第一节马尔可夫过程及其概率分布
合集下载
随机过程马氏过程
21
Fn ( x1 , x2 ,, xn , t1 , t 2 ,, t n ) P{ X (t1 ) x1 , X (t 2 ) x2 ,, X (t n ) xn }
P{ X (t1 ) x1 }P{ X (t2 ) x2 | X (t1 ) x1 }
P{ X (t n ) xn | X (t n1 ) xn1 , X (t n2 ) xn2 ,,
一、马尔可夫过程的数学定义
二、满足马氏性的随机过程
三、马氏过程的分类 四、马氏过程的有限维分布族
1
一、马尔可夫过程的数学定义
马尔可夫过程是具有所谓马尔可夫性 的一类特殊的随机过程.
1 马尔可夫特性
若当某随机过程{X(t),t ∈ T}在某时刻tk 所处的状态已知的条件下，过程在时刻t(t>tk) 处的状态只会与过程在tk时刻的状态有关，而与 过程在tk以前所处的状态无关。这种特性即称为 马尔可夫性,亦称之为无后效性。
19
例1.5 若每隔一分钟观察噪声电压，以X(n) 表示第n分钟观察噪声电压所得结果，则X(n) 为一随机变量，{X(n),n≥1}为一随机过程， 此过程是马氏过程吗？ 实际上,每隔一分钟观察所得噪声电压值 相互并不影响,且X(n)为一连续型随机变量, 因而{X(n),n≥1}是独立同分布的连续型随 机变量列,故知它为离散参数集,连续状态集的 马尔可夫过程.
X (t 2 ) x2 , X (t1 ) x1 }
P{ X (t1 ) x1 }P{ X (t 2 ) x2 | X (t1 ) x1 }
P{ X (t n ) xn | X (t n1 ) xn1 }
F ( x1 , t1 )F ( x2 , t2 | x1 , t1 )F ( xn , tn | xn1 , tn1 )
Fn ( x1 , x2 ,, xn , t1 , t 2 ,, t n ) P{ X (t1 ) x1 , X (t 2 ) x2 ,, X (t n ) xn }
P{ X (t1 ) x1 }P{ X (t2 ) x2 | X (t1 ) x1 }
P{ X (t n ) xn | X (t n1 ) xn1 , X (t n2 ) xn2 ,,
一、马尔可夫过程的数学定义
二、满足马氏性的随机过程
三、马氏过程的分类 四、马氏过程的有限维分布族
1
一、马尔可夫过程的数学定义
马尔可夫过程是具有所谓马尔可夫性 的一类特殊的随机过程.
1 马尔可夫特性
若当某随机过程{X(t),t ∈ T}在某时刻tk 所处的状态已知的条件下，过程在时刻t(t>tk) 处的状态只会与过程在tk时刻的状态有关，而与 过程在tk以前所处的状态无关。这种特性即称为 马尔可夫性,亦称之为无后效性。
19
例1.5 若每隔一分钟观察噪声电压，以X(n) 表示第n分钟观察噪声电压所得结果，则X(n) 为一随机变量，{X(n),n≥1}为一随机过程， 此过程是马氏过程吗？ 实际上,每隔一分钟观察所得噪声电压值 相互并不影响,且X(n)为一连续型随机变量, 因而{X(n),n≥1}是独立同分布的连续型随 机变量列,故知它为离散参数集,连续状态集的 马尔可夫过程.
