此算法可以预报短期天气情况,同时扩展到对未来天气情况趋势的预测。
③马尔科夫链在环境预测中的应用鉴于目前环境质量预测在理论方法和实践上的缺乏，把马尔科夫链引入环境质量的预测中，将各种污染物的浓度变化过程视作马尔科夫过程，通过预测各种污染物的污染负荷系数来推知其浓度值/④马尔科夫链在桥梁状态预测中的研究与应用马尔科夫链以矩阵的形式来表达桥梁状况,通过求解状态转移矩阵,进一步预测桥梁未来数年内的基本状况。
综合考虑了桥梁检修的影响,给出了桥梁检修后不同状态的状态转移矩阵,为进一步引入实际数据做了充分的准备。
3、相关文献《程序设计实践》作者 Brian W.Kernighan程序设计实践并不是只是写代码。
马尔可夫链公式
马尔可夫链公式1. 什么是马尔可夫链马尔可夫链是指一个随机过程，在这个过程中某些状态可以通过概率转移去到其他状态，而且转移只与当前状态有关，与之前的状态无关。
具有这个特点的随机过程称为马尔可夫过程，而它产生的序列称为马尔可夫链。
2. 马尔可夫链的特点马尔可夫链具有以下几个特点：- 状态空间：指该随机过程中所有可能的状态的集合。
- 转移概率：在任意时刻，从一个状态转移到另一个状态的概率。
- 状态的分布：表示在任意时刻每个状态出现的概率。
- 稳定性：表示在长时间运转后达到的稳定状态的分布。
3. 马尔可夫链的公式马尔可夫链的公式描述了该过程中某个状态在下一时刻的概率分布与当前状态的概率分布之间的关系。
数学表示如下：P(X_n+1=i | X_n=j) = Pij其中，Pij表示从状态j转移到状态i的概率。
上述公式可以表示为一个矩阵形式：P = [Pij]其中P是一个n×n的矩阵，表示马尔可夫链的状态转移概率矩阵。
矩阵中的每个元素都是非负的，且每一行元素之和为1。
4. 马尔可夫链的应用马尔可夫链可以应用于许多现实生活中的问题。
例如：- 预测天气：根据前面几天的天气情况，通过马尔可夫链可以预测后面几天的天气情况。
- 音乐生成：通过马尔可夫链可以生成新的音乐片段，以及根据既有音乐生成新的音乐曲目。
- 股票分析：通过分析历史数据，使用马尔可夫链可以预测未来股票价格的走势。
- 自然语言处理：使用马尔可夫链可以构建文本生成模型，例如自动泡面爆款语录。
总之，马尔可夫链是一种极为重要的随机过程，在很多领域都有广泛的应用。
熟悉马尔可夫链公式，能够帮助我们更好地理解和应用这个概念，从而解决很多实际问题。
马尔可夫链
马尔可夫过程一类随机过程。
它的原始模型马尔可夫链，由俄国数学家A.A.马尔可夫于1907年提出。
该过程具有如下特性：在已知目前状态（现在）的条件下，它未来的演变（将来）不依赖于它以往的演变 ( 过去 ) 。
例如森林中动物头数的变化构成——马尔可夫过程。
在现实世界中，有很多过程都是马尔可夫过程，如液体中微粒所作的布朗运动、传染病受感染的人数、车站的候车人数等，都可视为马尔可夫过程。
关于该过程的研究，1931年 A.H.柯尔莫哥洛夫在《概率论的解析方法》一文中首先将微分方程等分析的方法用于这类过程，奠定了马尔可夫过程的理论基础。
目录马尔可夫过程离散时间马尔可夫链连续时间马尔可夫链生灭过程一般马尔可夫过程强马尔可夫过程扩散过程编辑本段马尔可夫过程Markov process1951年前后，伊藤清建立的随机微分方程的理论，为马尔可夫过程的研究开辟了新的道路。
1954年前后，W.费勒将半群方法引入马尔可夫过程的研究。
