马尔可夫链
马尔可夫链
例7 设马氏链{Xn}的状态空间为 I={1, 2, 3, 4, 5}， 转移概率矩阵为
1 2
1
2
0 0
0
1 2
1 2
0
0
0
P 0 0 1 0 0
3 / 16 . 1/ 4
于是: (1) P{X0 0, X2 1}
P{ X0 0}P{ X2 1 | X0 0} 1 5 5 ;
3 16 48
2020年5月21日星期四
(2)P{X2 1}
P{X0 0}P{X2 1 | X0 0} P{X0 1}P{X2 1 | X0 1}
显然有
p(n) 11
p(n) 21
P(n)
p(n j1
)
L
p(n) 12
p(n) 22
p(n) 1j
L
p(n) 2j
L
p(n) j2
p(n) jj
L
LL
L
(1)
0
p(n) ij
1
(2)
p(n) ij
1,
i
1,
2,L
j
2020年5月21日星期四
切普曼-柯尔莫哥洛夫方程(C-K方程): 对任意的m,n≥0,有
的矩阵
p11 p21
P
L
pj1 L
p12 L p22 L LL pj2 L LL
p1 j L
p2 j L
L
L
p jj L
L L
称为一步转移概率矩阵. 显然有
(1) 0 pij 1
(2)
pij 1, i 1, 2,L
j
2020年5月21日星期四
3、马尔可夫链举例
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
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
《马尔可夫链分析法》课件
马尔可夫链分析法具有无后效性 、离散性和随机性，适用于描述 大量随机现象，如股票价格、人 口迁移等。
马尔可夫链分析法的应用领域
金融领域
马尔可夫链分析法用于描述股票价格、汇率等金融市场的随机波 动，以及风险评估和投资组合优化。
自然领域
在生态学、气象学、地质学等领域，马尔可夫链分析法用于描述物 种分布、气候变化、地震等自然现象。
ABCD
云计算应用
利用云计算资源，实现大规模数据的快速处理和 分析。
跨学科合作
加强与其他学科领域的合作，共同推动马尔可夫 链分析法的技术创新和应用拓展。
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CHAPTER 03
马尔可夫链分析法的基本步 骤
建立状态转移矩阵
确定系统的状态空间
首先需要确定系统可能的状态，并为其编号。
计算状态转移概率
根据历史数据或实验结果，计算从一个状态转移到另一个状态的 概率。
构建状态转移矩阵
将状态转移概率按照矩阵的形式排列，形成状态转移矩阵。
计算稳态概率
初始化概率向量
系统的长期行为
02
通过分析稳态概率，可以了解系统的长期行为和趋势，例如系
统的最终状态分布、系统的平衡点等。
预测未来状态
03
基于稳态概率，可以对系统未来的状态进行预测，从而为决策
提供依据。
CHAPTER 04
马尔可夫链分析法的应用实 例
人口迁移模型
描述人口迁移的动态过程
马尔可夫链分析法用于描述人口迁移的动态过程，通过分析人口在各个地区之间 的转移概率，预测未来人口分布情况。这种方法可以帮助政府和企业了解人口流 动趋势，制定相应的政策和计划。
马尔可夫链的基本概念
马尔可夫链的基本概念马尔可夫链是一种特殊的随机过程，广泛应用于统计学、机器学习、经济学、计算机科学等多个领域。
为了深入理解马尔可夫链的概念，我们先从基本定义开始，再逐步探讨其性质、分类、应用及实例分析。
一、马尔可夫链的定义马尔可夫链是一种具有“无记忆”特性的随机过程，即在给定当前状态的前提下，未来状态与过去状态无关。
换句话说，系统的未来发展只依赖于当前的状态，而不依赖于以前的状态。
这一特性通常被称为“马尔可夫性”，是马尔可夫链最大的特点。
在形式上，我们可以定义一个离散时间的马尔可夫链为一个由状态集合 ( S ) 组成的序列，其中 ( S ) 可能是有限的也可能是无限的。
设 ( X_n ) 为在时间 ( n ) 时刻该过程所处的状态，若满足条件：[ P(X_{n+1} = j | X_n = i, X_{n-1} = k, , X_0 = m) =P(X_{n+1} = j | X_n = i) ]其中，( P ) 是条件概率，这就表明该过程符合马尔可夫性质。
二、马尔可夫链的基本组成要素状态空间：状态空间是指系统所有可能的状态集合，通常用集合 ( S ) 表示。
例如，一个简单天气模型可以将状态空间定义为 ( S = {晴天, 雨天} )。
转移概率：马尔可夫链中的转移概率是指从一个状态转移到另一个状态的概率。
对于有限状态空间，转移概率通常用转移矩阵表示，其元素 ( P_{ij} ) 表示从状态 ( i ) 转移到状态 ( j ) 的概率。
初始分布：初始分布描述了系统在时间 ( t=0 ) 时，各个状态出现的概率。
通常用一个向量表示，如 ( _0(i) ) 代表在初始时刻处于状态 ( i ) 的概率。
三、马尔可夫链的性质马尔可夫链具有许多重要的性质，其中最为关键的是遍历性和极限性。
遍历性：如果一个马尔可夫链在长期运行后，将以一种稳定的方式达到各个状态，并且这个稳态与初始选择无关，那么我们称它为遍历。
换句话说，一个遍历性的马尔可夫链在达到平稳分布后，各个状态出现的概率将保持不变。
马尔可夫链的基本概念
马尔可夫链的基本概念马尔可夫链是一种数学模型，用于描述具有马尔可夫性质的随机过程。
马尔可夫性质指的是在给定当前状态的情况下，未来状态的概率只与当前状态有关，与过去状态无关。
马尔可夫链由一组状态和状态之间的转移概率组成，可以用于模拟和预测各种随机过程，如天气变化、股票价格波动等。
一、马尔可夫链的定义马尔可夫链由状态空间和转移概率矩阵组成。
状态空间是指所有可能的状态的集合，用S表示。
转移概率矩阵是一个n×n的矩阵，其中n 是状态空间的大小。
转移概率矩阵的元素表示从一个状态转移到另一个状态的概率。
二、马尔可夫链的性质1. 马尔可夫性质：在给定当前状态的情况下，未来状态的概率只与当前状态有关，与过去状态无关。
2. 遍历性：从任意一个状态出发，经过有限步骤后可以到达任意一个状态。
3. 周期性：一个状态可以分为周期为k的状态和非周期状态。
周期为k的状态在经过k步后才能返回原状态，非周期状态的周期为1。
