马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论
《马尔可夫过程》课件
2 未来发展趋势
展望马尔可夫过程在未来的发展趋势，以及可能的研究方向。
深入研究马尔可夫过程在生物 科学建模中的应用，如蛋白质 折叠和基因组分析。
马尔可夫过程在机器学习中的应用
1 马尔可夫决策过程
介绍马尔可夫决策过程（MDP），一种经典的强化学习框架。
2 隐式马尔可夫模型
探究隐式马尔可夫模型（HMM），在语音识别和自然语言处理等领域中的重要性。
总结
1 马尔可夫过程的优缺点
《马尔可夫过程》PPT课 件
欢迎您来到本次的《马尔可夫过程》PPT课件。在这个课件中，我们将深入探 讨马尔可夫过程的概念、应用以及它在机器学习和其他领域的重要性。
马尔可夫过程的介绍马尔可夫过程念了解马尔可夫过程的定义和基本特征，以及其 在实际问题中的应用。
马尔可夫过程的应用
探索马尔可夫过程在自然语言处理、经济金融 建模和生物科学建模等领域中的实际应用。
遍历性
介绍马尔可夫过程的遍历性， 说明从任意状态出发都能够回 到该状态的概率。
马尔可夫模型的实际应用
自然语言处理中的应 用
探索马尔可夫过程在自然语言 处理任务中的应用，如文本生 成和语言模型。
经济金融建模中的应 用
了解马尔可夫过程在经济金融 建模中的重要性，如股市预测 和经济风险分析。
生物科学建模中的应 用
马尔可夫过程的基础概念
马尔可夫链的定义
学习马尔可夫链的概念，了解 它是如何描述具有马尔可夫属 性的随机过程。
状态空间和状态转移 矩阵
聚焦于状态空间和状态转移矩 阵的重要性，以及它们在马尔 可夫过程中的作用。
随机游走模型
深入研究随机游走模型，理解 它是如何模拟具有马尔可夫属 性的随机运动。
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。
半马尔可夫过程
一个半马尔可夫过程是这样的过程，它的状态按一个马尔可夫链转移，但是在状态转移之间的时间间隔是随机的。
更特别的是，考虑一个状态为 1, ,0 ⋅⋅⋅的随机过程，它每次进入状态()0≥i i 时有：
下一个进入的状态是j 的概率为0 , ,≥j i P ij ，
在指定下一个进入的状态是j 时，直至从i 到j 的转移发生的时间具有分布ij F 。
如果我们以()t Z 记在时刻t 的状态，则(){}0,≥t t Z 称为一个半马尔可夫过程。
于是半马尔可夫过程并没有在给定现在的状态时将来独立与过去的马尔可夫性。
因为为了预测将来，我们不仅需要知道现在的状态，而且还需要知道在那个状态停留的时间长度。
当然在转移的时刻，我们需要知道一切是新的状态（而不需要有关过去的情形）。
马尔可夫链是半马尔可夫过程，它具有
()⎩
⎨⎧≥<=1 11 0t t t F ij 即马尔可夫链的一切转移时间恒等于1。
以i H 记半马尔可夫过程在转移前停留在状态i 的时间分布。
即，由取条件于下一个状态，我们有
()()∑=j
ij ij i t F P t H ，
以i μ记它的均值。
即
()⎰∞
=0d x H x i i μ。
若我们以n X 记第n 个被访问的状态，则{}0,≥n X n 是以ij P 为转移概率的马尔可夫链。
它称为半马尔可夫过程的嵌入马尔可夫链。
若嵌入马尔可夫链是不可约的，则我们称半马尔可夫过程不可约。
以ii T 记相继转移到状态i 之间的时间，且令[]ii ii T E =μ。
用交替更新过程理论推导半马尔可夫过程的极限概率是一件简单的事情。
(完整)马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论
关于“马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论前言马尔可夫更新过程是马尔可夫过程和更新过程的综合与推广。
马尔可夫更新过程以及由其产生的半马尔可夫过程，与马尔可夫过程、更新过程仅有紧密的联系，又有明显的区别。
马尔可夫更新过程是一个二维（包括状态和时间）随机过程，而半马尔可夫过程是由其产生的一维随机过程。
半马尔可夫过程的状态逗留时间是一般分布，不具有马尔可夫性，但在各状态转移时刻具有马尔可夫性。
马尔可夫更新过程是马尔可夫过程的推广.如果忽略马尔可夫更新过程中的时间变量，就可得到离散时间马尔可夫链。
如果半马尔可夫过程在各个状态的逗留时间都服从指数分布，就可得到连续时间马尔可夫链.马尔可夫更新过程是更新过程的推广。
状态逗留时间可以看作是受到一个马尔可夫链调制。
如果忽略确切的状态或状态固定，即只有一个状态，就可得到更新过程。
本读书报告主要对马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程的概念进行了分析，讨论了马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程、马尔可夫过程、更新过程的区别与联系，并分析总结了马尔可夫更新过程的基本特性。
一、对相关定义的理解1、马尔可夫更新过程随机变量n X 取值于状态空间{} ，，，210=S ，n T 是取值[)∞,0的随机变量,并且 ≤≤≤≤≤=-n n T T T T T 12100,则称随机过程{}0),,(≥n T X n n 是马尔可夫更新过程，如果对于0,,0≥∈≥∀t S j n 满足[][]n n n n n n n n n X t T T j X P T X T X T X t T T j X P |,),(),,(),,(|,11110011≤-==≤-=++++ （1）上式称作“半马尔可夫性”，其含义是:已知现在状态n X ,将来状态1+n X 与逗留在当前状态n X 的时间n n T T -+1的联合分布与过去的历史111100,,,,,--n n T X T X T X 独立。