流形上的马尔可夫过程、马尔可夫向量场等都是正待深入研究的领域。
类重要的随机过程，它的原始模型马尔可夫链，由俄国数学家Α.Α.马尔可夫于1907年提出。
人们在实际中常遇到具有下述特性的随机过程：在已知它目前的状态（现在）的条件下，它未来的演变（将来）不依赖于它以往的演变（过去）。
这种已知“现在”的条件下，“将来”与“过去”独立的特性称为马尔可夫性，具有这种性质的随机过程叫做马尔可夫过程。
荷花池中一只青蛙的跳跃是马尔可夫过程的一个形象化的例子。
青蛙依照它瞬间或起的念头从一片荷叶上跳到另一片荷叶上，因为青蛙是没有记忆的，当现在所处的位置已知时，它下一步跳往何处和它以往走过的路径无关。
如果将荷叶编号并用X0,X1,X2，…分别表示青蛙最初处的荷叶号码及第一次、第二次、……跳跃后所处的荷叶号码，那么{Xn，n≥0} 就是马尔可夫过程。
液体中微粒所作的布朗运动，传染病受感染的人数，原子核中一自由电子在电子层中的跳跃，人口增长过程等等都可视为马尔可夫过程。
马尔可夫链
三.有限维概率分布 马尔可夫链{ X ( t ), t t
0
, t 1 , t 2 , }在初始时刻t 0 的概率
分布:
p j ( t 0 ) P { X ( t 0 ) j },
j 0 ,1, 2 ,
称为初始分布. 初始分布与转移概率完全地确定了马尔可夫链的 任何有限维分布.下面的定理二正是论述这一点. 不妨设齐次马尔可夫链的参数集和状态空间都是 非负整数集,那么有如下定理。
P { X ( k 1 ) j1 , X ( k 2 ) j 2 , , X ( k n ) j n }
p i ( 0 ) p ij1 1 p j1 j22
(k )
( k k1 )
p j n n1 j n n 1
(k k
)
i0
(13.9)
例6 在本节例5中,设初始时输入0和1的概率分别为 1/3和2/3,求第2、3、6步都传输出1的概率.
t 2 t n t n 1
和 S 内任意 n 1 个状态
j1 , j 2 , , j n , j n 1 , 如果条件概率
P { X ( t n 1 ) j n 1 | X ( t 1 ) j1 , X ( t 2 ) j 2 , , X ( t n ) j n }
二：马尔可夫链的分类 状态空间 S 是离散的(有限集或可列集),参数集 T 可为离散或连续的两类. 三：离散参数马尔可夫链 （1）转移概率 定义2 在离散参数马尔可夫链{ X ( t ), t 中,条件概率 P { X ( t
m 1
t 0 , t 1 , t 2 , , t n , }
1
马尔可夫链的定义及例子
3、转移概率
定义 i, j S, 称 P Xn1 j Xn i
的一步转移概率。
pij n 为n时刻
若i, j S, pij n pij ，即pij与n无关，称转移概率
具有平稳性.此时称{Xn,n≥0}为齐次（或时齐的）马尔 可夫链。记P=(pij)，称P为{Xn,n≥0}的一步转移概率矩阵.
0
j!
j 0,1, i
pi0公式略有不同，它是服务台由有i个顾客转为空闲的
概率，即第n个顾客来到时刻到第n+1个顾客来到时刻之
间系统服务完的顾客数≥i+1。
pi0 P X n1 0 X n i P(Yn i 1) P(Yn k) k i1
et (t)k dG t ,
0 P{Yn
j Tn1 x}dG x
( x) j exdG x, j 0,1, 2,
0 j!