4. 不可约性：如果一个马尔可夫链中的任意两个状态都是可达的，那么该马尔可夫链是不可约的。
5. 非周期马尔可夫链的收敛性：如果一个马尔可夫链是非周期的且不可约的，那么它具有收敛性，即在经过足够多的步骤后，状态分布会趋于稳定。
三、马尔可夫链的应用马尔可夫链在许多领域都有广泛的应用，包括自然语言处理、机器学习、金融市场分析等。
1. 自然语言处理：马尔可夫链可以用于语言模型的建立，通过分析文本中的词语之间的转移概率，可以预测下一个词语的出现概率，从而实现自动文本生成、机器翻译等任务。
2. 机器学习：马尔可夫链可以用于序列数据的建模和预测，如音频信号处理、图像处理等。
通过分析序列数据中的状态转移概率，可以预测下一个状态的出现概率，从而实现序列数据的预测和分类。
3. 金融市场分析：马尔可夫链可以用于分析金融市场的波动性和趋势。
通过分析股票价格的状态转移概率，可以预测未来股票价格的走势，从而指导投资决策。
四、马尔可夫链的改进和扩展马尔可夫链的基本概念可以通过改进和扩展来适应更复杂的问题。
第2章-马尔可夫链
0.4834
0.5009
例
甲、乙两人进行比赛，设每局比赛中甲胜的概率是p，
乙胜的概率是q，和局的概率是r ，（p q r 1）。
设每局比赛后，胜者记“+1”分，负者记“-1”分，
和局不记分。当两人中有一人获得2分结束比赛。X以n
表示比赛至第n局时甲获得的分数。
（1）写出状态空间；（2）求P(2)；
pij a0j,i ,
ji ji
显然{Yn,n≥1}也是一马尔可夫链。
例2 M/G/1排队系统
若以X(t)记在t时刻系统中的顾客数，{X(t),t≥0}则不具马 尔可夫性。
Xn-----第n个顾客走后剩下的顾客数， Yn -----第n+1个顾客接受服务期间来到的顾客数，则
X
n1
Xn 1 Yn ,
CHAPTER 2 马尔可夫链
第一节 基本概念
一、马尔可夫链的定义及例子
1、定义
随机过程Xn, n 0,1, 2, 称为马尔可夫链，若它只
取有限或可列个值（称为过程的状态，记为0，1，2，…），
并且，对任意
及状态
，有
n0
i, j, i0 , i1, , in1
P( X n1 j X 0 i0 , X1 i1, , X n1 in1, X n i)
（3）问在甲获得1分的情况下，再赛二局可以结束比 赛的概率是多少？
解
（1）
记甲获得“负2分”为状态1，获得 “负1分”为状态2，获得“0分”为状态3， 获得“正1分”为状态4，获得“正2分”为 状态5，则状态空间为
I {1，2，3，4，5}
一步转移概率矩阵
1 0 0 0 0
q
r
p
《马尔可夫链讲》课件
在平稳分布下，系统的各个状态之间转移的次数趋于平衡，每个状态的平均逗留时 的 马尔可夫链，都存在至少一个平
稳分布。
存在性定理的证明基于遍历理论 ，即如果马尔可夫链是遍历的，
那么它必然存在平稳分布。
根据接受概率判断是否接受样本的技 术，可以提高样本的质量和效率。
接受-拒绝抽样技术
接受概率
根据目标分布和当前状态计算出的概率，用于判断是否接受当前状态 转移为下一个状态。
拒绝概率
根据当前状态和接受概率计算出的概率，用于判断是否拒绝当前状态 转移为下一个状态。
接受-拒绝抽样过程
根据当前状态和接受概率计算出接受该状态的概率，如果该概率大于 随机数，则接受该状态作为下一个状态，否则拒绝并重新抽样。
详细描述
马尔可夫链定义为一个随机过程，其 中每个状态只与前一个状态有关，当 前状态只依赖于前一时刻的状态，不 受到过去状态的影响。
马尔可夫链的应用场景
总结词
马尔可夫链在多个领域有广泛应用。
详细描述
在自然语言处理中，马尔可夫链可以用于生成文本、语言模型等；在金融领域 ，马尔可夫链可以用于股票价格预测、风险评估等；在物理学中，马尔可夫链 可以用于描述粒子运动、化学反应等。
模型训练与预测
模型选择
根据数据特点和业务需求选择合适的马尔可 夫链模型。
模型训练
使用历史数据训练马尔可夫链模型。
参数设置
根据经验和业务理解设置模型参数。
预测与推断
基于训练好的模型对未来或未知数据进行预 测和推断。
结果评估与优化
评估指标
选择合适的评估指标（如准确率、召回率、F1值等）对预测结果进行评估。
马尔可夫链名词解释
马尔可夫链名词解释
嘿，你知道马尔可夫链吗？这玩意儿可有意思啦！就好像是生活中
的一场奇妙冒险。
比如说，你今天心情超好，那明天心情继续好的概率就可能比较大，这就有点像马尔可夫链啦！它说的是在给定当前状态的情况下，未来
的状态只与当前状态有关，而不依赖于过去的历史。
这多神奇啊！
想象一下，你在走一个迷宫，每一步的选择只取决于你现在所处的
位置，而不是你之前怎么走来的，这就是马尔可夫链的感觉呀！它就
像是一个有着特定规则的游戏。
咱再举个例子，天气的变化也有点类似马尔可夫链呢。
今天是晴天，那明天是晴天、阴天或下雨的概率是有一定规律的，而且只和今天的
天气有关。
在很多领域都能看到马尔可夫链的身影呢！像统计学、概率论、机
器学习等等。
它能帮助我们理解和预测很多复杂的现象。
哎呀，难道你不觉得这马尔可夫链很神奇吗？它就像一个隐藏在各
种现象背后的秘密武器，等待着我们去发现和运用它。
它能让我们更
清楚地看到事物的规律和趋势，让我们在面对不确定的时候能有一些
依据去做出判断。
总之，马尔可夫链真的是个超级有趣又超级有用的东西啊！它让我
们对世界的理解又多了一层，让我们能更好地应对生活中的各种情况。
所以，可别小看了这小小的马尔可夫链哦！。
马尔可夫链