X (t 2 ) x2 , X (t1 ) x1 }
P{ X (t1 ) x1 }P{ X (t 2 ) x2 | X (t1 ) x1 }
P{ X (t n ) xn | X (t n1 ) xn1 }
F ( x1 , t1 )F ( x2 , t2 | x1 , t1 )F ( xn , tn | xn1 , tn1 )
《马尔可夫过程 》课件
总结词
PART
06
结论与展望
重要性和应用前景：马尔可夫过程是概率论和随机过程的一个重要分支，它在理论和应用方面都具有重要的意义。在理论方面，马尔可夫过程为随机现象提供了数学模型，有助于深入理解随机现象的本质和规律。在应用方面，马尔可夫过程被广泛应用于金融、经济、生物信息学、计算机科学等领域，为解决实际问题提供了有效的工具。
详细描述
VS
马尔可夫链蒙特卡洛方法在统计物理中广泛应用于求解复杂的数学问题，如高维积分、复杂系统模拟等。
详细描述
在统计物理中，许多问题都需要求解复杂的数学表达式，如高维积分、复杂系统模拟等。马尔可夫链蒙特卡洛方法提供了一种有效的解决方案，通过构造合适的马尔可夫链，可以高效地求解这些数学问题，得到精确的结果。
未来研究方向
随着科技的发展和实际需求的不断变化，马尔可夫过程的研究方向也在不断拓展和深化。未来，马尔可夫过程的研究将更加注重跨学科的应用和创新，如与人工智能、机器学习等领域的交叉融合，以解决更加复杂和实际的问题。同时，随着大数据时代的到来，如何利用马尔可夫过程处理和分析大规模数据也是未来的一定义和作用。
要点一
要点二
详细描述
策略是指导决策者如何在给定状态下选择行动的规则。值函数是评估特定策略的性能的度量，它衡量了从开始到最终状态的总回报。在马尔可夫决策过程中，值函数和策略是紧密相关的，它们一起决定了在给定状态下采取的行动和最终的累积回报。
总结词
描述贝尔曼方程的定义和作用。
描述马尔可夫决策过程的定义。
总结词
马尔可夫决策过程（MDP）是一种数学模型，用于描述在不确定环境中做决策的问题。它由以下四个基本组成部分组成：状态集合、行动集合、状态转移概率和回报函数。在每个时刻，决策者根据当前状态选择一个行动，然后环境根据所选行动转移到一个新的状态，并给予决策者一个回报。
PART
06
结论与展望
重要性和应用前景：马尔可夫过程是概率论和随机过程的一个重要分支，它在理论和应用方面都具有重要的意义。在理论方面，马尔可夫过程为随机现象提供了数学模型，有助于深入理解随机现象的本质和规律。在应用方面，马尔可夫过程被广泛应用于金融、经济、生物信息学、计算机科学等领域，为解决实际问题提供了有效的工具。
详细描述
VS
马尔可夫链蒙特卡洛方法在统计物理中广泛应用于求解复杂的数学问题，如高维积分、复杂系统模拟等。
详细描述
在统计物理中，许多问题都需要求解复杂的数学表达式，如高维积分、复杂系统模拟等。马尔可夫链蒙特卡洛方法提供了一种有效的解决方案，通过构造合适的马尔可夫链，可以高效地求解这些数学问题，得到精确的结果。
未来研究方向
随着科技的发展和实际需求的不断变化，马尔可夫过程的研究方向也在不断拓展和深化。未来，马尔可夫过程的研究将更加注重跨学科的应用和创新，如与人工智能、机器学习等领域的交叉融合，以解决更加复杂和实际的问题。同时，随着大数据时代的到来，如何利用马尔可夫过程处理和分析大规模数据也是未来的一定义和作用。
要点一
要点二
详细描述
策略是指导决策者如何在给定状态下选择行动的规则。值函数是评估特定策略的性能的度量，它衡量了从开始到最终状态的总回报。在马尔可夫决策过程中，值函数和策略是紧密相关的，它们一起决定了在给定状态下采取的行动和最终的累积回报。
总结词
描述贝尔曼方程的定义和作用。
描述马尔可夫决策过程的定义。
总结词
马尔可夫决策过程（MDP）是一种数学模型，用于描述在不确定环境中做决策的问题。它由以下四个基本组成部分组成：状态集合、行动集合、状态转移概率和回报函数。在每个时刻，决策者根据当前状态选择一个行动，然后环境根据所选行动转移到一个新的状态，并给予决策者一个回报。
马尔可夫过程基础
移动一单位； （2）若移动前在1，5处，则以概率1停留在原处。
因为质点在1，5两点被“吸收”， 故称 有两个吸收壁的随机游动 其一步转 移矩阵为
1 1 2 0 P 1 0 0
0 0 1 2 0 0
0 1 2 0 1 2 0
0 0 1 2 0 0
0 0 0 1 2 1
于是
d j rd j 1
d j rd j 1 r d j 2 r d0
2 j
需讨论 r
当
r 1 c 1 1 u0 uc (u j u j 1 )
j 0
c 1
d j
i j c 1
j 0 c 1
而
u j u j uc
用 X n 表示在时刻 n 质点的位置，
则{ X n ，n 0 }是一个有限齐次马氏链，
试写出一步转移矩阵.