因此， {Xn，n≥1}是马尔可夫链。其转移概率为
P0 j P( X n1 j X n 0) P(Yn j X n 0)
P(Yn
P( X n1 in1 X n in )
所以{Xn,n≥0}是马尔可夫链，且
pij P( X n1 j X n i) P( f i,Yn1 j) P( f i,Y1 j)
二、切普曼-柯尔莫哥洛夫方程
1，随机矩阵 定义：称矩阵A=(aij)S×S为随机矩阵，若aij ≥0，且
一步转移概率矩阵
0.5009
0.0458 0.2559 0.1388 0.2134
0.0466 0.0988 0.36584 0.14264
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(3) P( n) P P( n1) (4) P( n) P n
初始概率和绝对概率
初始概率： 绝对概率：
p j (n) P{X n j}, ( j I )
p j P{X 0 j}, ( j I )
初始分布：
{ p j } { p j , j I}
绝对分布：
(第七章)马尔可夫链
马尔可夫链的概念及转移概率 马尔可夫链的状态分类 状态空间的分解 遍历性与平稳分布
马尔可夫过程的四种类型
马尔可夫链
时间、状态都离散 时间离散、状态连续
马尔可夫序列
纯不连续马尔可夫过程
时间连续、状态离散
时间、状态都连续
连续马尔可夫过程（或扩散过程）
（3）函数表达式
[例3] 设 { Xn , nT } 是一个马尔可夫链，其状态
空间 I = {a, b, c}，转移矩阵为
1 / 2 1 / 4 1 / 4 P 2 / 3 0 1 / 3 3 / 5 2 / 5 0
求： (1) P{ X 1 b, X 2 c, X 3 a, X 4 c X 0 c};
一步转移概率矩阵
p11 P p21 p12 p22 p1n p2 n
性质： (1) pij 0 , i, j I
(2)
p
jI
ij
1, i I
（随机矩阵）
n 步转移概率
[定义] 称条件概率
( n) pij P{X mn j X m i}, (i, j I , m 0, n 1)
( n) n 0, 0 l < n 和 i , j I ，n 步转移概率 pij 具有下 列性质：
( n) ( l ) ( n l ) (1) pij pik pkj kI
( n) ij
C-K方程
( n) (2) pij pik1 pk1k2 pkn1 j k 1I kn1I
设质点在线段 [1,4] 上作随机游动。假设它只能在时刻
nT 发生移动，且只能停留在 1,2,3,4 点上。当质点转 移到2,3点时，它以1/3的概率向左或向右移动一格，或 停留在原处。当质点移动到点 1 时，它以概率 1 停留在 原处。当质点移动到点4时，它以概率1移动到点3。若 以Xn 表示质点在时刻 n 所处的位置，则{ Xn , n T }是 一个齐次马尔可夫链。
(n) (1) p j (n) pi pij iI
(2) p j (n) pi (n 1) pij
iI
(3) P T (n) P T (0) P ( n ) (3) P T (n) P T (n 1) P
马尔可夫链的几个简单例子
[例1] 二进制对称信道模型——是常用 0 于表征通信系统的错误产生机制的离 散无记忆信道模型。假设某级信道输 入0, 1数字信号后，其输出正确的概 1 率为p，产生错误的概率为q，则该级 信道输入状态和输出状态构成一个两 状态的齐次马尔可夫链。
一步转移概率矩阵：
p P q q p
p
q q p
0
1
p, i j pij q, i j (i, j 0,1)
二步转移概率矩阵： 2 2 p q 2 pq ( 2) 2 P P 2 2 p q 2 pq
[例2] 具有吸收壁和反射壁的随机游动
1 马尔可夫链的概念及转移概率
[定义] 设有随机过程 { Xn , n T }， 若对于任意的整 数n T 和任意的 i0, i1, …, in+1 I ，条件概率满足
P{ X n 1 in 1 X 0 i0 , X 1 i1 , , X n in } P{ X n 1 in 1 X n in }
（2）状态的常返性
首中概率——状态 i 经 n 步首次到达状态 j 的概率：
fij(n) P{X mn j, X mv j, 1 v n 1 X m i}, n 1
fij(0) 0
系统从状态 i 出发，经有限步迟早会（首次）到达 状态 j 的概率：
f ij f ij( n )
为{ Pj , j I } 。
8 1 9
1
7 1
1
1 1/3 1
2
1
3