马尔可夫链马尔可夫过程按其状态和时间参数是连续的或离散的,可分为三类: (1) 时间,状态都是离散的马尔可夫过程,称为马尔可夫链.(2) 时间连续,状态离散的马尔可夫过程,称为连续时间的马尔可夫 (3) 时间,状态都连续的马尔可夫过程. 4.1马尔可夫链的概念及转移概率 一,定义假设马尔可夫过程},{T n X n ∈的参数集T 是离散的时间集合,即 T={0,1,2,…},其相应n X 可能取值的全体组成的状态空间是离散的状态集,...}.,{21i i I =定义4.1 设有随机过程},{T n X n ∈,若对于任意的整数T n ∈和任意的I i i i i n ∈+.,...,,,1210,条件概率满足n n n n i X i X i X i X P ====++,...,,{110011}=},{11n n n n i X i X P ==++ (4.1) 则称},{T n X n ∈为马尔可夫链,简称.马氏链.(4.1)式是马尔可夫链的马氏性(或无后效性)的数学表达式.由定义知 ],...,,{1100n n i X i X i X P =====}.,...,,{111100--====n n n n i X i X i X i X P },...,,{111100--===n n i X i X i X P =}{11--==n n n n i X i X P .},...,,{111100--===n n i X i X i X P =… =}{11--==n n n n i X i X P }{2211----==n n n n i X i X P …}{0011i X i X P ==}.{00i X P =可见,马尔可夫链的统计特性完全由条件概率}{11n n n n i X i X P ==++所决定. 二,转移概率条件概率}{1i X j X P n n ==+的直观含义为系统在时刻n 处于状态i 的条件下,在时刻n+1系统处于状态j 的概率.它相当于随机游动的质点在时刻n 处于状态i 的条件下,下一步转移到状态j 的概率.记此条件概率为).(n p ij 定义4.2 称条件概率).(n p ij = }{11n n n n i X i X P ==++为马尔可夫链},{T n X n ∈在时刻n 的一步转移概率,其中i,j I ∈,简称为转移概率. 定义4.3 若对任意i,j I ∈,马尔可夫链},{T n X n ∈的转移概率).(n p ij 与n 无关,则称马尔可夫链是齐次的,并记).(n p ij 为.ij p下面我们只讨论齐次马尔可夫链,通常将齐次两字省略.设p 表示一步转移概率.ij p 所组成的矩阵,且状态空间I={1,2,…},则⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=...........................2222111211nnp p p p p p p 称为系统的一步转移概率矩阵,它有性质: (1) .,1)2(;,,0∑∈∈=∈≥Ij ij ijI i p I j i p通常称满足上述(1),(2)性质的矩阵为随机矩阵. 定义4.4称条件概率ij n p )(= )1,0,,(},{≥≥∈==+n m I j i i X j X P m n m 为马尔可夫链},{T n X n ∈的n 步转移概率,.并称)()()(n ij n p p =为马尔可夫链的n 步转移矩阵,其中(1) .,1)2(;,,0)(∑∈∈=∈≥Ij ij n ij n I i p I j i p 即也是随机矩阵.当n=1 时, .)1(ij p =.ij p ,此时一步转移矩阵.)1(p p =此外我们规定 ⎩⎨⎧=≠=.,1,,0)0(j i j i pij定理4.1设},{T n X n ∈为马尔可夫链,则对任意整数n l n <≤≥0,0和,,I j i ∈n 步转移概率.)(ij n p 具有下列性质:(1)))()()(l n kj Ik l ik n ij p p p -∈∑=; (4.2)(2) ;......112111)(j k Ik k k ik Ik n ij n n p p p p --∑∑∈∈= (4.3)(3);)1()(-=n n PP P (4.4) (4).)(n n P P =(4.5)证明(1) 利用全概率公式及马尔可夫性,有}{)(i X j X P p m n m n ij ===+=}{},{i X P j X i X P m n m m ===+}{},{.},{},,{i X P k X i X P k X i X P j X k X i X P m l m m Ik l m m n m l m m =========+∈+++∑}{}{i X k X P k X j X P m l m l m Ik n m =====++∈+∑=)()()()(m p l m p l ik Ik l n ij +∑∈-=)()(.l n kjIk l ik p p -∈∑. (2)在(1)中令1,1k k l ==得))1()(111-∈∑=n jkIk ik n ij p p p 这是一个递推公式,可递推下下去即得(4.3). (3)在(1).令l=1利用矩阵乘法可得. (4) 由(3),利用归纳法可证.定理4.1中的(1)式称为切普曼---柯尔哥洛夫方程,简称C-K 方程 .定义4.5设},{T n X n ∈为马尔可夫链,称 },{0j X P p j ==)(},{)(I j j X P n p n j ∈==为},{T n X n ∈的初始概率和绝对概率,并分别称}),({},,{I j n p I j p j j ∈∈为},{T n X n ∈的初始分布和绝对分布.简记为}.),({},,{n p p j j 称概率向量 )0(),...),(),(()(21>=n n p n p n P T 为n 时刻的绝对概率向量,而称)0(,...),,(21>=n p p P T为初始向量.定理4.2设},{T n X n ∈为马尔可夫链,则对任意整数I j n ∈≥,1,绝对概率).(n p j 具有下列性质:(1)))()(n ij Ii i j p p n p ∑∈=; (4.6)(2) ij Ii i j p n p p )1(-=∑∈ (4.7)(3);)0()()(n T T P P n P = (4.8) (4)P n P n P T T )1()(-= (4.9)证明(1) ===}{)(j X P n p n j},{0j X i XP n Ii ==∑∈= }{}{00i X P i X j XP nIi ===∑∈ =)(n ijIi i p p ∑∈ (2)===}{)(j X P n p n j },{1j X i X P n Ii n ==∑∈-=}{}{11i X P i X j X P n n n Ii ===--∈∑==ij Ii i p n p ∑∈-)1((3)与(4)是(1)与(2)的矩阵形式.定理4.3 设},{T n X n ∈为马尔可夫链,则对任意,1,,...,1≥∈n I i i n 有 },...{11n n i X i X P ===....11n n i i ii i p p p -∑ (4.10) 证明 由全概率公式及马氏性有},...{11n n i X i X P ===},...,,{110n n Ii i X i X i X P ===∈=},...,,{110n n Ii i X i X i X P ===∑∈=}.,{}{0110i X i X P i X P Ii ===∑∈...},...,{110--===n n n n i X i X i X P=}.,{}{0110i X i X P i X P Ii ===∑∈..}{11--==n n n n i X i X P=n n i i ii Ii i p p p 11...-∑∈.三,马尔可夫链的例子例4.1 无限制随机游动设质点在数轴上移动,每次移动一格,向右移动的概率为p,向左移动的概率为 q=1-p,这种运动称为无限制随机游动.以n X 表示时刻n 质点所处的位置,则},{T n X n ∈是一个齐次马尔可夫链,试写出它的一步和k 步转移概率. 解 },{T n X n ∈的状态空间,...},2,1,0{±±=I 其一步转移概率矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=.....................00.........0.....................p q p q P 设在第k 步转移中向右移了x 步向左移动了y 步,且经过k 步转移状态从j 进入j,则⎩⎨⎧-=-=+i j y x k y x ,.2)(,2)(i j k y i j k x --=-+=由于x,y 都只取整数,所以)(i j k -±必须是偶数.又在k 步中哪x 步向右,哪y 步向左是任意的,选取的方法有x k C 种.于是⎩⎨⎧-+-+=是奇数是偶数)(,0)(,i j k i j k q p C p y x x k k ij.例4.2赌徒输光问题.两赌徒甲,乙进行一系列赌博.赌徒甲有a 元,赌注乙有b 元,每赌一局输者给赢者1元,没有和局,直到两人中有一个输光为止.设在每一局中,甲赢的概率为p,输的概率为q=1-p,求甲输光的概率.这个问题实质上是带有两个吸收壁的随机游动,其状态空间为I={0,1,2,…,c} c=a+b.故现在的问题是求质点从a 出发到达0状态先于到达c=a+b 状态的概率.解 设i u 表示甲从状态i 出发转移到状态0的概率,要计算的是a u ..由于0和c 是吸收状态,故,10=u .0=c u i u 由全概公式).1,...,2,1(,11-=+=-+c i qu pu u i i i (4.11) 上式的含义是,甲从状态i 出发开始赌到输光的概率等于’他接下去赢了一局(概率为p)处于状态i+1后再输光”;和他接下去输一局(概率为q),处于状态i-1后再输光”这两个事件的概率.由于p+q=1,(4.11)实质上是一个差分方程.1,...,2,1),(11-=-=--+c i u u r u u i i i i (4.12)其中pqr =,其边界条件为.0,10==c u u (4.13) 先讨论r=1,即p=q=1/2的情况,(4.12)成为 .1,...,2,1),(11-=-=--+c i u u r u u i i i i 令,01α+=u u 得,2012αα+=+=u u u …,01ααi u u u i i +=+=- …,01ααc u u u c c +=+=-将,1,00==u u c 代于最后一式,得参数,1c-=α所以.1,...,2,1,1-=-=ci ciu i 令i=a, 求得甲输光的概率为.1ba bc a u a +=-= 由于甲,乙的地位是对称的,故乙输光的概率为.ba a u a +=再讨论1≠r ,即q p ≠的情况.由(4.12)式得到)(11--=-=-∑i c k i i k c u u r u u =)(011u u r c ki i-=∑-=.1)1(1r r r u ck ---= (4.14) 令k=0,由于,0=c u 有rr u c---=11)1(11即,11)1(1crru --=- 代入(4.14)式,得.1,...,2,1,1-=--=c k rr r u cck k 令k=a,得到输光的概率,1cca a rr r u --= 由对称性,乙输光的概率为.,11111q p r r r r u c cb b =--= 由于,1=+b a u u 因此在1≠r 时,即q p ≠时两个人中也总有一个人要输光的. 例4.3 天气预报问题设昨日,今日都下雨,明日有雨的概率为0.7;昨日无雨今日有雨,明日有雨的概率为0.5;昨日有雨,今日无雨明日有雨的概率为0.4;昨日,今日均无雨,明日有雨的概率为0.2.若星期一星期二均下雨,求星期四下雨的概率.解 设昨日,今日连续两天有雨称为状态0(RR),昨日无雨今日有雨称为状态1(NR),昨日有雨今日无雨称为状态2(RN),昨日今日无雨称为状态3(NN),于是天气预报模型可看作一个四状态的马尔可夫链,其中转移概率为 7.0}{}{}{00====今昨明今昨明今连续三天有雨R R R P P R R R R P p , )(0}{01不可能事件今昨明今==R R R N P p ,,3.07.01}{}{02=-===今昨明今昨明今R R N P R R N R P p)(0}{03不可能事件今昨明今==R R N N P p ,其中R 代表有雨,N 代表无雨.类似地可得到所有状态的一步转移概率,于是它的一步转移概率矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=33323130232221201312111003020100p p p p p p p p p p p p p p p p P =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡8.002.006.004.0005.005.003.007.0其中两步转移矩阵为==P P P .)2(⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡8.002.006.004.0005.005.003.007.0.⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡8.002.006.004.0005.005.003.007.0 = ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡.64.010.016.010.048..020.012.020.030.015.020.035.018.021.012.049.0 由于星期四下雨意味着过程所处的状态为0或1,因此星期一星期二连续下雨,星期四下雨的概率为.61.012.049.0)2(01)2(00=+=+=p p p例 4.4 设质点在线段[1,4]上作随机游动,假设它只能在时刻T n ∈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.当质点称动到点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n X 表示质点在时刻n 所处的位置,则},{T n X n ∈ 是一个齐次马尔可夫链,其转移概率矩阵为⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=0100313131003131310001P 例中的点1称为吸收壁,即质点一旦到达这种状态后就被吸收住了,不再移动;点4称为反射壁,即质点一旦到达这种状态后,必然被反射出去.例4.5生灭链.观察某种生物群体,以n X 表示在时刻n 群体的数目,设为i 个数量单位,如在时刻n+1增生到i+1个单位的概率为i b ,减灭到i 个数量单位的概率为i a ,保持不变的概率为)(1i i i b a r +-=,则}0,{≥n X n 为齐次马尔可夫链,I={0,1,2,…,}.其转移概率为⎪⎩⎪⎨⎧+==+==.1,,,1,i j a j i r i j b p ii i ij称此马尔可夫链为生灭链. 4.2 遍历性设齐次马氏链的状态空间为I,若对于所有,,I a a j i ∈转移概率)(n P ij 存在极限 j ij n n P π=∞→)(lim (不依赖于i)或 ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡→=................................................)(212121j j jn P n P πππππππππ则称此链具有遍历性.又若∑=jj 1π,则同时称,...),(21πππ=为链的极限分布.齐次马氏链在什么条件下才具有遍历性?如何求出它的极限分布?这问题在理论上已经解决,但是要较多的篇幅.下面对有限链的遍历性给出一个充分条件. 定理4.4设齐次马氏链},{T n X n ∈的状态空间为P a a a I n },,...,,{21=是它的一步转移概率矩阵,如果存在正整数m,使对任意的j i a a ,都有 ,,...,2,1,,0)(N j i m p ij =>则此链具有遍历性,且有极限分布, ),,...,,(21N ππππ=它是方程组 P ππ=或即ij Ni i j p ∑==1ππ的满足条件∑==>Nj j j 11,0ππ的唯一解.在定理条件下马氏链的极限分布又是平稳分布.即若用π作为链的初始分布,即π=)0(p ,则链在任一时刻T n ∈的分布)(n p 永远与π一致,事实上ππππ======-P P P n P p n p n n ...)()0()(1 例4..6 设马尔可夫链的转移概率矩阵为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=9.005.005.01.08.01.02.01.07.0P 解 容易证明满足定理4.4条件.可得方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++++=++=++=1,9.01.02.0,05.08.01.0,05.01.07.0321321332123211πππππππππππππππ解上述方程组得平稳分布为.5882.0,2353.0,1765.0321===πππ。
马尔科夫链
4.隐含状态转移概率矩阵A。 描述了HMM模型中各个状态之间的转移概率。 其中Aij=P(Sj|Si),1≤i,,j≤N. 表示在t时刻、状态为Si的条件下，在t+1时刻状态是 Sj的概率。 5.观测状态转移概率矩阵B（ConfusionMatrix） 令N代表隐含状态数目，M代表可观测状态数目，则： Bij=P(Oi|Sj),1≤i≤M,1≤j≤N.表示在t时刻、隐含状态是 Sj条件下，观察状态为Oi的概率。
隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model， HMM）是统计模型，它用来描述一个含有隐含 未知参数的马尔可夫过程。其难点是从可观察的 参数中确定该过程的隐含参数。然后利用这些参 数来作进一步的分析，例如模式识别。 在正常的马尔可夫模型中，状态对于观察者来说 是直接可见的。这样状态的转换概率便是全部的 参数。而在隐马尔可夫模型中,状态并不是直接可 见的，但受状态影响的某些变量则是可见的。每 一个状态在可能输出的符号上都有一概率分布。 因此输出符号的序列能够透露出状态序列的一些 信息。
隐马尔可夫模型状态变迁图 x — 隐含状态 y — 可观察的输出 a — 转换概率（transition probabilities） b — 输出概率（output probabilities）
1.隐含状态S 这些状态之间满足马尔可夫性质，是马尔可夫模型中实际所 隐含的状态。这些状态通常无法通过直接观测而得到。（例 如S1、S2、S3等等) 2.可观测状态O 在模型中与隐含状态相关联，可通过直接观测而得到。(例 如O1、O2、O3等等，可观测状态的数目不一定要和隐含 状态的数目一致。） 3.初始状态概率矩阵π 表示隐含状态在初始时刻t=1的概率矩阵，(例如t=1时， P(S1)=p1、P(S2)=P2、P(S3)=p3，则初始状态概率矩阵 π=[p1p2p3].
概率统计 马尔可夫链
状态空间 S {0,1,2, , k, }
其转移概率 P{X n1 0 | X n i} P{X n1 0} q 1 p
P{X n1 i 1| X n i} P{第n 1次试验时成功 } p
p00 q, p01 p, p02 0,
0, j i 2
pij
P{X n1
P{X (tm1)
j}
p,
j
1
例2：一维随机游动 一个质点在直线上的五个位置:0,1,2,3,4之上随机
游动.当它处在位置1或2或3时,以1/3的概率向左移 动一步而以2/3的概率向右移动一步;当它到达位置 0时,以概率1返回位置1;当它到达位置4时以概率1停 留在该位置上(称位置0为反射壁,称位置4为吸收壁).
n, 中, 对任意正整数
t1 t2 tn tn1
X t1 , X t2 , , X tn , X tn1 相互独立,
故对 jk 0,1, (k 1,2,, n 1) 有
P{X tn1 jn1 | X t1 j1, X t2 j2 , , X tn jn}
P{X tn1 jn1}
P{X (kn ) jn | X (k1 ) j1, X (k2 ) j2 , , X (kn1 ) jn1}
1 10
1 10 9 10
82 100
18 100
18 100 82 100
756
P(3) P3 1000
244 1000
244 1000 756 1000
p (3) 11
756 1000
0.756
P{X n1 1, X n2 1 | X n 1}
一个矩阵
p00 p01 p0 j
p10 p11 p1 j
马尔可夫链-
利用积事件的概率及上述定义知: P{X0=i0,X1=i1,…,Xn=in} =P{Xn=in|X0=i0,X1=i1,…,Xn-1=in-1}P{X0=i0,X1=i1,…, Xn-1=in-1} =P{Xn=in|Xn-1=in-1}P{X0=i0,X1=i1,…,Xn-1=in-1} =… =P{Xn=in|Xn-1=in-1}P{Xn-1=in-1|Xn-2=in-2}…P{X1=i1| X0=i0}P{X0=i0}. 即马尔可夫链的统计特性完全由条件概率 P{Xn+1=in+1|Xn=in} 所决定. 如何确定这个条件概率,是马尔可夫链理论和应 用中的重要问题之一.
p21 p22 … p2n … … … … …… pi1 pi2 … pin … …… … … …
称为系统状态(1) pij≥0, i,j∈I; (2) pij=1, i∈I.
jI
通常称满足(1)、(2)性质的矩阵为随机矩阵. 为进一步讨论马尔可夫链的统计性质, 还须了解n步转 移概率,初始概率和绝对概率的概念. 定义2.4 称条件概率 pij(n)=P{Xm+n=j|Xm=i},i,j∈I,m≥0,n≥1
改变游动的概率规则,可以得到不同方式的随机 游动和相应的马氏链.如当把点1(及5)改为吸收 壁,Q一旦到达点1(5),则将永远留在点1(5)上.此 时相应链的转移概率矩阵只须在上述矩阵P中将 第一行改为(1,0,0,0,0),第五行改为(0,0,0,0,1) 即可.
例2.3 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(共做97次观察).用1表示正常状态,0表示不正常状态, 所得的数据序列为:
为马尔可夫链{Xn,n∈T}的n步转移概率,并称 P(n)=(pij(n)) 为马尔可夫链的n步转移矩阵,其中pij(n)≥0, pij(n)=1
马尔科夫链
1.马尔可夫链马尔可夫过程是随机过程的一个分支, 它的最基本特征是“无后效性”, 即在已知某一随机过程“现在”的条件下, 其“将来”与“过去”是独立的。
马尔可夫链是状态与时间参数都离散的马尔可夫过程。
定义在概率空间(Ω，F , P ) 上的随机序列{X (t)，t ∈T }, 其中T = {0, 1, 2, ⋯}, 状态空间I = {0, 1, 2,⋯}, 称为马尔可夫链, 如果对任意正整数L ，m ，k, 及任意非负整数j L >⋯>j 2>j 1 (m>j L ), i m + k , i m , i jL , ⋯, i j2，i j1有P{X (m + k) = i m + k ︳X (m) = i m , X jL = i jL , ⋯, X j2 = i j2 , X j1 = i j1}= P{X (m + k) = i m + k ︳X (m ) = i m } （1） 这里,需假定P{X (m) = i m , X (jL) = i jL , ⋯, X (j1) =i j1} > 0实际应用中, 一般考虑齐次马尔可夫链, 即对任意 k,n ∈N +，有P ij (n,k)=P ij (k) i,j = 0, 1, ⋯ （2）其中P ij (n,k)表示“于n 阶段状态为i,经k 步转移至状态j 的概率”, P ij (k)表示“从状态i 经k 步转移至状态j 的概率”。
齐次的马尔可夫链{X (t)}完全由其初始分布{P (i),i= 0,1,⋯}及其状态转移概率矩阵(状态转移概率P ij ,(i,j=0,1,⋯) 所构成的矩阵)所决定。
2.权马尔可夫链预测的思想由于生产井产量是一相依的随机变量,各阶自相关系数刻画了各种滞时的产量间的相关关系及其强弱。
因而,可考虑先分别依其前面若干时段的产量对该时段产量状况进行预测,然后,按前面各时段与该时段相依关系的强弱加权求和,即达到充分、合理利用信息进行预测的目的。
第20讲马尔可夫(Markov)链
性质: (1)
∑p
j =1
N
j
(n) = 1 ( s , n ) = ∑ P{ xn = a j x s = ai } = 1
j =1
N
(2)
∑p
j =1
N
N
ij
(3)
p j ( n ) = ∑ pij ( s , n ) pi ( s )
i =1
(4)
p ( n ) = P T ( s , n )p ( s )
p j (n) = P{xn = a j }
p(n) = [ p1 (n)
p2 (n) L pN (n)]
T
pij (s, n) = P{xn = a j xs = ai }
P (s, n) L P N (s, n) 11 1 P(s, n) = M M M PN1 (s, n) L PNN (s, n)
第二十讲 主要内容：
• 马尔可夫（Markov）链 马尔可夫链的定义及一般特性 齐次马尔可夫链 平稳马尔可夫链及其求解 马尔可夫链状态分类 马尔可夫链的遍历性
1
6.1 马尔可夫链 1、定义 状态和时间参量都是离散的随机过程，在tr 时刻状 态已知的条件下，其后tr+1时刻所处的状态只与tr 时刻的 状态有关，而与以前tr-1、tr-2……时刻的状态无关，则该 过程称马尔可夫链。 用公式可表示如下：
p j , j = 1, 2, L , N 是该链平稳时的状态概率。
定理 对有穷马尔可夫链，如存在正整数s，使
Pij (s ) > 0
式中 i , j = 1, 2, L , N ，则该链具有遍历性。
17
例3：设马尔可夫链的一步转移矩阵为
马尔可夫链收敛分析
目录
• 引言 • 马尔可夫链的收敛性 • 马尔可夫链的收敛定理 • 马尔可夫链的应用 • 马尔可夫链的扩展 • 总结与展望
01
引言
背景介绍
马尔可夫链是一种随机过程，其中未来的状态只依赖于当前 的状态，而与过去的状态无关。这种性质使得马尔可夫链在 许多领域都有广泛的应用，如自然语言处理、机器学习、统 计学等。
状态转移矩阵的收敛性
状态转移矩阵的收敛性是指随着时间 的推移，状态转移矩阵的极限行为。
判断状态转移矩阵是否收敛的一种常用方法 是计算其极限矩阵，如果极限矩阵的所有元 素都是非零的，那么状态转移矩阵就是收敛 的。
如果状态转移矩阵是收敛的，那么随 着时间的推移，马尔可夫链的状态分 布会趋于稳定。
收敛速度与稳定性
机器学习优化
在机器学习中，马尔可夫链常用于优化神经网络的权重和结构，通过不断迭代更新网络参数以最小化 损失函数。
在自然语言处理中的应用
文本生成
语义分析
马尔可夫链模型被用于生成自然语言文本， 如新闻、小说等，通过模拟文本的生成过程。
马尔可夫链在语义分析中用于表示词义之间 的关系，以及进行词义消歧和语义角色标注 等任务。
定义
非齐次马尔可夫链是指状态转移概率与当前时间有关。
性质
非齐次马尔可夫链的状态转移概率随时间变化，因此 其状态分布不具有平稳性。
应用
在自然语言处理、计算机视觉、语音识别等领域有广 泛应用，如隐马尔可夫模型、条件随机场等。
马尔可夫链蒙特卡洛方法
定义
马尔可夫链蒙特卡洛方法是一种基于马尔可夫链的随机抽样方法， 用于估计数学、物理和工程领域中的复杂系统的性质。
在实际应用中，我们常常需要了解马尔可夫链的收敛性质， 即随着时间的推移，马尔可夫链的状态分布是否会趋于稳定 。
第七讲马尔可夫链
P { X n a i(n )|X n 1 a i(n 1 )}(i1,2,,N) 则称 { X n }为马尔可夫链（简称马氏链）。
为了完整的描述一个随机过程，需要给出任意 有限维概率函数。 对于马氏链的任意有限维概率函 数完全由初始分布和转移概率矩阵来描述。
设 {X(n),n0,1 ,2,}为一马氏链，其状态空间
E{0,1,2,}或为有限子集。
令 p i(0 ) P [X (0 ) i], i E，且对任意的 i E
均有
pi (0) 0
若与m无关，则称该马氏链为齐次马氏链，此时
pij (m,mk) 表示为 p ij ( k ) 。
(1) 一步转移概率
在齐次条件下，令 p ij( m ,m k ) P [X m k a j|X m a i]
中 k 1 则
pij(1 )pij(m ,m 1 )pij
称为一步转移概率。
由所有一步转移概率 p ij 构成的矩阵
均有
pi (n) 0 pi (n) 1 iE
则称 {pi(n),iE}为该马氏链的绝对分布，也称
绝对概率。
定理 马氏链的绝对概率由初始分布和相应的转移概 率唯一确定。
利用C-K方程，则n步转移矩阵可由一步转移 矩阵唯一确定。
推论 马氏链的绝对概率由初始分布和一步转移概率 唯一确定。
转移图（状态转移图与概率转移图）
p jj (n)
n0
推论 如果状态j是非常返的，则必有
ln im pjj(n)0
设i是一常返态，则从i出发可经过n (n1,2,)步 首次返回i，
马尔可夫链
4模型完整的四叉树模型也存在一些问题.⑴因概率值过小，计算机的精度难以保障而出现下溢，若层次多，这一问题更为突出.虽然可以通过取对数的方法将接近于0 的小值转换成大的负值，但若层次过多、概率值过小，该方法也难以奏效，且为了这些转换所采用的技巧又增加了不少计算量.⑵当图像较大而导致层次较多时，逐层的计算甚为繁琐下溢现象肯定会出现，存储中间变量也会占用大量空间，在时间空间上都有更多的开销 .⑶分层模型存在块效应，即区域边界可能出现跳跃，因为在该模型中，同一层随机场中相邻的像素不一定有同一个父节点，同一层的相邻像素间又没有交互，从而可能出现边界不连续的现象.5MRF为了解决这些问题，我们提出一种新的分层MRF 模型——半树模型，其结构和图15类似，仍然是四叉树，只是层数比完整的四叉树大大减少，相当于将完整的四叉树截为两部分，只取下面的这部分.模型最下层仍和图像大小一致，但最上层则不止一个节点.完整的四叉树模型所具有的性质完全适用于半树模型，不同点仅在于最上层,完整的树模型从上到下构成了完整的因果依赖性，而半树模型的层间因果关系被截断，该层节点的父节点及祖先均被删去，因此该层中的各节点不具有条件独立性，即不满足上述的性质2,因而对这一层转为考虑层内相邻节点间的关系.半树模型和完整的树模型相比，层次减少了许多，这样，层次间的信息传递快了，概率值也不会因为过多层次的逐层计算而小到出现下溢.但第0 层带来了新的问题，我们必须得考虑节点间的交互，才能得出正确的推导结果，也正是因为在第0 层考虑了相邻节点间的影响，使得该模型的块现象要好于完整的树模型.对于层次数的选取，我们认为不宜多，太多则达不到简化模型的目的，其优势体现不出来，但也不能太少，因为第0 层的概率计算仍然要采用非迭代的算法，层数少表明第0 层的节点数仍较多，计算费时，所以在实验中将层数取为完整层次数的一半或一半稍少.MPM 算法3半树模型的MPM 算法图像分割即已知观测图像y,估计X 的配置，采用贝叶斯估计器，可由一个优化问题来表示：?x = arg min [E C ( x,x ）′ | Y = y],x其中代价函数C 给出了真实配置为x 而实际分割结果为x′时的代价.在已知y 的情况下，最小化这一代价的期望，从而得到最佳的分割.代价函数取法不同得到了不同的估计器，若C(x,x′）=1?δ(x,x′）（当x=x′时δ(x,x′）=1,否则δ(x,x′）=0)得到的是MAP 估计器，它意味着x 和x′只要在一个像素处有不同，则代价为1,对误分类的惩罚比较重，汪西莉等：一种分层马尔可夫图像模型及其推导算法而在实际中存在一些误分类是完全允许的.若将半树模型的MPM 算法记为HT-MPM,它分为向上算法和向下算法两步，向上算法自下而上根据式⑵、式⑶逐层计算P(yd(s)|xs)和P(xs,xρ(s)|yd(s)），对最下层P(yd(s)|xs)=P(ys|xs). 向下算法自上而下根据式⑴逐层计算P(xs|y)，对最上层由P(x0|y)采样x0⑴，…,x0(n),6详细说明马尔可夫链，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。
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3．5 马尔可夫链预测方法
一、基于绝对分布的马尔可夫链预测方法
对于一列相依的随机变量，用步长为一的马尔可夫链模型和初始分布推算出未来时段的绝对分布来做预测分析方法，称为“基于绝对分布的马尔可夫链预测方法”，不妨记其为“ADMCP 法”。
其具体方法步骤如下:
1．计算指标值序列均值x ，均方差s ，建立指标值的分级标准，即确定马尔可夫链的状态空间I ，这可根据资料序列的长短及具体间题的要求进行。
例如，可用样本均方差为标准，将指标值分级，确定马尔可夫链的状态空间 I =[1, 2，…，m ]；
2．按步骤1所建立的分级标准，确定资料序列中各时段指标值所对应的状态；
3．对步骤2所得的结果进行统计计算，可得马尔可夫链的一步转移概率矩阵1P ，它决定了指标值状态转移过程的概率法则；
4．进行“马氏性” 检验；
5．若以第1时段作为基期，该时段的指标值属于状态i ，则可认为初始分布为
(0)(0,,0,1,0,0)P =
这里P (0)是一个单位行向量，它的第i 个分量为1，其余分量全为0。
于是第2时段的绝对分布为
1(1)(0)P P P =12((1),(1),,(1))m p p p =
则第2时段的预测状态j 满足：(1)max{(1),}j i p p i I =∈；
同样预测第k ＋1时段的状态，则有
1()(0)k P k P P =12((),(),,())m p k p k p k =
得到所预测的状态j 满足:
()max{(),}j i p k p k i I =∈
6．进一步对该马尔可夫链的特征(遍历性、平稳分布等)进行分析。
二、叠加马尔可夫链预测方法
对于一列相依的随机变量，利用各种步长的马尔可夫链求得的绝对分布叠加来做预测分析，的方法，称为“叠加马尔可夫链预测方法”，不妨记其为“SPMCP 法’。
其具体方法步骤如下:
1) 计算指标值序列均值x ，均方差s ，建立指标值的分级标准(相当于确定马尔可夫链的状态空间)，可根据资料序列的长短及具体问题的要求进行；
2) 按1)所建立的分级标准，确定资料序列中各时段指标值所对应的状态；
3) 对2)所得的结果进行统计，可得不同滞时(步长)的马尔可夫链的转移概率矩阵，它决定了指标值状态转移过程的概率法则；
4) 马氏性检验；
5) 分别以前面若干时段的指标值为初始状态，结合其相应的各步转移概率矩阵即可预测出该时段指标值的状态概率
(6)将同一状态的各预测概率求和作为指标值处于该状态的预测概率，即
,所对应的i 即为该时段指标值的预测状态。
待该时段的指标值确定之后，将其加
入到原序列之中，再重复步骤"(1)一(6)"，可进行下时段指标值状态的预测。
(7)可进一步对该马尔可夫链的特征(遍历性、平稳分布等)进行分析。