分 析
1
2
3
4
5
故
p11 p 21 p31 P 1 p41 p51
0 1 3 0 P 1 0 0
p12 p22 p32 p42 p52
p0 (i) 1
称 p0 (i) 为马氏链的初始分布
注 马氏链在初始时刻有可能处于I中任意状态，初始分布 就是马氏链在初始时刻的概率分布。 6．绝对分布 概率分布
n0 pn (i) P{X n i} ， i I ，
称为马氏链的绝对分布或称绝对概率
定态分布
即
若绝对分布 pn (i) 与 n 无关，
q c 1 ( p )
例3 排队问题 顾客到服务台排队等候服务，在每一个服务周期中只 要服务台前有顾客在等待，就要对排在前面的一位提 供服务，若服务台前无顾客时就不能实施服务。
因为质点在1，5两点被“吸收”， 故称 有两个吸收壁的随机游动 其一步转 移矩阵为
1 1 2 0 P 1 0 0
0 0 1 2 0 0
0 1 2 0 1 2 0
0 0 1 2 0 0
0 0 0 1 2 1
于是
d j rd j 1
d j rd j 1 r d j 2 r d0
2 j
需讨论 r
当
r 1 c 1 1 u0 uc (u j u j 1 )
j 0
c 1
d j
i j c 1
j 0 c 1
而
u j u j uc
用 X n 表示在时刻 n 质点的位置，
则{ X n ，n 0 }是一个有限齐次马氏链，
试写出一步转移矩阵.
分 析
1
2
3
4
5
故
p11 p 21 p31 P 1 p41 p51
0 1 3 0 P 1 0 0
p12 p22 p32 p42 p52
p0 (i) 1
称 p0 (i) 为马氏链的初始分布
注 马氏链在初始时刻有可能处于I中任意状态，初始分布 就是马氏链在初始时刻的概率分布。 6．绝对分布 概率分布
n0 pn (i) P{X n i} ， i I ，
称为马氏链的绝对分布或称绝对概率
定态分布
即
若绝对分布 pn (i) 与 n 无关，
q c 1 ( p )
例3 排队问题 顾客到服务台排队等候服务，在每一个服务周期中只 要服务台前有顾客在等待，就要对排在前面的一位提 供服务，若服务台前无顾客时就不能实施服务。
马尔可夫过程简介
1第七章 马尔可夫过程简介§7.1 马尔可夫过程定义对于一个随机过程，如果它具有以下特性：即当过程在现在时刻k t 所处的状态为已知的条件下，过程在将来时刻k t t >处的状态，只与过程在k t 时刻的状态有关，而与过程在k t 时刻以前所处的状态无关，则具具有此种特性的随机过程称为马尔可夫过程。
上述随机过程所具有的特性又称为无后效应。
无后效应也理解为：过程)(t X 在现在时刻k t 的状态，k k i t X =)(已知的条件下，过程“将来”的情况与“过去”的情况是无关的。
或者说，这种随机过程的“将来”只是通过“现在”与“过去”发生联系，如果一旦“现在”已知，那么“将来”和“过去”就无关了。
或者说，这种随机过程的“将来”只是通过“现在”与“过去”发生联系，如果一旦“现在”已知，那么“将来”和“过去”就无关了。
严格定义如下：定义马尔可夫过程：考虑随机过程)(t X ，并设1110+<<<<k k t t t t t ，如果它的条件概率密度函数满足)]()([)](,),(),()([1011k k k k k t x t x f t x t x t x t x f +-+= 则称为)(t X 为马尔可夫过程。
定义表明，)1(+k t x 的概率密度函数只取决于)(k t x 的状态，而与前)(,),(01t x t x k -个状态无关。
也就是“现在”的状态)(k t x 才对“将来”的状态)(1+k t x 有影响，而“过去”的状态)(,),(),(021t x t x t x k k --对“将来”没有影响。
由马尔要夫定义再根据条件密度函数公式，可写出马乐可夫过程的联合概率密度。
∵ ])(,),()([01t x t x t x f k k +)](,),(),([)](,),(),(),([01011t x t x t x f t x t x t x t x f k k k k k --+=)](,),(),(),([011t x t x t x t x f k k k -+2)](,),(),([)](,),(|)([0101t x t x t x f t x t x t x f k k k k -+= )](,),(),([)](|)([011t x t x t x f t x t x f k k k k -+=∏=+=ki i i t f t x t x f 01)()](|)([由上式要知，马尔可夫过程的联合概率密度函数等于各个转移概率密度和初始概率密度的乘积。
