马尔科夫链

合集下载
  1. 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. 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. 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)。
17
为了进行天气预报,人们通常关心的是在 过去和当前的气候状态已知条件下来预测将 来的天气状态。若以表t今天,s表明天 (s>t),A表过去所处的气候状态,则由积 累的气象资料来获得条件概率分布列
P{x(s)=j|x(t)=i,A}
是十分需要的。因为它表示了在过去状态为 A、当前(今天)状态为i已知的条件下,将 来(明天)状态为的可能性(其中i与j均可取 0,1,2,3中的任一种)。
7
3 泊松过程(泊松流)及其模拟
3.1 泊松流的概念 泊松流(即泊松过程)常用来描述一个随机质点流 的状态变化过程。 随机质点流指源源不断地随机地到达某目标的一 串质点,如:到商场的顾客流、到达工厂的定单 流,网络上到达某节点的数据流等。 单位时间内到达目标的泊松流质点数目服从泊松 分布:
λk − λ P( x = k ) = e (λ > 0, k = 0,1,2...) k!

的第i0 行取出各元素 Pi00 Pi01 … Pi0m 即可。
28
有了x(1)的条件分布列,就可以直接按照上一节对 离散型随机变量的一般模拟法来求取x(1)的样本值i1。 其具体做法为首先取伪随机数u1,然后选取数i1,使满 足不等式
∑ Pi 0 j < u 1 ≤ ∑ Pi 0 j
P{x(1)=j|x(0)= i0}=Pi0j (j=0,1,2,…)
27
是已知的,这只须从矩阵
P P P P
0 0
P P P P
0 1
… … … …
P P
0 m
:
i0 0
:
i0 1
:
1 m
P=
:
in 0
:
in 1
: P P
in m
:
m 0
:
m 1
:Hale Waihona Puke m m24与前同理,应有关系式
P10 + P11 + P12 + P13 =1 P20 + P21 + P22 + P23 =1 P30 + P31 + P32 + P33 =1
显然,若我们将天气状态的变化过程 {x(t),t=0,1,2,…}理想地看作齐次马氏链的话,只要 给出了转移矩阵,则无论当前的状态i取0,1,2,3 中的哪一个,均可以从转移矩阵P中找出相应的一 行来进行比较,从而得到预测值。
10
3.3 泊松流的模拟 泊松流的模拟,其实质就是要通过计算机获取泊 松流的样本函数。由泊松流的特性可知,泊松流的 样本函数均是跃度为1的递增阶梯函数。
11
泊松流模拟方法一:
基于泊松流的特征 平稳性:在时间区间[t,t+∆t]内,到达质点的平均数为λ∆t; 普遍性:则在时间区间[t,t+∆t]内,质点的到达成为简单事 件,有一个质点到达的概率为λ∆t,没有质点到达的概率为 1- λ∆t; 独立性:则整个时间段内顾客的到达成为若干相互独立的 简单事件的总和。
26
根据上述设想,对一个具有状态空间E={0,1, 2,…}的转移矩阵 P=
P 00 P 01 P 02 … P 0m P 10 P 11 P 12 … P 1m : : : : P P P P m 0 m 1 m 2 … m m
的齐次马氏链{x(t),t=0,1,2,…}实施模拟的具体步骤 如下: (1)设x(0)由初始状态i0,即x(0)=i0 。 (2)求x(1)的样本R1。考虑到状态x(0)=i0已发生, 故在 x(0)=i0 已发生的条件下x(1)的条件分布列
P{x(s)=j|x(t)=i,A}= P{x(s)=j|x(t)=i}
对任何s>t及i∈E,j∈E成立,即与过去状 态A无关,则称该随机过程为马氏链,并将 上述特性成为马氏链性或无后效性。
20