6
1
5
2/3
4
1
（1）状态的周期性
[定义] 如集合 { n : n 1, pii(n) > 0 } 非空，则称该集合
的最大公约数 d = d(i) = G.C.D{ n : pii(n) > 0 }为状态 i
的周期。
如 d > 1 就称 i 为周期的；如 d = 1 就称 i 为非周期的。 [定理] 如果状态 i 的周期为d ，则存在正整数 M，对一 切 n M ，有 pii(nd) > 0 。
(2) P{ X n 2 c X n b}
解：
1 / 2 1 / 4 1 / 4 P 2 / 3 0 1 / 3 3 / 5 2 / 5 0
(1) P{X1 b, X 2 c, X 3 a, X 4 c X 0 c} P{X 0 c, X1 b, X 2 c, X 3 a, X 4 c} / P{X 0 c} P{ X 4 c X 3 a} P{ X 3 a X 2 c} P{ X 2 c X 1 b}
常返性的判别(根据pij(n))
(n) [定理] （1）状态 i 常返的充要条件为 pii n 0
(n) 状态 i 非常返的充要条件为 pii n 0
1 1 f ii
( n) pii 0
（2）若状态 i 是常返态，则 i 是零常返 i 是遍历态 （3）若 i 是周期为 d 的常返态，则 若 i 是非常返态，则
p
n 0
n (n) lim pii 0
pij(n)
首中概率
n
(n) lim pii 0
n 1
f ii( n )
f ii 1
n 1
f ii( n ) f ii 1
fij(n)
n 1
nfii( n) i
n 1
nfii( n) i
pij(n) 不仅与状态 i , j 有关，而且与时刻 n 有关。
当 pij(n) 与时刻 n 无关时，表示马尔可夫链具有平稳 转移概率。
齐次马尔可夫链
[定义] 若对任意的 i , j I ，马尔可夫链 { Xn , n T } 的转移概率 pij(n) 与时刻 n 无关，则称马尔可夫链是
齐次的，并记为 pij (n) 为 pij 。
P{ X 1 b X 0 c} P{ X 0 c} / P{ X 0 c} Pac Pca P bc P cb 1 3 1 2 1 4 5 3 5 50 二步转移概率矩阵：
(2) P{X n2 c X n b}
P
( 2) bc
1 6
{ p j (n)} { p j (n) , j I }
绝对概率向量：
PT (n) p1 (n), p2 (n), , (n 0)
初始概率向量：
PT (0) p1 , p2 ,
绝对概率 pj(n) 的性质
[定理] 设 { Xn , n T } 为马尔可夫链，则对于任意整数 n 1 和 j I ，绝对概率 pj (n) 具有下列性质：
上式可用来求从状态 i 经 n 步首次到达状态 j 的概率：
( n) nk ) f ij( n ) pij f ij( k ) p (jj k 1 n 1
周期的等价定义
G.C.D {n : n 1, p
(n) ii
0}
G.C.D {n : n 1, f ii( n ) 0}
n 1
0 fij( n) fij 1
常返性的定义
1) 若 fii = 1，则称状态 i 是常返的；若 fii < 1，则称
状态 i 是非常返的（或滑过的）。
2) 称期望值 i
(n) n f ii 为状态 i 的平均返回时间。 n 1
3) 若 i < ，则称常返态 i 是正常返的；
马尔可夫链的统计特性由以下条件概率所决定：
P{X n1 in1 X n in }
转移概率
[定义] 称条件概率
pij (n) P{X n1 j X n i}
为马尔可夫链 { Xn , n T } 在时刻 n 的一步转移概率， 其中 i , j I ，简称为转移概率。
P ( 2)
17 30 2 8 P 15 17 30
9 40 3 10 3 20
5 24 1 6 17 90
2 马尔可夫链的状态分类
设 { Xn , n >0 } 是齐次马尔可夫链，其状态空间
I = { 0, 1, 2, … }，转移概率是 pij ， i , j I ，初始分布
P{ X n in X 0 i0 , X 1 i1 , , X n 1 in 1} P{ X 0 i0 , X 1 i1 ,, X n 1 in 1} P{ X n in X n 1 in 1} P{ X 0 i0 , X 1 i1 , , X n 1 in 1} P{ X n in X n 1 in 1} P{ X n 1 in 1 X n 2 in 2 } P{ X 1 i1 X 0 i0 } P{ X 0 i0 }