第十一篇马尔可夫链
aiFra bibliotekpi1
pi2 L
M M M
aj L
p1 j L
p2 j
L
记成
M P(1) P
pij
L
M
2020/6/1
9
例2 （0 1传输系统） 在如图111只传输数字 0和1的串联系统中，设每一级的传真率（输出 与输入数字相同的概率称为系统的传真率，相 反情形称为误码率）为p，误码率为q 1- p,并 设一个单位时间传输一级，X 0是第一级的输入， X n是第n级的输出（n 1).那么{X n , n 0,1, 2,L } 是一随机过程，状态空间I {0，1}，而且
7
当转移概率Pij (m, m n)只与i, j及时间间距n有关时， 把它记为Pij (n),即Pij (m, m n) Pij (n),并称此转移 概率具有平稳性。同时也称此链是齐次的或时齐的。
在马氏链为齐次的情形下，由（1.3)式定义的转移概率
Pij (n) P{X mn a j | X m ai}
0
0
q(1 p)
pq (1 p)
2020/6/1
20
例5 某计算机机房的一台计算机经常出故障，研 究者每隔15分钟观察一次计算机的运行状态，收集 了24小时的数据（共作97次观察）。用1表示正常状 态，用0表示不正常状态，所得的数据序列如下：
1110010011111110011110111111001111111110001101101
称它为马氏链的初始分布。
再看马氏链在任一时刻n T1的一维分布：
P{X mn a j | Xt1 ai1 , Xt2 ai2 ,L , Xtr air , X m ai}
P{X mn a j | X m ai}
pi2 L
M M M
aj L
p1 j L
p2 j
L
记成
M P(1) P
pij
L
M
2020/6/1
9
例2 （0 1传输系统） 在如图111只传输数字 0和1的串联系统中，设每一级的传真率（输出 与输入数字相同的概率称为系统的传真率，相 反情形称为误码率）为p，误码率为q 1- p,并 设一个单位时间传输一级，X 0是第一级的输入， X n是第n级的输出（n 1).那么{X n , n 0,1, 2,L } 是一随机过程，状态空间I {0，1}，而且
7
当转移概率Pij (m, m n)只与i, j及时间间距n有关时， 把它记为Pij (n),即Pij (m, m n) Pij (n),并称此转移 概率具有平稳性。同时也称此链是齐次的或时齐的。
在马氏链为齐次的情形下，由（1.3)式定义的转移概率
Pij (n) P{X mn a j | X m ai}
0
0
q(1 p)
pq (1 p)
2020/6/1
20
例5 某计算机机房的一台计算机经常出故障，研 究者每隔15分钟观察一次计算机的运行状态，收集 了24小时的数据（共作97次观察）。用1表示正常状 态，用0表示不正常状态，所得的数据序列如下：
1110010011111110011110111111001111111110001101101
称它为马氏链的初始分布。
再看马氏链在任一时刻n T1的一维分布：
P{X mn a j | Xt1 ai1 , Xt2 ai2 ,L , Xtr air , X m ai}
P{X mn a j | X m ai}
马尔可夫过程ppt课件
17
例1 以图1所示模型为例，求解稳态概率。
故障（p）
S（η1）
1-p
F（η2）
1-q
修复（q）
图1 马尔可夫过程的状态转移图 18
设系统处于正常状态的稳态概率为η1和处于故障状 态的稳态概率为η2，则有
12
(1 (1
p)1 q)2
q2 p1
1 2 1
显然，前两个方程是线性相关的，可以删掉一个。解 方程组得：
系统在各状态的稳定概率通常有以下两种解法： 已知瞬态概率，求极限
Ai
lim
t
P{Si (t)}
式中 Si（t）--系统i状态的瞬态概率； Ai--i状态的稳态概率。
16
通常，稳态概率空间的表达式不易求出，该解 法适合于解决一些比较简单系统的稳态状态概率问 题。 同构法
当系统达到稳定状态以后，各种状态将持续转 移，但是每种状态出现的概率基本不变，从而形成 一个稳定的状态空间。求解状态空间方程组，就可 得到系统在各种状态的稳态概率。
马尔可夫过程
神和尧
1
2
马尔可夫过程简介
一类随机过程（数学基础是随机过程理论）。 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 ) 。 ④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。