隐马尔可夫总结
隐马尔可夫〔Hidden Markov Model，HMM〕一、马尔可夫过程〔Markov Process〕1、马尔可夫过程介绍马尔可夫过程(Markov Process)，它因俄罗斯数学家安德烈·马尔可夫而得名，代表数学中具有马尔可夫性质的离散随机过程。
该过程中，每个状态的转移只依赖于之前的n个状态，这个过程被称为1个n阶的模型，其中n是影响转移状态的数目。
最简单的马尔科夫过程就是一阶过程，每一个状态的转移只依赖于其之前的那一个状态。
马尔可夫链是随机变量X1, …, X n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、马尔可夫过程举例以下图展示了天气这个例子中所有可能的一阶转移：注意一个含有N 个状态的一阶过程有N2个状态转移。
每一个转移的概率叫做状态转移概率(state transition probability)，即从一个状态转移到另一个状态的概率。
这所有的N2个概率可以用一个状态转移矩阵来表示，其表示形式如下：对该矩阵有如下约束条件：下面就是海藻例子的状态转移矩阵：这个矩阵表示，如果昨天是晴天，那么今天有50%的可能是晴天，37.5%的概率是阴天，12.5%的概率会下雨，很明显，矩阵中每一行的和都是1。
为了初始化这样一个系统，我们需要一个初始的概率向量：这个向量表示第一天是晴天。
3、一阶马尔可夫过程定义如上述马尔可夫过程例子可知，我们为一阶马尔可夫过程定义了以下三个部分：状态：晴天、阴天和下雨；初始向量：定义系统在时间为0的时候的状态的概率；状态转移矩阵：每种天气转换的概率；所有的能被这样描述的系统都是一个马尔可夫过程。
二、隐马尔可夫过程〔HMM〕1、隐马尔可夫模型介绍隐马尔可夫模型(HMM)是一个输出符号序列统计模型，具有T个状态X1,X2.......X t-1,它按一定的周期从一个状态转移到另一个状态，每次转移时，输出一个符号〔观测值〕。
基于强化学习的劣化系统维修策略研究
(1)动态规划 动态规划(Dynamic Programming，DP)算法是利用值函数来搜索较优的策略
的方法。同时 DP 算法的局限性也是明显的，它容易出现“建模难”和“维数 灾”的问题，其计算量会随着状态的数量而呈指数的增长，因此它不适用于大
6
规模的问题。同时，DP 算法要求事先知道整个环境的确切模型，比如状态转移 函数，而在实际随机系统中这种确切的模型信息很难得到而且计算复杂。 (2)Monte-Carlo 算法
1.3.1 强化学习的定义 强化学习是一种 Agent 系统从环境到行为映射的学习[22]，从而使行为的回
报值最大化或代价值最小化。在采取这种学习方式的时候，与其他机器学习不 同，行为者没有被告知要采取何种行动，而是要通过不断试错的方式与外界环 境进行交互，然后根据交互所得的信息进行学习，并依此来对行动进行选择， 作为对外界环境状态的输出。执行该行动将导致环境的状态发生变迁，与此同 时 Agent 将接受环境的回报或惩罚。Agent 的目标就是为了在每次选择行动时， 能够使所选择的行动从环境反馈最大的回报或者产生最小的代价。因此，倘若 Agent 的某个行为能够达到这样的目标，则 Agent 以后产生这个行为的策略趋 势将加强，反之则趋势减弱。强化学习与外界环境的交互过程通常可以用图 1-3 来表示。
5
行动A
输入 模块I
感知i
强化 模块P
奖赏r
策略模块L
环境 W
状态 Φ 图 1-3 强化学习的基本框架
由该图可以看出，强化学习系统主要由三个集合来描述， Φ = (1, 2..., N ) 是 所有可能的环境状态的集合，而 A = (1, 2,...M ) 是 Agent 所有可能与环境进行交互 所需执行动作的集合，W :Φ× A→ Φ是环境的转移状态集合。强化学习的基本 框架主要由系统环境和学习主体 Agent 构成。其中，学习的主体 Agent 主要由 三个模块组成，分别是：输入模块 I ，强化模块 P 和策略模块 L 。输入模块 I 把 外界环境状态 x 映射成 Agent 的内部感知 i ，策略模块 L 则是根据外界环境的反 馈，对 Agent 的内部知识进行更新，同时使 Agent 根据某种策略从 A 中选择一 个行动然后作用于外界环境，强化模块 P 则根据外界环境状态的转移产生的反 馈给 Agent 一个奖赏值 r 。
第五章马尔可夫过程
5.1 马尔可夫过程的概念
5.1.1 有关定义
高阶马尔可夫过程的定义：
如果马尔可夫过程在tn时刻的状态，只与tn时刻以前的tn-1, tn-2,… tn-k这k个时刻的状态有关，而与更前时刻的状态无关， 即
F(xn ; tn | xn-1, xn-2,…, xn-k , xn-k-1 ,…, x2 , x1 ;tn-1, tn-2,…, tn-k , tn-k-1 ,…, t2 , t1 )= F(xn ; tn | xn-1, xn-2,…, xn-k;tn-1, tn-2,…, tn-k) 或 f(xn ; tn | xn-1, xn-2,…, xn-k , xn-k-1 ,…, x2 , x1 ;tn-1, tn-2,…, tn-k , tn-k-1 ,…, t2 , t1 )= f(xn ; tn | xn-1, xn-2,…, xn-k;tn-1, tn-2,…, tn-k)
P{X(tn) < xn | X(t1) = x1, X(t2) = x2, …, X(tn-1) = xn-1}
= P{X(tn)- X(tn-1) < xn- xn-1 | X(t1) = x1, X(t2) = x2, …, X(tn-1) = xn-1}
= P{X(tn)- X(tn-1) < xn- xn-1 }= P{X(tn) < xn | X(tn-1) = xn-1}
转移概率分布函数和转移概率密度的定义：
把马尔可夫过程{X(t), t∊T}的条件概率分布函数，
F(x2 ; t2 | x1 ; t1}= P{X(t2) < x2 | X(t1) = x1}
称为马尔可夫过程的(状态）转移概率函数。
马尔可夫过程的研究及其应用
马尔可夫过程的研究及其应用概率论的思想通常都很微秒，即使在今天看来仍没有被很好地理解。
尽管构成概率论的思想有点含糊，但是概率论的结果被应用在整个社会当中，当工程师估计核反应堆的安全时，他们用概率论确定某个部件及备用系统出故障的似然性。
当工程师设计电话网络时，他们用概率论决定网络的容量是否足够处理预期的流量。
当卫生部门的官员决定推荐或不推荐公众使用一种疫苗时，他们的决定部分的依据概率分析，即疫苗对个人的危害及保证公众健康的益处。
概率论在工程实际、安全分析，乃至整个文化的决定中，都起着必不可少的作用。
关于概率的信息虽然不能让我们肯定的预测接下来发生个什么，但是它允许我们预测某一事件或时间链的长期频率，而这个能力十分有用。
概率论的思想不断渗透到我们的文化当中，人们逐渐熟悉运用概率论的语言思考大自然。
世界并不是完全确定的，不是每个“事件”都是已知“原因”的必然结果。
当科学家们对自然了解的更多，他们才能认知现象—例如，气体或液体中分子的运动，或液体的波动。
由此引入了人们对布朗运动的定性与定量描述。
在人们思考布朗运动的同时，俄国数学家马尔可夫开始研究现在所谓的随机过程。
在实际中遇到的很多随机现象有如下的共同特性：它的未来的演变，在已知它目前状态的条件下与以往的状况无关。
描述这种随时间推进的随机现象的演变模型就是马尔可夫过程。
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。
1951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。
马尔可夫决策过程简介(Ⅰ)
马尔可夫决策过程简介马尔可夫决策过程（Markov Decision Process, MDP）是一种用于描述随机决策问题的数学框架。
它是由苏联数学家安德雷·马尔可夫在20世纪初提出的，被广泛应用于控制理论、人工智能、经济学等领域。
马尔可夫决策过程的核心思想是通过数学模型描述决策者在具有随机性的环境中做出决策的过程，以及这些决策对环境的影响。
本文将介绍马尔可夫决策过程的基本概念和应用。
1. 随机过程马尔可夫决策过程是建立在随机过程的基础上的。
随机过程是指随机变量随时间变化的过程，它可以用来描述许多自然现象和工程问题。
在马尔可夫决策过程中，状态和行动都是随机变量，它们的变化是随机的。
这种随机性使得马尔可夫决策过程具有很强的适用性，可以用来描述各种真实世界中的决策问题。
2. 状态空间和转移概率在马尔可夫决策过程中，环境的状态被建模为一个有限的状态空间。
状态空间中的每个状态都代表了环境可能处于的一种情况。
例如，在一个机器人导航的问题中，状态空间可以表示为机器人可能所处的每个位置。
转移概率则描述了从一个状态转移到另一个状态的概率。
这个概率可以用一个转移矩阵来表示，矩阵的每个元素代表了从一个状态到另一个状态的转移概率。
3. 奖励函数在马尔可夫决策过程中，决策者的目标通常是最大化长期的累积奖励。
奖励函数用来描述在不同状态下采取不同行动所获得的奖励。
这个奖励可以是实数，也可以是离散的，它可以是正也可以是负。
决策者的目标就是通过选择合适的行动，使得累积奖励达到最大。
4. 策略在马尔可夫决策过程中，策略是决策者的行动规则。
它描述了在每个状态下选择行动的概率分布。
一个好的策略可以使得决策者在长期累积奖励最大化的同时，也可以使得系统的性能达到最优。
通常情况下，我们希望找到一个最优策略，使得系统在给定的状态空间和转移概率下能够最大化累积奖励。
5. 值函数值函数是描述在给定策略下，系统在每个状态下的长期累积奖励的期望值。
马尔可夫决策过程算法详解
马尔可夫决策过程算法详解马尔可夫决策过程（Markov Decision Process，简称MDP）指的是一类基于马尔可夫链的决策问题，它是强化学习的核心概念之一。
在强化学习中，MDP通常用于描述智能体和环境之间的交互。
本文将详细介绍马尔可夫决策过程算法的基本原理以及应用场景。
1. 马尔可夫链在介绍MDP之前，我们需要先了解马尔可夫链。
马尔可夫链是一种随机过程，它的状态只依赖于前一个状态。
换句话说，如果我们知道当前的状态，那么我们就能够预测下一个状态的概率分布。
这种特性被称为“马尔可夫性质”。
举个例子，假设我们有一个双面硬币，正面和反面的概率分别为p和1-p。
我们抛硬币n次，每次记录正反面的结果。
这个随机过程就是一个马尔可夫链，因为每次抛硬币的结果只受上一次的结果影响。
2. 马尔可夫决策过程马尔可夫决策过程是基于马尔可夫链的扩展，它加入了决策的成分。
在MDP中，除了状态和状态转移的概率分布，还有决策和奖励。
智能体会根据当前状态和奖励来做出决策，然后转移到下一个状态，依此类推。
MDP的五元组表示为（S,A,P,R,γ），其中：- S表示状态集合；- A表示动作集合；- P表示状态转移概率分布；- R表示奖励函数；- γ表示折扣因子。
状态转移概率分布指的是，在当前状态和进行的动作条件下，转移到下一个状态的概率。
奖励函数指的是，在当前状态和进行的动作条件下，智能体可以获得的奖励。
折扣因子用于平衡即时奖励和未来奖励的重要性。
3. 基于价值的策略如何选择最优决策规则是MDP算法的核心问题。
一种常见的方法是基于价值的策略。
价值函数指的是某个状态或状态-动作对的长期回报期望值。
我们可以通过价值函数来判断某个决策规则是否最优。
价值函数有两种，分别是状态价值函数V(s)和动作价值函数Q(s,a)。
状态价值函数表示从某个状态开始，采用某个决策规则获得的长期平均奖励。
动作价值函数表示从某个状态和采用某个决策规则开始，采取某个动作的长期平均奖励。
半马尔可夫决策过程 定义
半马尔可夫决策过程定义嘿，朋友！你知道半马尔可夫决策过程吗？这玩意儿听起来是不是特别高大上，感觉很难懂？其实啊，没那么可怕！咱先来说说啥叫决策过程。
就好比你出门前纠结今天穿啥衣服，是选那件帅气的夹克还是舒适的运动衫，这就是一个小小的决策过程。
而半马尔可夫决策过程呢，就像是这个决策过程的升级版。
想象一下，你在一个游戏里，每走一步都要做出选择，比如是往左走还是往右走，是打怪还是躲起来。
但这个游戏可不是简单的走一步算一步，它还有时间因素在里面。
这就像你等公交车，有时候车很快就来了，有时候你得等好久，这等待的时间是不确定的。
半马尔可夫决策过程就是考虑了这种不确定的时间间隔的决策情况。
它不仅仅关心你做出的选择，还关心你在每个状态上停留的时间长短。
比如说，你经营一家小商店，每天要决定进多少货。
有时候货物卖得快，有时候卖得慢，这卖货的速度就是不确定的时间间隔。
而你根据这些情况做出的进货决策，就是在半马尔可夫决策过程的范畴里啦。
再打个比方，你准备考研，每天决定学习多长时间，学习哪些科目。
有时候状态好，学得快，有时候状态不好，学得慢，这学习效率的变化就相当于不确定的时间间隔。
你根据这些来调整学习计划，不也是一种半马尔可夫决策过程嘛！所以说，半马尔可夫决策过程其实就在我们生活中到处都有，只是我们可能没有意识到而已。
它能帮助我们更好地做出决策，让我们在面对不确定的情况时，更有策略，更有方法。
总之，半马尔可夫决策过程虽然名字有点复杂，但理解起来并不难，只要我们多想想生活中的例子，就能明白它的奥秘啦！。
人工智能开发技术中的马尔可夫决策过程解析
人工智能开发技术中的马尔可夫决策过程解析人工智能（Artificial Intelligence，AI）的快速发展为我们的生活和工作带来了许多便利和创新。
在人工智能开发技术中，马尔可夫决策过程（Markov Decision Process，MDP）被广泛应用于系统决策的建模和优化。
本文将针对马尔可夫决策过程在人工智能开发技术中的应用进行解析和探讨。
马尔可夫决策过程是一种数学模型，用于描述有限的状态和可能的行动，以及行动所产生的结果。
它基于马尔可夫性质，即未来的状态只取决于当前状态和采取的行动，与过去的状态无关。
这种模型在人工智能领域中具有广泛的应用，特别是在问题建模和优化中。
在人工智能开发技术中，马尔可夫决策过程被广泛用于智能控制、路径规划、资源分配等领域。
在智能控制中，MDP可以描述系统的状态和可用的控制策略，从而帮助我们找到最佳的控制策略以实现特定的目标。
例如，在机器人路径规划中，马尔可夫决策过程可以帮助机器人决定在不同状态下采取的最佳行动，从而实现最短路径的规划。
马尔可夫决策过程中的关键是价值函数。
价值函数描述每个状态或状态-行动对的值，用于指导智能体（Agent）在环境中做出合适的决策。
在MDP中，我们通常会使用贝尔曼方程（Bellman equation）来迭代计算价值函数，从而找到最优的策略。
通过使用价值函数和贝尔曼方程，我们可以将复杂的问题转化为数学上的优化问题，更好地解决问题。
除了智能控制和路径规划，马尔可夫决策过程在资源分配中也有着重要的应用。
例如，在网络资源管理中，我们可以使用MDP来优化网络带宽的调度和分配，以实现高效的资源利用。
通过建立状态、行动和奖励的对应关系，我们可以通过价值函数计算资源分配的最优策略，从而提高网络的性能和可靠性。
尽管马尔可夫决策过程在人工智能开发技术中有着广泛的应用，但也面临着一些挑战和限制。
首先，马尔可夫决策过程的应用需要对系统建模进行抽象和简化，忽略了一些细节和不确定性，可能导致模型与实际情况不完全匹配。
马尔可夫过程详解
平均正常工作时间为1/λ；
损坏后的修复时间： 典型地也是一个负指数分布的随机变量 平均修复时间为 1/μ；
问： 1) 一个系统正常启动后, 10小时以后正常工作的概率？
2) 系统平均无故障时间MTBF？平均修复时间MTTR？…
典型问题：排队论
N(t)
t
到达某个服务台的顾客流是一个强度为 λ 的泊松过程，单位 时间到达服务台的平均人数为λ； 服务台只有一个服务员，顾客所需服务时间是负指数分布的
w (t) w0 (t), w1 (t), ，wn (t)
例
例1：确定跳跃强度
λΔt+o(Δt) 1 μΔt+o(Δt) 2 3 4 5
1
x
在[1,5]上有个质点在整数点上作随机游动。
质点任何时刻都可能发生移动 若在时刻 t 质点位于2~4，则在(t+Δt)中以概率λΔt+o(Δt)
离散马尔可夫过程的无穷小转移率 或 跳跃强度。
性质：
q
j
ij
0
qi1 1+qii
qi2 i qi4
qi3
马尔可夫过程的数学描述：跳跃强度矩阵
跳跃强度(转移率)矩阵：
q00 Q q10 q n0 q01 q11 qn1 q0n q1n qnn
马尔可夫过程的数学描述：跳跃强度Q
定 对于一个很小的正的Δt 义 P ( Δt) P (0) q Δt o( Δt) δ q Δt o( Δt) ij ij ij ij ij
lim 其中： qij Δ to
Pij ( Δt) δi j Δt
称为参数连续状态
Ft
n 1 /t1 ,t2 tn
semi-markov 过程
semi-markov 过程半马尔可夫过程（Semi-Markov Process）是一种在随机时间间隔内改变状态的随机过程。
相比于传统的马尔可夫过程，半马尔可夫过程在状态之间的转换时，所需时间是一个随机变量，而不是一个固定的时间。
一个半马尔可夫过程可以由一个五元组（S, T, Q, η, α）来定义：- S：状态的有限或可列集合；- T：时间的有限或可列集合；- Q：状态转移概率矩阵，表示从一个状态到另一个状态的转移概率；- η：状态持续时间分布，表示一个状态持续的时间分布；- α：初始状态概率分布，表示初始状态的概率分布。
半马尔可夫过程的本质是将时间和状态结合在一起，使得在随机时间点上状态的改变成为可能。
这种随机时间点的转换可以用来建模各种实际情况，如电话通话时长、服务过程中的等待时间等。
半马尔可夫过程有两种基本类型：无记忆和有记忆。
无记忆型的半马尔可夫过程中，状态持续时间的分布与上一个状态转移的概率无关。
相反，有记忆型的半马尔可夫过程中，状态持续时间的分布与上一个状态的持续时间以及上一个状态转移的概率相关。
半马尔可夫过程的建模可以通过转移概率矩阵来表示状态之间的转换关系。
转移概率矩阵中的每个元素表示从一个状态到另一个状态的转移概率。
状态持续时间的分布可以通过选择合适的概率分布来建模，常见的有指数分布、伽马分布等。
在实际应用中，半马尔可夫过程可以用于建模和分析一些复杂的系统，例如网络流量模型、通信系统等。
它可以通过模拟和统计方法来分析系统的性能，如平均等待时间、吞吐量等。
半马尔可夫过程有一些特殊的性质，如马尔可夫性质、增量性质和半马尔可夫性质。
马尔可夫性质表示在给定当前状态下，未来状态的转换概率只与当前状态有关，与过去的状态无关。
增量性质表示半马尔可夫过程的增量是独立的，即在任何时间段上都是随机独立的。
半马尔可夫性质表示在给定当前状态和经过的时间后，未来状态的转换概率只与当前状态和经过的时间有关。
马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论
关于“马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论前言马尔可夫更新过程是马尔可夫过程和更新过程的综合与推广。
马尔可夫更新过程以及由其产生的半马尔可夫过程，与马尔可夫过程、更新过程仅有紧密的联系，又有明显的区别。
马尔可夫更新过程是一个二维（包括状态和时间）随机过程，而半马尔可夫过程是由其产生的一维随机过程。
半马尔可夫过程的状态逗留时间是一般分布，不具有马尔可夫性，但在各状态转移时刻具有马尔可夫性。
马尔可夫更新过程是马尔可夫过程的推广。
如果忽略马尔可夫更新过程中的时间变量，就可得到离散时间马尔可夫链。
如果半马尔可夫过程在各个状态的逗留时间都服从指数分布，就可得到连续时间马尔可夫链。
马尔可夫更新过程是更新过程的推广。
状态逗留时间可以看作是受到一个马尔可夫链调制。
如果忽略确切的状态或状态固定，即只有一个状态，就可得到更新过程。
本读书报告主要对马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程的概念进行了分析，讨论了马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程、马尔可夫过程、更新过程的区别与联系，并分析总结了马尔可夫更新过程的基本特性。
一、对相关定义的理解1、马尔可夫更新过程随机变量n X 取值于状态空间{} ，，，210=S ,n T 是取值[)∞,0的随机变量，并且 ≤≤≤≤≤=-n n T T T T T 12100，则称随机过程{}0),,(≥n T X n n 是马尔可夫更新过程，如果对于0,,0≥∈≥∀t S j n 满足[][]n n n n n n n n n X t T T j X P T X T X T X t T T j X P |,),(),,(),,(|,11110011≤-==≤-=++++ （1）上式称作“半马尔可夫性”，其含义是：已知现在状态n X ，将来状态1+n X 与逗留在当前状态n X 的时间n n T T -+1的联合分布与过去的历史111100,,,,,--n n T X T X T X 独立。
马尔可夫过程(新)
C
B A
.10
.20
.20 Each year 20% of the residents of B move to A
.30
and 30% of the residents of B move to C
C
B A
.10
.20
.20 Each year .20 20% of the residents of C move to A
目录马尔可夫链的基本概念马尔可夫链的数学描述马尔可夫链中状态的分类状态转移概率的渐进性和平稳分布非常返状态的分析典型的马尔可夫链马尔可夫链的数学描述在研究马尔可夫链的过程中我们需要从物理问题中提取出其数学模型然后用数学语言描述其特征进而用数学工具解决问题
马尔可夫链
马尔可夫性（无后效性）
实际中有一类很广泛的随机过程，其特点体现在过程中各个 时刻的随机变量有一定的相依（非独立）关系。具体地说就 是：过去只影响现在，而不影响将来。这种随机过程叫做马 尔可夫过程。
马尔可夫链的基本概念
说明：
马尔可夫链具有无后效性。
表述二：X (tm ) xm 在已知tm时过程所处状态的条 件下，时刻tm以后过程将到达状态的情况与时刻 以前过程所处状态无关。
这个称为过程的无后效性或马尔可夫性。
马尔可夫链的基本概念
马尔可夫链的性质1：
马尔可夫链的有限维概率密度可以用 转移概率来表示.
马尔可夫链的数学描述
马尔可夫链的一步转移概率性质：
马尔可夫链的一步转移概率具有非负性
和归一化特性. , Pij (k ) 0
P (k ) 1 .
ij j
Example
A, B and C are three towns. Each year: 10% of the residents of A move to B 30% of the residents of A move to C 20% of the residents of B move to A 30% of the residents of B move to C 20% of the residents of C move to A 20% of the residents of C move to B No one dies. No one is born.
(完整)马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论
关于“马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论前言马尔可夫更新过程是马尔可夫过程和更新过程的综合与推广。
马尔可夫更新过程以及由其产生的半马尔可夫过程，与马尔可夫过程、更新过程仅有紧密的联系，又有明显的区别。
马尔可夫更新过程是一个二维（包括状态和时间）随机过程，而半马尔可夫过程是由其产生的一维随机过程。
半马尔可夫过程的状态逗留时间是一般分布，不具有马尔可夫性，但在各状态转移时刻具有马尔可夫性。
马尔可夫更新过程是马尔可夫过程的推广.如果忽略马尔可夫更新过程中的时间变量，就可得到离散时间马尔可夫链。
如果半马尔可夫过程在各个状态的逗留时间都服从指数分布，就可得到连续时间马尔可夫链.马尔可夫更新过程是更新过程的推广。
状态逗留时间可以看作是受到一个马尔可夫链调制。
如果忽略确切的状态或状态固定，即只有一个状态，就可得到更新过程。
本读书报告主要对马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程的概念进行了分析，讨论了马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程、马尔可夫过程、更新过程的区别与联系，并分析总结了马尔可夫更新过程的基本特性。
一、对相关定义的理解1、马尔可夫更新过程随机变量n X 取值于状态空间{} ，，，210=S ，n T 是取值[)∞,0的随机变量,并且 ≤≤≤≤≤=-n n T T T T T 12100,则称随机过程{}0),,(≥n T X n n 是马尔可夫更新过程，如果对于0,,0≥∈≥∀t S j n 满足[][]n n n n n n n n n X t T T j X P T X T X T X t T T j X P |,),(),,(),,(|,11110011≤-==≤-=++++ （1）上式称作“半马尔可夫性”，其含义是:已知现在状态n X ,将来状态1+n X 与逗留在当前状态n X 的时间n n T T -+1的联合分布与过去的历史111100,,,,,--n n T X T X T X 独立。
马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论
关于“马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论前言马尔可夫更新过程是马尔可夫过程和更新过程的综合与推广。
马尔可夫更新过程以及由其产生的半马尔可夫过程，与马尔可夫过程、更新过程仅有紧密的联系，又有明显的区别。
马尔可夫更新过程是一个二维（包括状态和时间）随机过程，而半马尔可夫过程是由其产生的一维随机过程。
半马尔可夫过程的状态逗留时间是一般分布，不具有马尔可夫性，但在各状态转移时刻具有马尔可夫性。
马尔可夫更新过程是马尔可夫过程的推广。
如果忽略马尔可夫更新过程中的时间变量，就可得到离散时间马尔可夫链。
如果半马尔可夫过程在各个状态的逗留时间都服从指数分布，就可得到连续时间马尔可夫链。
马尔可夫更新过程是更新过程的推广。
状态逗留时间可以看作是受到一个马尔可夫链调制。
如果忽略确切的状态或状态固定，即只有一个状态，就可得到更新过程。
本读书报告主要对马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程的概念进行了分析，讨论了马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程、马尔可夫过程、更新过程的区别与联系，并分析总结了马尔可夫更新过程的基本特性。
一、对相关定义的理解1、马尔可夫更新过程取值于状态空间{},是取值[)的随机变{}是马尔可夫更新过程，如果对于满足 []n n n n n X t T T j X P |,110011≤-==++ （1）上式称作“半马尔可夫性”的联合分布与过去的历111100马尔可夫更新过程是将连续时间马尔可夫过程的状态逗留时间分布由指数分布推广到一般分布，故马尔可夫更新过程中，序列{}只具有半马尔可夫性，即在状态转移时刻{}具有马尔可夫性。
2、与马尔可夫更新过程相联系的计数过程由教材2.9节知道，更新过程是一计数过程，表示到时刻t 的更新次数。
那么马尔可夫更新过程的更新次数应该如何描述呢？表示过程{}在(0,t]到达状态是马尔可夫更新过对应的更新次数。
特别地，假设初始状态是k ,则转移到状态k 构成一次更新，则意味着每次转移到状态k 的连续时间间隔是独立同分布的。
马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论
关于“马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论前言马尔可夫更新过程是马尔可夫过程和更新过程的综合与推广。
马尔可夫更新过程以及由其产生的半马尔可夫过程，与马尔可夫过程、更新过程仅有紧密的联系，又有明显的区别。
马尔可夫更新过程是一个二维（包括状态和时间）随机过程，而半马尔可夫过程是由其产生的一维随机过程。
半马尔可夫过程的状态逗留时间是一般分布，不具有马尔可夫性，但在各状态转移时刻具有马尔可夫性。
马尔可夫更新过程是马尔可夫过程的推广。
如果忽略马尔可夫更新过程中的时间变量，就可得到离散时间马尔可夫链。
如果半马尔可夫过程在各个状态的逗留时间都服从指数分布，就可得到连续时间马尔可夫链。
马尔可夫更新过程是更新过程的推广。
状态逗留时间可以看作是受到一个马尔可夫链调制。
如果忽略确切的状态或状态固定，即只有一个状态，就可得到更新过程。
本读书报告主要对马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程的概念进行了分析，讨论了马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程、马尔可夫过程、更新过程的区别与联系，并分析总结了马尔可夫更新过程的基本特性。
一、对相关定义的理解1、马尔可夫更新过程随机变量n X 取值于状态空间{} ，，，210=S ,n T 是取值[)∞,0的随机变量，并且 ≤≤≤≤≤=-n n T T T T T 12100，则称随机过程{}0),,(≥n T X n n 是马尔可夫更新过程，如果对于0,,0≥∈≥∀t S j n 满足[][]n n n n n n n n n X t T T j X P T X T X T X t T T j X P |,),(),,(),,(|,11110011≤-==≤-=++++ （1）上式称作“半马尔可夫性”，其含义是：已知现在状态n X ，将来状态1+n X 与逗留在当前状态n X 的时间n n T T -+1的联合分布与过去的历史111100,,,,,--n n T X T X T X 独立。
- 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)。
关于“马尔可夫更新过程与半马尔可夫过程”的讨论
前言
马尔可夫更新过程是马尔可夫过程和更新过程的综合与推广。
马尔可夫更新过程以及由其产生的半马尔可夫过程，与马尔可夫过程、更新过程仅有紧密的联系，又有明显的区别。
马尔可夫更新过程是一个二维（包括状态和时间）随机过程，而半马尔可夫过程是由其产生的一维随机过程。
半马尔可夫过程的状态逗留时间是一般分布，不具有马尔可夫性，但在各状态转移时刻具有马尔可夫性。
马尔可夫更新过程是马尔可夫过程的推广。
如果忽略马尔可夫更新过程中的时间变量，就可得到离散时间马尔可夫链。
如果半马尔可夫过程在各个状态的逗留时间都服从指数分布，就可得到连续时间马尔可夫链。
马尔可夫更新过程是更新过程的推广。
状态逗留时间可以看作是受到一个马尔可夫链调制。
如果忽略确切的状态或状态固定，即只有一个状态，就可得到更新过程。
本读书报告主要对马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程的概念进行了分析，讨论了马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程、马尔可夫过程、更新过程的区别与联系，并分析总结了马尔可夫更新过程的基本特性。
一、对相关定义的理解
1、马尔可夫更新过程
取值于状态空间{},是取值[)的随机变{}是马尔可夫更新过程，如果对于满足 []n n n n n X t T T j X P |,110011≤-==++ （1）
上式称作“半马尔可夫性”的联合分布与过去的历111100
马尔可夫更新过程是将连续时间马尔可夫过程的状态逗留时间分布由指数分布推广到一般分布，故马尔可夫更新过程中，序列{}只具有半马尔可夫性，即在状态转移时刻{}具有马尔可夫性。
2、与马尔可夫更新过程相联系的计数过程
由教材2.9节知道，更新过程是一计数过程，表示到时刻t 的更新次数。
那么马尔可夫更新过程的更新次数应该如何描述呢？
表示过程{}在(0,t]到达状态是马尔可夫更新过对应的更新次数。
特别地，假设初始状态是k ,则转移到状态k 构成一次更新，则意味着每次转移到状态k 的连续时间间隔是独立同分布的。
时间间隔叫作在状态的逗留时间。
定义如下函数：
0,},2,1{,,0,,1),(110≥∈=⎨⎧∈≤+++==++-t S k I otherwise I n t T T T k X t n I n n k 其中，当（2）
则 0,,)
,()(≥∈=∑t S k t n I t N k k （3）
用表示过程{}在(0,t]内总的状态转移次数，包括从当前状态出发又回到该状态的转移，状态每转移一次记为一次更新，根据更新理论有
（4） 则可以得到 0,
)()(≥=t t N t N k （5）
则是马尔可夫更新过程{}在状态空间S 上对应的总的更新次数。
3、马尔可夫更新函数
在教材2.9节中，定义了更新过程的的更新函数为。
：
（6）
将(3)式代入（6）式，得到
]
|,[]|),([|),()(00
000∑∑∑∞∞=∞==≤====⎥⎦⎤⎢⎣⎡==n n n k n k ik i X t T k X P i X t n V E i X t n V E t M （7）
n {}到达状态n 次状态转移时刻。
4、半马尔可夫过程 {}
，0≥∀t ，令
⎪⎩⎪⎨⎧>∞=+n n n n T t t Y sup ,)(1 （8）
称{}为由马尔可夫更新过程{}产生的（最小）半马尔可夫过程，其轨道如下图。
由图可见，一个半马尔可夫过程是一个随机过程，其状态变化遵循一个马尔可夫链，而状态变化的时间间隔是随机变量，其分布是一般分布。
值得注意的是：在离散时间马尔可夫过程中，可以把在每个状态的逗留时间看作一个单位时间。
在连续时间马尔可夫过程中，在每个状态的逗留时间是服从指数分布的。
半马尔可夫过程像连续时间马尔可夫过程一样进行状态转移，但是在每个状态的逗留时间是任意分布的，并且依赖于下一个到达状态，因此，在各个状态转移时刻半马尔可夫过程是马尔可夫过程。
二、几种随机过程之间的区别与联系
1、马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程的关系
马尔可夫更新过程和半马尔可夫过程最大的不同是：马尔可夫更新过程是一个二维（包括状态和时间）随机过程，而半马尔可夫是一个随着时间而变化的一维连续参数的随机过程。
半马尔可夫过程不具有马尔可夫性，将来取决于现在的状态和在该状态已停留的时间。
但是，在其更新点{}上半马尔可夫过程{}一个马尔可夫链，即具有马尔可夫性。
这也是{}被命名为半马尔可夫过程的原因。
解释：
{}
就是状态转移时刻，在已知该时刻过程所处状态的条件下，过程将来发展的概率规律和过去的历史无关。
在马尔可夫过程中，在每个状态的逗留时间服从指数分布，由于指数分布的无记忆性，故任一时刻t都是更新点，也就是说在任一时刻都具有马尔可夫性。
但是，在半马尔可夫过程中，在每个状态的逗留时间是一般分布，因此不是所有时刻都是过程的更新点，而只有状态转移时刻是更新点，所以只有在这些更新点上才具有马尔可夫性。
2、半马尔可夫过程和连续时间马尔可夫链的关系
如果半马尔可夫过程在各个状态的逗留时间都服从指数分布，这时就得到一个连续时间马尔可夫链。
换句话说，如果逗留时间是指数分布，并且在一个状态的逗留时间与下一个到达状态独立，我们就可以得到一个连续时间马尔可夫链。
这时可以得到 [][]
),,0,1(,1|,|,111110011s j i t n e i X j X P T T i X t T T j X P t n n n n n n n n n n n ∈≥≥-===-=≤-==-+++++且服从指数分布）（注意，若λ（9）
3、马尔可夫更新过程和离散时间马尔可夫链的关系
换句话说，如果忽略马尔可夫更新过程中的时间变量，就可得到离散时间马尔可夫链。
[]
),,1(,|,1101s j i n i X j X P n n n n ∈≥===++且 （10）
4、马尔可夫更新过程和更新过程的关系
如果序列独立同分布，并且它们的分布不依赖于，这时马尔可夫更新过程就成为更新过程。
即就是，如果忽略确切的状态（或状态固定，即只有一个状态），就得到了独立同分布{}就是一个更新过程。
[][] （11） 反过来说，马尔可夫更新过程是更新过程的推广，其状态逗留时间不是独立同分布，而是受一马尔可夫链调制。
当{}时，状态逗留时间条件独立。
三、马尔可夫更新过程的基本特性
{}{}具有如下基本特性：
1、
{}是状态空间S 上转移矩阵为的马尔可夫
链
，并且和n 无关，即是齐次的。
其中，[]。
2 []),,(),,(),,(101212101n n n n t X X G t X X G t X X G -= （12）
[]
{}时，逗留时间序列件独立。
特别地，若S 只有一个状态时,是一个更新过程。
3、对于固定状态，令},0:min{j X n n S =≥=，},:min{j X S n n S =≥=，1≥n 。
S n 次到达状态j 的时刻，
S S -是第n 次与第n-1次到达状态j 的时间间隔，}0,{≥=n S S S S S -S S -}1{≥-n S S ，同分布（注意这里的n 是大于等于1的，即不包括S ）。
值得注意的是，更新过程和延时更新过程是有区别的。
在更新过程的研究中，时间原点的选取很重要。
如果原点选在一次更新的发生时刻，则各次更新的时间间隔独立同分布，这样的更新过程称作普通更新过程。
另一种可能的选择是过程并不是从一次更新时刻开始，亦即原点并不在更新区间的端点，而是在更新区间内部。
这时，第一个
S 和其余的区间长度S S -S S -，…有不同的分布。
这样的过程称作延时更新过程。
显然，当第一个区间长度和其余区间长度有相同的分布时，延时更新过程就成为普通更新过程。
4、在状态空间S 增加一新的状态S H ∈，1≥n 次访问子集H n 次访问子集H n X X =~T T n τ=~,}0),~,~{()~,~(≥=n T X T X 是状态空间为的马尔可夫更新
过程。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。