马氏性指出了这样一个事实:“如果我们知 道了系统在任一时刻的状态,就以此预测从 这以后的任何未来时刻的状态变化过程,至 于在这以前,系统是怎样到达此状态的经历 是无关紧要的。”或简单地说“给定现在,将 来与过去独立”,这就是马氏链的本质特性。 自然科学与社会科学的很多现象都具有上述 特性,如仓库前卡车排队长度的变化过程, 产品销售的变化过程等。
25
4.2 齐次马氏链的模拟 齐次马氏链{x(t),t=0,1,2,…}中的一列随机变量x(0), x(1), x(2),…如果是相互独立的话,我们就可以按照上一节的 方法将每个随机变量独立地逐个进行模拟,并获取其样 本值。但事实上问题并非如此简单,原因在于马氏链的 各个随机变量x(l)与x(h)之间并非是相互独立的 (l≠h),而是满足一定的相依关系---马氏链。但好在 这种马氏性所满足的相依关系是比较微弱的,它只要求 每一时刻s的状态仅依赖于上一时刻t=s-1的状态,即 x(n+1)依赖于x(n),x(n)依赖于x(n-1),…,x(2)依赖于 x(1),x(1)依赖于x(0),因此为获取齐次马氏链的一个样 本,只需要由t=0时的初始状态x(0)=i0 及转移矩阵P来决 定x(1)之样本i1,再由i1及P来决定x(2)之样本i2,由in及P来 决定x(n+1)的样本in+1……
P=
P00 P10 P20 P30
P01 P02 P03 P11 P12 P13 P21 P22 P23 P31 P32 P33
称为齐次马氏链的转移矩阵(更确切地说是一步转 移矩阵,其“一步”的含义是由于有s=t+1,即将来与 现在时刻仅差一个单位)。
23
在此转移矩阵P中,第一行元素 P00 P01 P02 P03 表征了在当前状态为0的状态下,未来状态分别取0, 1,2,3的概率。考虑到未来状态亦只能取这四个状态 中的一个,故应有
P00 + P01 + P02 +P03
同样,转移矩阵P中的第二行元素
=1
P10 P11 P12 P13
表征了在当前状态为1的条件下,未来状态分别取0,1, 2,3的概率,其余类推。
P{x(t+1)=j|x(t)=i,A}
与过去历史A无关,与当前时刻t无关,从而只与当 前时刻t所处的状态i以及将来(明天或其他)状态j 有关,故可以简记为 其中i和j可取状态空间E中任一状态,
Pij=P{x(t+1)=j|x(t)=i,A}
22
如天气预报中i与j可取0、1、2、3中的任一状态。 若将中Pij 中i与j所取的状态一一列举出来,并按照一 定的次序排列起来,可得:
3
函数概念与随机过程概念的对比:
确定性现象中:
随时间t变化的一族数值 构成函数Y(t),每个固定 值t确定一个数值Y。 t的变化范围称定义域, Y(t)的取值范围称值域。
随机性现象中:
随时间t变化的一族随机变量 构成随机过程Y(t),每个固 定值t确定一个随机变量Y。 t的取值范围T称参数集, Y(t)的取值范围E称状态空 间。
j =0 j =0
i 1−1
i1
于是有x(1)的样本R1 = i1。
⑶求x(2)的样本R2 。与上同理,由于x(1)= i1已发生, 故在x(1)= i1已发生条件下x(2) 的条件分布列是已知的, 这只须从转移矩阵P中取出第i1行的全部元素 即可,然后按照对离散型随机变量的一般模拟法来求取 x(2)的样本值。
18
例如若已知有 P{x(s)=0|x(t)=i,A}=0.8 P{x(s)=1|x(t)=i,A}=0.1 P{x(s)=2|x(t)=i,A}=0.05 P{x(s)=3|x(t)=i,A}=0.05 则人们当然可以预言明天的气候状态为0(雨 天)。
19
一般情况下,当当前状态已知的条件下, 将来的状态可能与过去所处的状态A有关, 也可能无关。若随机过程{x(t),t=0,1,2,…}的条 件概率满足关系式
8
描述泊松流概率特征的符号:
N(t):[0,t]时间内,到达某目标的质点数; Sn:第n个质点到达目标的时刻(n=1,2,…); Tn:第n个质点与其前一质点的相继到达间隔时间。 {N(t),t≥0}描述了随着t的变化,在[0,t]时间区间内到达 目标质点数的变化过程; {Sn,n=1,2,……}描述了随着到达目标的先后次序,质点到 达时刻的变化过程; {Tn,n=1,2,……}则描述了随着到达次序的变化,相继到 达目标的两质点到达时间间隔的变化过程。
1 λ
14
基于模拟方法二的模拟抽样流程:
,t=0
λ-1
t
15
4. 马尔科夫链
1、马氏链的基本概念 2、齐次马氏链的模拟 3、应用举例
16
4.1马氏链的基本概念
研究随机过程的主要目的之一是用来预测未来。 现以逐日考察的气象预报为例,当设x(t)表示t时刻 广州天气的状态,并以0、1、2、3分别代表四种气 候状态:雨天、晴天、阴天、多云,即有x(t)=0表 示t时刻广州为雨天;x(t)=1表示t时刻广州为晴天; x(t)=2表示t时刻广州为阴天;x(t)=3表示t时刻广州 为多云。则当t取0、1、2、…、365时,x(t)=i就表 示了自今天开始以后的一年中广州每天天气的状态i (i=0、1、2、3)。于是随机过程{x(t),t=0,1,2,…} 就描述了自今天开始以后的一年中广州天气的变化 过程。显然此随机过程有离散状态空间E={0,1, 2,3}与离散参数集(时间集)T={0,1,2,…}, 故它是时间离散、状态离散的链。
9
3.2 泊松流的特征及其性质 n 泊松流概率特征: 1)独立性:在互不相交的时间区间内到达目标的质 点数是相互独立的; 2)平稳性:对于充分小的△t>0,在时间区间[t,t+ △t]内有一个质点到达目标的概率与时间起点t无 关,而仅与△t长度成正比; 3)普遍性:对于充分小的△t>0,在时间区间[t,t+ △t]内有一个以上质点到达目标的概率几乎为0。 n 泊松流的基本性质: 强度为λ的泊松流,其相邻 质点到达间隔时间服从参数为λ的负指数分布。
•按照参数集(T)和状态空间(E)的类型,可分为:
离散参数链,非离散参数链,随机序列,随机函数
•根据概率结构,随机过程可以划分为:
独立增量过程,平稳过程,非平稳过程,马尔可夫过 程等 如:泊松过程属T连续,E离散的平稳过程。 马尔可夫链是T和E均离散的马尔可夫过程。
6
2 随机过程的模拟
•随机变量模拟的实质: 通过计算机获取随机变量的样本,在一次 实验中表现为一个数值。 •随机过程模拟的实质: 通过计算机实验获取随机过程的一个样本函 数。
第13章 马尔科夫链 (Markov Chains)
1
1 随机过程的基本概念
在不少随机现象中,不仅需考虑在某一时 刻下的系统状态,而且要研究该系统状态随时 间推移而发生的发展变化过程。 例如: 卡车装运系统 电话交换系统 城市交通交叉路口
2
随机现象发展变化过程如何进行描述 ?
某固定时刻t下随机现象状态的描述: 随机变量 当t在某时间区间内连续发生变化时,单个或多个 随机变量不足以表示随机现象的发展变化过程。 则:当t在某区间(a,b)内连续变化时,必须 用一族无限多个随机变量来描述。这一族无限多 个随机变量的总称就是随机过程。
因此,随机过程可以看作依赖于时间t的 由随机变量构成的函数。
4
随机过程的描述符号: {Y(t),t∈T } 随机过程的定义:
设T为参数集,若对于每一个t∈T,均有一 个随机变量Y(t)与其对应,则将这一族依赖 于t的随机变量的全体称为随机过程,记作 {Y(t),t∈T},或简记作YT。
5
随机过程的分类:
因此,逐个考察各∆t子区间内质点到达与否 即可获取泊松流在[0,T]内的一列到达时刻,进 而得到泊松流的一个样本函数。
12
基于模拟方法一的模拟抽样流程:
13
泊松流模拟方法二: 根据泊松流的基本性质,各质点的相继到达 时间间隔t1,t2,……是相互独立且服从同一参 数λ的负指数分布,而负指数分布随机数由计算 机抽样获得,进而可以计算各质点的到达时刻, 得到泊松流的一个样本函数。
21
在马氏链{x(t),t=0,1,2,…}中当s=t+1时,条件概率 P{x(t+1)=j|x(t)=i},一般来说不仅依赖于状态i与j, 而且依赖于当前时刻t,但若该马氏链的条件概率与 当前时刻t无关,则称此特殊的马氏链为齐次马氏 链,或者说该马氏链是齐次的。马氏链的齐次性反 映了这样一个事实:无论从什么时刻开始,系统未 来的状态变化过程的统计规律总是一致的。 在其次马氏链{x(t),t=0,1,2,…}中,由于条件概率
相关文档
最新文档