参数集T=[0, ∞],状态空间E={整数}
（3）时间离散、状态连续的马尔可夫过程——马尔可夫序列。 参数集T= {0,1,2,…},状态空间E= (-∞, +∞)
例1 以图1所示模型为例，求解稳态概率。
故障（p）
S（η1）
1-p
F（η2）
1-q
修复（q）
图1 马尔可夫过程的状态转移图 18
设系统处于正常状态的稳态概率为η1和处于故障状 态的稳态概率为η2，则有
12
(1 (1
p)1 q)2
q2 p1
1 2 1
显然，前两个方程是线性相关的，可以删掉一个。解 方程组得：
系统在各状态的稳定概率通常有以下两种解法： 已知瞬态概率，求极限
Ai
lim
t
P{Si (t)}
式中 Si（t）--系统i状态的瞬态概率； Ai--i状态的稳态概率。
16
通常，稳态概率空间的表达式不易求出，该解 法适合于解决一些比较简单系统的稳态状态概率问 题。 同构法
当系统达到稳定状态以后，各种状态将持续转 移，但是每种状态出现的概率基本不变，从而形成 一个稳定的状态空间。求解状态空间方程组，就可 得到系统在各种状态的稳态概率。
马尔可夫过程
神和尧
1
2
马尔可夫过程简介
一类随机过程（数学基础是随机过程理论）。 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 ) 。 ④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。
参数集T=[0, ∞],状态空间E={整数}
（3）时间离散、状态连续的马尔可夫过程——马尔可夫序列。 参数集T= {0,1,2,…},状态空间E= (-∞, +∞)
马尔可夫过程及其概率分布
二、马尔可夫过程的概率分布
研究时间和状态都是离散的随机序列
{ Xn X (n), n 0,1, 2,}, 状态空间为 I (a1,a2 ,}, ai R .
1. 用分布律描述马尔可夫性
对任意的正整数n, r 和 0 t1 t2 tr m; ti , m, n m Ti , 有
12 18
7 12 11 18
故5月1日为晴天 , 5月3日为晴天的概率为 P00(2) 5 12 0.4167,
又由于
0
P4
0 0.4005 1 0.3997
1
0.5995 0.6003
,
故5月1日为晴天 , 5月5日为雨天的概率为 P01(4) 0.5995.
例5 某计算机房的一台计算机经常出故障,研究者 每隔15分钟观察一次计算机运行状态,收集了24小 时的数据 (共作97次观察) . 用1表示正常状态, 用0 表示不正常状态, 所得的数据序列如下:
0, j 1 2.
一
12 3 4 5
步 转 移 概 率 矩 阵
1 0 1 0 0 0
2 1/ 3 1/ 3 1/ 3 0
0
P 3 0 1/3 1/3 1/3 0
4
0
0 1/ 3 1/ 3 1/ 3
5 0 0 0 1 0
说明: 改变游动的概率规则, 就可得到不同方式的 随机游动和相应的马氏链. 如果把点 1 改为吸收壁,
96 次状态转移的情况: 0 0, 8次;
0 1, 18次; 1 0, 18次; 1 1, 52次.
因此, 一步转移概率可用频率近似地表示为:
p00
P{ Xn1
0
|
Xn
0}
8
8 18
关键词无后效性马尔可夫性齐次马尔可夫链n步转移
pi 0 Pii1 t1 Pi1i2 t2 t1
P t t in1in n
n1
i 1
有限维分布完全由初始分布和转移概率所确定 21
§2 多步转移概率的确定
C K方程
Pij u v Pik u Pkj v k 1
ak
aj
ai
0 s su suv t
22
C K方程的证明：
齐次性
＝＝＝ Pik u Pkj v k 1
证毕！
23
Pi1 u Pi2 u Pi3 u 是u步转移概率矩阵的第i行，
P1 j v P2 j v P3 j v T 是v步转移概率矩阵的第j列，
C K方程可以写成矩阵形式：P u v P u P v
•Pn Pn
有限维分布由初始分布与一步转移概率完全确定
9
例1：(0-1传输系统)
X0
1
X1
2
… X2
Xn-1
n
Xn …
设是程各第，级n状级的态的传空输真间出率I(=为n{≥0p,，11)}.误，那码么率{为Xqn,=n1=-0p,。1X,02是…初}是始一输随入机，过Xn
关当，X而n=与i为时已刻知n以时前，所Xn处+1所的处状的态状无态关的，概所率以分它布是只一与个X马n=氏i有 链，而且还是齐次的.
13
等候室 服务台
随机到达者
离去者
系统
现用马氏链来描述这个服务系统： 设Xn=X(n⊿t)表示时刻n⊿t时系统内的顾客数
，即系统的状态。{Xn,n=0,1,2…}是一随机过程，状 态空间I={0,1,2,3},且如前例1、例2的分析可知，它 是一个齐次马氏链，它的一步转移概率矩阵为：
0
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
泊松过程是时间连续状态离散的马氏过程; 维纳过程是时间状态都连续的马氏过程.
例2 只传输数字0和1的串联系统 ( 0 1 传输系统) 如图:
X 0 1 X1 2 X 2 X n1 n X n
X
是第一级的输入
0
Xn是第n级的输出(n 1)
设一个单位时间传输一级, 设每一级的传真率为 p, 误码率为 q=1-p.
状态空间就是I. 且当Xn i,i I为已知时, X n1所处的状态分布只与X n i有关, 而与时刻 n 以前所处的状态无关. 所以它是一个马氏链, 且是齐次的.
一步转移概率 pij P{ Xn1 j | Xn i}
Pij (n) P{ Xmn a j | Xm ai }.
称为马氏链的n步转移概率
P(n) (Pij(n))为n步转移概率矩阵.
特别的, 当 k=1 时,
一步转移概率 pij Pij (1) P( Xm1 a j | Xm ai }.
一步转移概率矩阵 P(1) X m1的状态
a1 a2 a j
12345 如果Q现在位于1(或5)这点上, 则下一时刻就 以概率1移动到2(或4)这一点上. 1和5这两点称为反射壁. 上面这种游动称为带有两个反射壁的随机游动. 模拟方法:产生均匀分布的随机数序列132322 11122…,其中1表示左移;2表示不动;3表示右移.
12345
理论分析: 以Xn表示时刻n时Q的位置. 则{Xn ,n 0,1,2, }是一随机过程.
i, j 0,1
一步转移概率矩阵
01
P 0 1
p q
q p
例3 一维随机游动 一随机游动的质点在如图所示直线的点集 I {1,2,3,4,5}上作随机游动,并且仅仅在1秒、2秒 等时刻发生游动.
12345 游动的概率规则
如果Q现在位于点 i (1< i <5),则下一时刻各以 1/3的概率向左或向右移动一格, 或以1/3的概率留 在原处;
或写成 Ftn|t1 tn1 ( xn , tn | x1, x2 , , xn1;t1, t2 , , tn1 )
Ftn|tn1 ( xn , tn | xn1, tn1 ), 这时称过程{ X (t), t T }具马尔可夫性或无后效性. 并称此过程为马尔可夫过程.
3. 马尔可夫链的定义
时间和状态都是离散的马尔可夫过程称为马尔 可夫链, 简记为 { X n X (n), n 0,1,2, }.
即: 过程“将来”的情况与“过去”的情况是无 关的.
2. 马尔可夫过程的定义
具有马尔可夫性的随机过程称为马尔可夫过程. 用分布函数表述马尔可夫过程 设 I : 随机过程 { X (t ), t T }的状态空间, 如果对时间t的任意n个数值, tX1 (tnt2)在 条t件n ,Xn(ti 3) ,tixi下T 的 , 条恰件有分布函数 P{ X (tnX) (tnx)n在| X条(t件1 )X (xt1n,1X)(t2 )xn1x下2 ,的,条X (件tn分1 ) 布x函n1数} P{ X (tn ) xn | X (tn1 ) xn1}, xn R
转移到状态a j的转移概率.
说明: 转移概率具有特点
此矩阵的每一行元 素之和等于1.
Pij(m,m n) 1,i 1,2, .
j 1
由转移概率组成的矩阵 P(m,m n)(Pij(m, m n))
称为马氏链的转移概率矩阵. 它是随机矩阵.
3. 平稳性
当转移概率 Pij(m, m n) 只与 i, j 及时间间距 n 有关时, 称转移概率具有平稳性. 同时也称此链是齐次的或时齐的. 此时, 记 Pij(m,m n) Pij(n),
P{X mn a j | X t1 ai1 , X t2 ai2 ,L , X tr air , X m ai}
P{ Xmn a j | Xm ai }, 其中 ai I .
2. 转移概率
称条件概率 Pij(m,m n) P{ Xmn a j | Xm ai }
为马氏链在时刻m处于状态ai条件下,在时刻 m n
二、马尔可夫过程的概率分布
研究时间和状态都是离散的随机序列
{ Xn X (n), n 0,1, 2, }, 状态空间为 I (a1,a2 , }, ai R .
1. 用分布律描述马尔可夫性
对任意的正整数n, r 和 0 t1 t2 tr m; ti , m, n m Ti , 有
Xm 的
a1 p11
a2
p21
p12 p22
状
态
ai
pi1
pi 2
p1 j
p1 j
P(1)
pij
记为P
三、应用举例
例1 设{ X (t), t 0}是独立增量过程,且X (0) 0, 证明 { X (t ), t 0}是一个马尔可夫过程.
证明 由独立增量过程的定义知, 当0 t j tn1 tn , j 1,2, ,n 2时,
分析: {Xn,n 0,1,2, }是一随机过程, 状态空间 I {0, 1} ,
且当Xn i,i I为已知时, X n1所处的状态分布只与X n i有关,
而与时刻 n 以前所处的状态无关.
所以它是一个马氏链, 且是齐次的.
一步转移概率
pijP{ Xn1 Nhomakorabeaj|
Xn
i}
p, j i q, j i,
第一节 马尔可夫过程及其概率分布
一、马尔可夫过程的概念 二、马尔可夫过程的概率分布 三、应用举例 四、小结
一、马尔可夫过程的概念
1. 马尔可夫性(无后效性)
过程或(系统)在时刻t0所处的状态为已知的 条件下,过程在时刻t t0所处状态的条件分布与 与过程在时刻t0之前所处的状态无关的特性称为 马尔可夫性或无后效性.
增量X (t j ) X (0)与X (tn ) X (tn1)相互独立. 根据条件X (0) 0与X (tn1) xn1, 即有
X (t j )与X (tn ) xn1相互独立.
此时X (tn )与X (t j ), j 1,2, ,n 2相互独立. 这表明X (t )具有无后效性,即{ X (t ), t 0}是一个 马尔可夫过程. 说明:
例2 只传输数字0和1的串联系统 ( 0 1 传输系统) 如图:
X 0 1 X1 2 X 2 X n1 n X n
X
是第一级的输入
0
Xn是第n级的输出(n 1)
设一个单位时间传输一级, 设每一级的传真率为 p, 误码率为 q=1-p.
状态空间就是I. 且当Xn i,i I为已知时, X n1所处的状态分布只与X n i有关, 而与时刻 n 以前所处的状态无关. 所以它是一个马氏链, 且是齐次的.
一步转移概率 pij P{ Xn1 j | Xn i}
Pij (n) P{ Xmn a j | Xm ai }.
称为马氏链的n步转移概率
P(n) (Pij(n))为n步转移概率矩阵.
特别的, 当 k=1 时,
一步转移概率 pij Pij (1) P( Xm1 a j | Xm ai }.
一步转移概率矩阵 P(1) X m1的状态
a1 a2 a j
12345 如果Q现在位于1(或5)这点上, 则下一时刻就 以概率1移动到2(或4)这一点上. 1和5这两点称为反射壁. 上面这种游动称为带有两个反射壁的随机游动. 模拟方法:产生均匀分布的随机数序列132322 11122…,其中1表示左移;2表示不动;3表示右移.
12345
理论分析: 以Xn表示时刻n时Q的位置. 则{Xn ,n 0,1,2, }是一随机过程.
i, j 0,1
一步转移概率矩阵
01
P 0 1
p q
q p
例3 一维随机游动 一随机游动的质点在如图所示直线的点集 I {1,2,3,4,5}上作随机游动,并且仅仅在1秒、2秒 等时刻发生游动.
12345 游动的概率规则
如果Q现在位于点 i (1< i <5),则下一时刻各以 1/3的概率向左或向右移动一格, 或以1/3的概率留 在原处;
或写成 Ftn|t1 tn1 ( xn , tn | x1, x2 , , xn1;t1, t2 , , tn1 )
Ftn|tn1 ( xn , tn | xn1, tn1 ), 这时称过程{ X (t), t T }具马尔可夫性或无后效性. 并称此过程为马尔可夫过程.
3. 马尔可夫链的定义
时间和状态都是离散的马尔可夫过程称为马尔 可夫链, 简记为 { X n X (n), n 0,1,2, }.
即: 过程“将来”的情况与“过去”的情况是无 关的.
2. 马尔可夫过程的定义
具有马尔可夫性的随机过程称为马尔可夫过程. 用分布函数表述马尔可夫过程 设 I : 随机过程 { X (t ), t T }的状态空间, 如果对时间t的任意n个数值, tX1 (tnt2)在 条t件n ,Xn(ti 3) ,tixi下T 的 , 条恰件有分布函数 P{ X (tnX) (tnx)n在| X条(t件1 )X (xt1n,1X)(t2 )xn1x下2 ,的,条X (件tn分1 ) 布x函n1数} P{ X (tn ) xn | X (tn1 ) xn1}, xn R
转移到状态a j的转移概率.
说明: 转移概率具有特点
此矩阵的每一行元 素之和等于1.
Pij(m,m n) 1,i 1,2, .
j 1
由转移概率组成的矩阵 P(m,m n)(Pij(m, m n))
称为马氏链的转移概率矩阵. 它是随机矩阵.
3. 平稳性
当转移概率 Pij(m, m n) 只与 i, j 及时间间距 n 有关时, 称转移概率具有平稳性. 同时也称此链是齐次的或时齐的. 此时, 记 Pij(m,m n) Pij(n),
P{X mn a j | X t1 ai1 , X t2 ai2 ,L , X tr air , X m ai}
P{ Xmn a j | Xm ai }, 其中 ai I .
2. 转移概率
称条件概率 Pij(m,m n) P{ Xmn a j | Xm ai }
为马氏链在时刻m处于状态ai条件下,在时刻 m n
二、马尔可夫过程的概率分布
研究时间和状态都是离散的随机序列
{ Xn X (n), n 0,1, 2, }, 状态空间为 I (a1,a2 , }, ai R .
1. 用分布律描述马尔可夫性
对任意的正整数n, r 和 0 t1 t2 tr m; ti , m, n m Ti , 有
Xm 的
a1 p11
a2
p21
p12 p22
状
态
ai
pi1
pi 2
p1 j
p1 j
P(1)
pij
记为P
三、应用举例
例1 设{ X (t), t 0}是独立增量过程,且X (0) 0, 证明 { X (t ), t 0}是一个马尔可夫过程.
证明 由独立增量过程的定义知, 当0 t j tn1 tn , j 1,2, ,n 2时,
分析: {Xn,n 0,1,2, }是一随机过程, 状态空间 I {0, 1} ,
且当Xn i,i I为已知时, X n1所处的状态分布只与X n i有关,
而与时刻 n 以前所处的状态无关.
所以它是一个马氏链, 且是齐次的.
一步转移概率
pijP{ Xn1 Nhomakorabeaj|
Xn
i}
p, j i q, j i,
第一节 马尔可夫过程及其概率分布
一、马尔可夫过程的概念 二、马尔可夫过程的概率分布 三、应用举例 四、小结
一、马尔可夫过程的概念
1. 马尔可夫性(无后效性)
过程或(系统)在时刻t0所处的状态为已知的 条件下,过程在时刻t t0所处状态的条件分布与 与过程在时刻t0之前所处的状态无关的特性称为 马尔可夫性或无后效性.
增量X (t j ) X (0)与X (tn ) X (tn1)相互独立. 根据条件X (0) 0与X (tn1) xn1, 即有
X (t j )与X (tn ) xn1相互独立.
此时X (tn )与X (t j ), j 1,2, ,n 2相互独立. 这表明X (t )具有无后效性,即{ X (t ), t 0}是一个 马尔可夫过程. 说明: