马尔科夫链的应用共27页
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演示文稿第六章马尔可夫链
(n)
p(m) lj
(n
k
),
n, m, k 0,i, j S
l
或矩阵形式 P(km) (n) P(k) (n)P(m) (n k)
证明
p(km) ij
(n)
P{X
nk m
j
Xn
i)
第十三页，共123页。
P{( X nk l), X nkm j X n i)
l
P{ ( X nk l, X nkm j) X n i)
l
或矩阵形式 P(km) (n) P(k) (n)P(m) (n k)
证明 P( X nk l, X nkm j) X n i)
l
P( X nk l X n i) P( X nkm j X n i, X nk l) l
第十四页，共123页。
P( X nk l X n i) P( X nkm j X nk l)
第二十七页，共123页。
qa
a-1
a
ra
第一节 基本概念
５.马尔可夫链举例 例2(有限制随机游动问题)
阵
P
(k
)
(n)
(
p(k ij
)
(n))
为系统{X n , n 0}在 n时的k步转移概率矩阵.
第十页，共123页。
第一节 基本概念
1. 转移概率
特别 当k=1时，
p (1) ij
(n
)为
系
统
在
n时
的
一步
转
移
概
率
,
记为 pij (n)
P
(1)
(n)
(
p (1) ij
(n))为系统的一步转移概率矩阵
马尔可夫链理论及其应用现状 ppt课件
参数和状态都离散的马尔可夫过程称为“马尔可夫链”。 近年来，马尔可夫链预测理论在教育学、经济学、金融投资、 生物学、农作物栽培、地质灾变， ，特别是水资源科学中 都得到了极为广泛地应用。
1 马尔可夫链理论在教育领域的应用
1.1可将马氏链理论应用于教学效果评估
只要依据教师教学前后学生的成绩的动态变化情况，而 不是教师教学后学生的成绩本身，即可使评估结果更符合实际， 更能体现出教师教学活动的质量。传统的教学评估方法之一的 主要依据是学生的考试成绩，这种教学评估方法只考虑了学生 的即时成绩而忽略了其基础差异，造成了评估失真；传统的教 学评估方法之二的依据是根据专家，学生，同行对教师的教学 态度，教学方法和教学效果的综合打分，这种评估是定性评估， 受主观影响太大，也容易造成评估的失真。而利用马氏链理论 对公共课教师教学效果进行评估则可克服ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ两种教学评估方法 的不足。
1.2 可利用马氏链理论对文献资源采购进行预测
利用马尔可夫链建立模型, 对高校文献的采购做出定量 预测, 结果可为高校图书资料管理部门, 根据不同读者需求 和借阅量采购图书资料提供决策的依据, 对于高校文献资源 的合理配置, 有一定的指导意义和应用价值。其理论依据可 以这样描述：一个图书系统内部各种图书资料多种多样，随 着时间的推移，系统的发展，系统内的各类资料将有规律的 发生转移，我们可以利用马氏链的基本原理，通过对各类图 书的购入量，外借量和内借量的统计分析，掌握各种图书的 借阅规律，用马氏链来预测图书资料应如何定购并进一步确 定采购量。
马尔可夫链理论及其应用现状
马尔可夫链预测方法 及其应用（一般用于非线性的）
马尔可夫链理论及其应用现状
在随机过程理论中，马尔可夫过程是一类占有重要地位 、具有普遍意义的随机过程，它广泛地应用于近代物理、生 物学、公用事业、地质学、水资源科学、大气科学各个领域 。
1 马尔可夫链理论在教育领域的应用
1.1可将马氏链理论应用于教学效果评估
只要依据教师教学前后学生的成绩的动态变化情况，而 不是教师教学后学生的成绩本身，即可使评估结果更符合实际， 更能体现出教师教学活动的质量。传统的教学评估方法之一的 主要依据是学生的考试成绩，这种教学评估方法只考虑了学生 的即时成绩而忽略了其基础差异，造成了评估失真；传统的教 学评估方法之二的依据是根据专家，学生，同行对教师的教学 态度，教学方法和教学效果的综合打分，这种评估是定性评估， 受主观影响太大，也容易造成评估的失真。而利用马氏链理论 对公共课教师教学效果进行评估则可克服ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ两种教学评估方法 的不足。
1.2 可利用马氏链理论对文献资源采购进行预测
利用马尔可夫链建立模型, 对高校文献的采购做出定量 预测, 结果可为高校图书资料管理部门, 根据不同读者需求 和借阅量采购图书资料提供决策的依据, 对于高校文献资源 的合理配置, 有一定的指导意义和应用价值。其理论依据可 以这样描述：一个图书系统内部各种图书资料多种多样，随 着时间的推移，系统的发展，系统内的各类资料将有规律的 发生转移，我们可以利用马氏链的基本原理，通过对各类图 书的购入量，外借量和内借量的统计分析，掌握各种图书的 借阅规律，用马氏链来预测图书资料应如何定购并进一步确 定采购量。
马尔可夫链理论及其应用现状
马尔可夫链预测方法 及其应用（一般用于非线性的）
马尔可夫链理论及其应用现状
在随机过程理论中，马尔可夫过程是一类占有重要地位 、具有普遍意义的随机过程，它广泛地应用于近代物理、生 物学、公用事业、地质学、水资源科学、大气科学各个领域 。
5马尔可夫链(精品PPT)
所以{Xn,n≥0}是马尔可夫链，且
pij P( X n 1 j X n i ) P( f i, Yn 1 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
i S , 有 aij 1
例5 Polya（波利亚）模型
罐中有b只黑球及r只红球，每次随机地取出一只后 把原球放回，并加入与抽出球同色的球c只，再第二次 随机地取球重复上面步骤进行下去，{Xn=i}表示第n回 摸球放回操作完成后，罐中有i只黑球这一事件，所以
i b r nc , i P X n 1 j X n i 1 , b r nc 0,
x
j i 1
( j i 1)!
dG x ,
j i 1, i 1 其它
Pij 0,
例3 G / M /1排队系统 来到时间间隔分布为G，服务时间分布为指数分布，参 数为 ，且与顾客到达过程独立。 Xn-----第n个顾客来到时见到系统中的顾客数（包括 该顾客），则{Xn，n≥1}是马尔可夫链。记
jS
显然马尔可夫链{Xn,n≥0}的一步转移概率矩阵P为 随机矩阵。 2，n步转移概率 定义：设{Xn,n≥0}是一马尔可夫链，称
n pij P X n m j X m i ,
n 0, i, j 0
为马尔可夫链{Xn,n≥0}的n步转移概率。记
i (n) P X n i ,
j ic j i else
这是一个非齐次的马尔可夫链，在传染病研究中有用。
下面的定理提供了一个非常有用的获得马尔可夫链的方 法，并可用于检验一随机过程是否为马尔可夫链。
pij P( X n 1 j X n i ) P( f i, Yn 1 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
i S , 有 aij 1
例5 Polya（波利亚）模型
罐中有b只黑球及r只红球，每次随机地取出一只后 把原球放回，并加入与抽出球同色的球c只，再第二次 随机地取球重复上面步骤进行下去，{Xn=i}表示第n回 摸球放回操作完成后，罐中有i只黑球这一事件，所以
i b r nc , i P X n 1 j X n i 1 , b r nc 0,
x
j i 1
( j i 1)!
dG x ,
j i 1, i 1 其它
Pij 0,
例3 G / M /1排队系统 来到时间间隔分布为G，服务时间分布为指数分布，参 数为 ，且与顾客到达过程独立。 Xn-----第n个顾客来到时见到系统中的顾客数（包括 该顾客），则{Xn，n≥1}是马尔可夫链。记
jS
显然马尔可夫链{Xn,n≥0}的一步转移概率矩阵P为 随机矩阵。 2，n步转移概率 定义：设{Xn,n≥0}是一马尔可夫链，称
n pij P X n m j X m i ,
n 0, i, j 0
为马尔可夫链{Xn,n≥0}的n步转移概率。记
i (n) P X n i ,
j ic j i else
这是一个非齐次的马尔可夫链，在传染病研究中有用。
下面的定理提供了一个非常有用的获得马尔可夫链的方 法，并可用于检验一随机过程是否为马尔可夫链。
马尔可夫链课件
1的概率向左或向右移动一 3
格，或以
Q现在处于1(或5)这 1的概率留在原处；如果 3
一点上，则下一时刻就以概率1移动到2(或4)这点上，1 和5这两点称为反射壁，这种游动称为带有两个反射壁的
随机游动。以Xn表示时刻n时Q的位置，说明{Xn,n =
0,1,2 …}是一齐次马氏链，并写出它的一步转移概率矩 阵。
二、转移概率
定义3 设 { X n，n 0} 是齐次马尔可夫链，其一步 矩阵的每一行都 转移概率为 pij (i, j S )，记 是一条件分布律
p00 p10 P ( pij ) p 20 pi 0
.
p 01 p 02 p11 p12 p 21 p 22 pi1 pi 2
1 2 3 4 5
三、马氏链的例子
解：它的一步转移概率矩阵为： 0 1 0 0 0
1 3 P 0 0 0
1 3 1 3 1 3 1 3 1 3
0
1 3 1 3
0 0
0
1
0 0 1 3 0
如果把1这点改为吸收壁，即Q一旦到达1这一点，则永远 留在点1时，此时的转移概率矩阵为：
• 第一节 基本概念 • 第二节 状态的分类及性质 • 第三节 极限性态及平稳分布
• 第四节 Markov链的应用
第一节
基本概念
一、Markov链的定义 二、转移概率 三、Markov链的例子 四、n步转移概率，C-K方程
第一节
基本概念
一、Markov链的定义
马尔可夫性(无后效性 )过程(或系统)在时刻t 所处的状态为已知的条件下，过程在时
1 1 3 P 0 0 0 0
1 3 1 3
0
格，或以
Q现在处于1(或5)这 1的概率留在原处；如果 3
一点上，则下一时刻就以概率1移动到2(或4)这点上，1 和5这两点称为反射壁，这种游动称为带有两个反射壁的
随机游动。以Xn表示时刻n时Q的位置，说明{Xn,n =
0,1,2 …}是一齐次马氏链，并写出它的一步转移概率矩 阵。
二、转移概率
定义3 设 { X n，n 0} 是齐次马尔可夫链，其一步 矩阵的每一行都 转移概率为 pij (i, j S )，记 是一条件分布律
p00 p10 P ( pij ) p 20 pi 0
.
p 01 p 02 p11 p12 p 21 p 22 pi1 pi 2
1 2 3 4 5
三、马氏链的例子
解：它的一步转移概率矩阵为： 0 1 0 0 0
1 3 P 0 0 0
1 3 1 3 1 3 1 3 1 3
0
1 3 1 3
0 0
0
1
0 0 1 3 0
如果把1这点改为吸收壁，即Q一旦到达1这一点，则永远 留在点1时，此时的转移概率矩阵为：
• 第一节 基本概念 • 第二节 状态的分类及性质 • 第三节 极限性态及平稳分布
• 第四节 Markov链的应用
第一节
基本概念
一、Markov链的定义 二、转移概率 三、Markov链的例子 四、n步转移概率，C-K方程
第一节
基本概念
一、Markov链的定义
马尔可夫性(无后效性 )过程(或系统)在时刻t 所处的状态为已知的条件下，过程在时
1 1 3 P 0 0 0 0
1 3 1 3
0
马尔科夫链的发展与应用
资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载马尔科夫链的发展与应用地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容马尔可夫链的发展与应用摘要在自然界中，常常用一个或几个随机变量来描述某些随机现象，从而研究它们的概率规律。
从几何上看，就是把某些随机现象作为直线上的随机点或者有限维空间上的随机点来研究。
对于实际问题中的更复杂的随机现象，对于一个不断随机变化的过程，用这样的研究方法显得不够了，往往需要用一族（无穷多个）随机变量来刻画这样一些随机现象，或者把它们作为无穷维空间上的随机点（随机函数）来研究。
某些现象，在发生之前只能知道该现象的各种可能性的发生结果，但是却无法确认具体将发生哪一个结果，这就是随机现象。
马尔可夫过程(MarKov Process)是一个典型的随机过程。
设X(t)是一随机过程，当过程在时刻t0所处的状态为已知时，时刻t(t>t0)所处的状态与过程在t0时刻之前的状态无关，这个特性成为无后效性。
无后效的随机过程称为马尔可夫过程。
马尔可夫过程中的时同和状态既可以是连续的，又可以是离散的。
我们称时间离散、状态离散的马尔可夫过程为马尔可夫链。
马尔可夫链中，各个时刻的状态的转变由一个状态转移的概率矩阵控制。
关键词概率论随机过程马尔可夫链马尔可夫过程简介马尔可夫过程(MarKov Process)是一个典型的随机过程。
设X(t)是一随机过程，当过程在时刻t0所处的状态为已知时，时刻t(t>t0)所处的状态与过程在t0时刻之前的状态无关，这个特性成为无后效性。
无后效的随机过程称为马尔可夫过程。
马尔可夫过程中的时同和状态既可以是连续的，又可以是离散的。
我们称时间离散、状态离散的马尔可夫过程为马尔可夫链。
第5章 马尔可夫链PPT课件
状态.
精选PPT课件
18
马尔可夫链
一般,一个特定的参保人年理赔要求的次数是参数为λ 的泊松随机变量,那么此参保人相继的状态将构成一个马 尔可夫链,并具有转移概率
但昨天没下雨,那么明天下雨的概率为0.5;如果昨天下雨
但今天没下雨,那么明天下雨的概率为0.4;如果昨、今两
天都没下雨,那么明天下雨的概率为0.2.
假设在时间n的状态只依赖于在时间n-1是否下雨,那么
上述模型就不是一个马尔可夫链.
但是,当假定在任意时间的状态是由这天与前一天两者
的天气条件所决定时,上面的模型就可以转变为一个马尔
令Xn为第n天结束时的存货量,则
XSX-nYn-nY++n1+1=,1,
若Xn≥s, 若Xn＜s.
构成的{Xn,n≥1}是Markov链.
例5.11 以Sn表示保险公司在时刻n的盈余,这里的时间以
适当的单位来计算(如天,月等), 初始盈余S0=x显然为
已知,但未来的盈余S1,S2,…却必须视为随机变量,增量
参保人的状态随着参保人要求理赔的次数而一年一年
地变化.低的状态对应于低的年保险金. 如果参保人在上
一年没有理赔要求,他的状态就将降低; 如果参保人在上
一年至少有一次理赔要求,他的状态一般会增加(可见,无
理赔是好的,并且会导致低保险金;而要求理赔是坏的,一
般会导致更高的保险金).
对于给定的一个好-坏系统, 以si(k)记一个在上一年 处在状态i,且在该年有k次理赔要求的参保人在下一年的
矩阵为
p11 p12 p13 p14
P=
p21 p22 p23 p24 0010
0001
例5.5(赌徒的破产或称带吸收壁的随机游动)系统的状态
随机过程课件-马尔可夫链
定理二
对于不可约的马尔可夫链，其极限分 布是遍历的，即极限分布与初始状态 无关。
05
马尔可夫链的模拟与实现
随机数生成
伪随机数生成器
使用数学公式和种子值生成一系列近似 随机的数列。
VS
真随机数生成器
利用物理现象（如电路噪音）产生真正的 随机数。
马尔可夫链蒙特卡洛方法
采样分布
通过多次重复模拟马尔可夫链的路径来估计 某个事件的概率或某个参数的值。
收敛性
随着模拟次数的增加，估计值逐渐接近真实 值。
马尔可夫链在决策分析中的应用
要点一
决策树
要点二
强化学习
将马尔可夫链应用于决策分析中，帮助决策者评估不同策 略的风险和收益。
在强化学习中，马尔可夫链用于描述环境状态转移和奖励 函数。
06
马尔可夫链的扩展与改进
时齐马尔可夫链
定义
时齐马尔可夫链是指时间 参数为离散的马尔可夫链 ，其状态转移概率不随时 间而变化。
遍历性是马尔可夫链达到平稳分布的必要条件之一，也是判 断马尔可夫链是否具有唯一平稳分布的重要依据。
03
马尔可夫链的转移概率
转移概率的定义与性质
定义
马尔可夫链中，给定当前状态$i$，未来状态$j$在某个时间步长内发生的概率称为转移 概率，记作$P(i,j)$。
性质
转移概率具有非负性、归一性和时齐性。非负性指$P(i,j) geq 0$；归一性指对于每个 状态$i$，所有可能转移到该状态的转移概率之和为1，即$sum_{ j} P(i,j) = 1$；时齐性
周期性会影响马尔可夫链的平稳分来自的性质和计算。状态空间的分解
状态空间的分解是将状态空间划分为若干个子集，每个子集内的状态具有相似的 性质和转移概率。
对于不可约的马尔可夫链，其极限分 布是遍历的，即极限分布与初始状态 无关。
05
马尔可夫链的模拟与实现
随机数生成
伪随机数生成器
使用数学公式和种子值生成一系列近似 随机的数列。
VS
真随机数生成器
利用物理现象（如电路噪音）产生真正的 随机数。
马尔可夫链蒙特卡洛方法
采样分布
通过多次重复模拟马尔可夫链的路径来估计 某个事件的概率或某个参数的值。
收敛性
随着模拟次数的增加，估计值逐渐接近真实 值。
马尔可夫链在决策分析中的应用
要点一
决策树
要点二
强化学习
将马尔可夫链应用于决策分析中，帮助决策者评估不同策 略的风险和收益。
在强化学习中，马尔可夫链用于描述环境状态转移和奖励 函数。
06
马尔可夫链的扩展与改进
时齐马尔可夫链
定义
时齐马尔可夫链是指时间 参数为离散的马尔可夫链 ，其状态转移概率不随时 间而变化。
遍历性是马尔可夫链达到平稳分布的必要条件之一，也是判 断马尔可夫链是否具有唯一平稳分布的重要依据。
03
马尔可夫链的转移概率
转移概率的定义与性质
定义
马尔可夫链中，给定当前状态$i$，未来状态$j$在某个时间步长内发生的概率称为转移 概率，记作$P(i,j)$。
性质
转移概率具有非负性、归一性和时齐性。非负性指$P(i,j) geq 0$；归一性指对于每个 状态$i$，所有可能转移到该状态的转移概率之和为1，即$sum_{ j} P(i,j) = 1$；时齐性
周期性会影响马尔可夫链的平稳分来自的性质和计算。状态空间的分解
状态空间的分解是将状态空间划分为若干个子集，每个子集内的状态具有相似的 性质和转移概率。
《马尔可夫链分析法》课件
特点
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。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
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。
马尔科夫链的应用
每一个状态只和它的前一个状态有关
隐含马尔科夫模型（HMM）
美国数学家鲍姆等人在20世纪六七十年代发表的 一系列论文中提出的 马尔科夫链的一个扩展：任一时刻t的状态St是不 可见的 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。 独立输出假设：每个时刻t(隐含状态St)会输出一 个符号Ot，而且Ot和St相关而且仅和St相关
穷举的缺点
如果穷举所有的分词方法，计算量是相当大的， 因此，可以把它看成一个动态规划的问题，并利 用维特比算法快速地找到最佳分词
迭代收敛
所有PageRank的计算是同时的。即在 计算之前，类似上面的一个有向图已 经确定了。然后所有网站的PageRank 同时用上面这个公式计算。 迭代过程如下： 初始：所有网站的PageRank均等 第一次迭代：每个网站得到了一 个新的PageRank 第二次迭代：用这组新的PageRank 再按上述公式迭代形成另一组新的 PageRank
假定一个句子S可以有几种分词方法，为了简单起 见，假定有以下三种：A1，A2，A3，....，Ak B1，B2，B3，...，Bm C1，C2，C3，...，Cn （其中A1，A2，...B1，B2，...C1，C2，...等等都 是汉语的词） 上述各种分词结果可能产生不同数量的词串，因 为我用了k,m,n三个不同的下标表示句子在不同的 分词时词的数目。
马尔科夫链的平稳分布
设齐次马尔科夫链转移概率矩阵为A，若 ( x1 , x2 , xN ) 满足方程 A xi 1 i 则称 ( x1 , x2 , xN ) 为该马尔科夫链的平稳分布 例子：{A, B, C}为马尔科夫链，转移概率如下：
马尔可夫链在天气预测中的应用
马尔可夫链在天气预测中的应用马尔可夫链在天气预测中的应用一、引言天气对人类生活有着重要影响，了解未来的天气情况可以帮助人们做出相应的决策。
由于天气受到多种因素的影响，其变化具有一定的不确定性，因此天气预测一直是一项具有挑战性的任务。
随着计算机科学的发展，马尔可夫链成为了一种在天气预测中广泛应用的工具。
本文将介绍马尔可夫链的基本原理，并探讨其在天气预测中的应用。
二、马尔可夫链的基本原理马尔可夫链是一种数学模型，用于描述一系列随机事件的过程。
它满足所谓的马尔可夫性质，即当前事件的发生只与前一事件的状态有关，与更早的事件无关。
马尔可夫链有两个基本概念：状态和转移概率。
1. 状态状态是指描述系统在某一时刻所处的具体情况。
在天气预测中，状态可以表示为某一天的天气情况，例如晴天、阴天、雨天等。
2. 转移概率转移概率表示在当前状态下，系统转移到下一个状态的概率。
在天气预测中，转移概率可以表示为从某一天的天气情况到下一天天气情况的概率，例如从晴天转为阴天的概率。
利用马尔可夫链的概念，我们可以建立天气状态之间的转移模型，从而进行天气预测。
三、马尔可夫链在天气预测中的应用马尔可夫链在天气预测中的主要应用是基于历史数据进行未来的天气情况预测。
具体地说，我们可以通过统计过去一段时间内的天气情况，建立马尔可夫链模型，从而预测未来的天气情况。
1. 数据处理在进行天气预测之前，首先需要收集和处理大量的历史天气数据。
这些数据可以包括每天的天气情况、温度、湿度等信息。
通过对数据的分析和处理，我们可以得到天气状态之间的转移概率，即从当前状态转移到下一状态的概率。
2. 模型建立建立马尔可夫链模型涉及到两个方面的问题：状态的选择和转移概率的估计。
状态的选择是指确定天气的几种可能状态。
在天气预测中，状态可以根据具体需求而定，例如可以将天气分为晴天、阴天、雨天三种状态。
转移概率的估计是根据历史数据对转移概率进行估计。
通过统计每个状态转移到下一状态的频率，我们可以得到转移概率的估计值。
《马尔可夫链讲》课件
平稳分布的概率分布函数与时间无关，只与系统的状态空间和转移概率矩阵有关。
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。
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。
马尔可夫链精品PPT课件
1,i=j .
例2.1 (一维随机游动)
12345
设一随机游动的质点, 在如右上图所示的
直线点集I={1,2,3,4,5}作随机游动,并且仅仅在1秒,2秒
…等时刻发生游动.游动的概率规则是: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; 如果Q现在位于点1(或5)
式.
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.
2.转移概率 条件概率P{Xn+1=j|Xn=i}的直观含义是: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.这相 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.
pij(n)为pij. 下面只讨论齐次马尔可夫链,并将齐次两字省略.
设I=P{为1,一2,步转移概率pij所组成的矩阵,状态空间
…},则 P=
p11 p12 … p1n … p21 p22 … p2n … … … … ……
pi1 pi2 … pin … …… … … …
例2.1 (一维随机游动)
12345
设一随机游动的质点, 在如右上图所示的
直线点集I={1,2,3,4,5}作随机游动,并且仅仅在1秒,2秒
…等时刻发生游动.游动的概率规则是: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; 如果Q现在位于点1(或5)
式.
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.
2.转移概率 条件概率P{Xn+1=j|Xn=i}的直观含义是: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.这相 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.
pij(n)为pij. 下面只讨论齐次马尔可夫链,并将齐次两字省略.
设I=P{为1,一2,步转移概率pij所组成的矩阵,状态空间
…},则 P=
p11 p12 … p1n … p21 p22 … p2n … … … … ……
pi1 pi2 … pin … …… … … …
第17讲 马尔可夫与马尔可夫链ppt课件
时刻t0系统或过程所处的状态，可以决定系统或过程在时 刻t>t0所处的状态，而无需借助于t0以前系统或过程所处状
态的历史资料.
如研究一个商店的累计销售
额，如果现在时刻累计销售额已
知，则未来某一时刻的累计销售
额与现在时刻以前的任一时刻
累计销售额无关．
ppt课件
3
第19讲 马尔可夫过程 与马尔可夫链
一、马尔可夫过程
证 根据条件X(a)=0及随机变量相互独立性可知
X (tn) X (tn1) 与 X (ti ), i 1, 2, , n 1，
相互独立.
因此对任意的 x1, x2,, xn1 ，有
P{X (tn ) xn | X (t1) x1, X (t2 ) x2, , X (tn1) xn1)
P{Xmn a j | Xt1 ai1 , Xt2 ai2 , , Xtr air , Xm ai }
P{Xmn a j | Xm ai},
(11.1)
则称{Xn, nT1}为一个马尔可夫链．马尔可夫链也简称为
马氏链．
ppt课件
15
二、马尔可夫链
1.马尔可夫链的概念
尔可夫过程的研究。马尔可夫过程在自然科学、工程技术和公用事
业中有广泛的应用。他的主要著pp作t课有件 《概率演算》等。
1
第十一章 马尔可夫链
马尔可夫（Markoff）过程是无后效性的随机过程，
现已成为内容十分丰富，理论相当完整，应用十分广泛
的一门数学分支．由于马尔可夫过程的理论在近代物理、
生物学、分子遗传学、自动控制、管理科学、信息处理
以及数字计算方法等方面都有重要应用．使得现代科学
家及工程技术人员越来越重视马尔可夫过程的理论
《马氏链及其应用》课件
马氏链的性质
总结词
马氏链具有无记忆性、强马尔可夫性和转移概率性等性质。
详细描述
马氏链的一个重要性质是无记忆性，即下一个状态与过去状 态无关，只与当前状态有关。此外，马氏链还具有强马尔可 夫性和转移概率性等性质，这些性质使得马氏链在描述随机 现象时具有独特的优势。
马氏链的分类
要点一
总结词
马氏链可以分为离散时间和连续时间的马氏链，以及有向 和无向的马氏链。
机器学习算法
马氏链在强化学习中用于 估计策略值函数和近似最 优策略，提高机器学习的 效率和准确性。
图像处理
通过马氏链模拟图像的随 机过程，实现图像的降噪 、增强和修复等处理。
数据压缩
利用马氏链对数据进行编 码和压缩，降低存储和传 输成本，提高数据处理的 效率。
在其他领域的应用
物理学中的随机过程模拟
在生态领域的应用
种群动态模拟
01
马氏链用于模拟物种数量的变化过程，研究种群的增长规律和
生态平衡机制。
生态系统稳定性分析
02
通过马氏链分析生态系统中的反馈机制和稳定性条件，评估生
态系统受到干扰后的恢复能力。
生物多样性保护
03
利用马氏链预测物种的灭绝风险和保护策略，为生物多样性保
护提供科学依据。
在计算机科学领域的应用
马氏链面临的挑战和问题
理论体系的完善
马氏链理论体系仍需不 断完善和发展，以适应 不断涌现的新问题和挑 战。
应用领域的拓展
尽管马氏链在某些领域 已经取得广泛应用，但 仍需拓展更多应用领域 ，解决实际问题。
计算效率的提高
随着数据规模的增大， 如何提高马氏链的计算 效率成为亟待解决的问 题。
THANKS
马尔科夫链模型及其应用PPT课件
n 时状态概率趋于稳定值，稳定值与初始状态无关
第9页/共27页
马尔科夫链：应用 保险公司
Xn=3为第三种状态 死亡
a1(n+1)=a1(n)p11+a2(n)p21+a3(n)p31 a2(n+1)=a1(n)p12+a2(n)p22+a3(n)p32 a3(n+1)=a1(n)p13+a2(n)p23+a3(n)p33
给定a(0),预测a(n), n=1,2…
设投保 时健康
n
0
a1(n) 1
a2(n) 0
1
2
3
……
0.8 0.78 0.778 …… 7/9
0.2 0.22 0.222 …… 2/9
设投保 时疾病
n
0
a1(n) 1
a2(n) 0
1
2
3
……
0.7 0.77 0.777 …… 7/9
0.3 0.33 0.333 …… 2/9
第15页/共27页
隐马尔科夫模型
一个隐马尔可夫模型 HMM 可用一个5元组描述：λ= { N, M,π, A,B }
N = {H1，…，Hn} 隐藏状态的有限集合 M = {O1，…，Om} 可观测状态的有限集合，可以通过训练集获得 π={πi} 为初始状态概率， A={aij} 为隐藏状态的转移矩阵 B={bik} 表示某个时刻因隐藏状态而可观察的状态的概率，即混淆矩阵 在状态转移矩阵和混淆矩阵中的每个概率都是时间无关的，即当系统演化时， 这些矩阵并不随时间改变。
Kiss
0.6*0.5
Star t
0.4*0.1
H 0.3
*0.7*0.4=0.084
马尔可夫链在商业大数据分析中的应用
偏好
例子：预测用户在社交媒 体上的行为和偏好，以便 更好地进行广告投放和推
荐系统设计
3
马尔可夫链在商业大数据分析中的应用场 景
用户行为预测
应用场景：电商、 社交媒体、广告 等
马尔可夫链模型： 用于预测用户未 来行为
模型特点：考虑 历史行为和当前 状态
应用效果：提高 营销效果，优化 用户体验
市场趋势分析
利用马尔可夫 链预测市场趋
势
通过历史数据 训练马尔可夫
链模型
应用马尔可夫 链模型进行市
场趋势预测
结合其他数据 分析方法，提 高预测准确性
销售预测
利用马尔可夫链 模型预测未来销 售趋势
通过历史销售数 据训练马尔可夫 链模型
考虑季节性、节 假日等因素对销 售数据的影响
结合其他预测方 法，提高销售预 测的准确性
发现隐藏模式： 马尔可夫链可 以帮助企业发 现数据中的隐 藏模式，提高
商业智能。
跨领域应用： 马尔可夫链算 法可以应用于 多个领域，如 金融、零售、 医疗等，具有 广泛的应用价
值。
局限性
数据量过大：马尔可夫链 在处理大量数据时可能效
率较低
模型选择：马尔可夫链的 模型选择需要根据具体问 题进行定制，选择不当可
布
对模型进行验证和调整，确 保其准确性和适用性
参数估计
确定马尔可夫 链模型的状态 空间
估计转移概率 矩阵
估计初始状态 分布
确定模型的收 敛性
评估模型的预 测性能
选择合适的马 尔可夫链模型 进行商业大数 据分析
模型评估与优化
评估标准：准确 性、鲁棒性、可 解释性等
优化方法：参数 调整、模型融合、 特征选择等
数据来源：用户浏 览、购买、评价等 数据
例子：预测用户在社交媒 体上的行为和偏好，以便 更好地进行广告投放和推
荐系统设计
3
马尔可夫链在商业大数据分析中的应用场 景
用户行为预测
应用场景：电商、 社交媒体、广告 等
马尔可夫链模型： 用于预测用户未 来行为
模型特点：考虑 历史行为和当前 状态
应用效果：提高 营销效果，优化 用户体验
市场趋势分析
利用马尔可夫 链预测市场趋
势
通过历史数据 训练马尔可夫
链模型
应用马尔可夫 链模型进行市
场趋势预测
结合其他数据 分析方法，提 高预测准确性
销售预测
利用马尔可夫链 模型预测未来销 售趋势
通过历史销售数 据训练马尔可夫 链模型
考虑季节性、节 假日等因素对销 售数据的影响
结合其他预测方 法，提高销售预 测的准确性
发现隐藏模式： 马尔可夫链可 以帮助企业发 现数据中的隐 藏模式，提高
商业智能。
跨领域应用： 马尔可夫链算 法可以应用于 多个领域，如 金融、零售、 医疗等，具有 广泛的应用价
值。
局限性
数据量过大：马尔可夫链 在处理大量数据时可能效
率较低
模型选择：马尔可夫链的 模型选择需要根据具体问 题进行定制，选择不当可
布
对模型进行验证和调整，确 保其准确性和适用性
参数估计
确定马尔可夫 链模型的状态 空间
估计转移概率 矩阵
估计初始状态 分布
确定模型的收 敛性
评估模型的预 测性能
选择合适的马 尔可夫链模型 进行商业大数 据分析
模型评估与优化
评估标准：准确 性、鲁棒性、可 解释性等
优化方法：参数 调整、模型融合、 特征选择等
数据来源：用户浏 览、购买、评价等 数据
马氏链及其应用
1 t 1 1 t p11 2 t p21 n t pn1 2 t 1 1 t p12 2 t p22 n t pn 2 ⑼ . t 1 t p t p t p 1 1n 2 2n n nn n
三种状态的转移概率
平行于⑴式，有
n1 1 n 1 p11 n 2 p21 n 3 p31 ,
n1 2 n 1 p12 n 2 p22 n 3 p32 , ⑷
n1 3 n 1 p31 n 2 p32 n 3 p33 ,
马尔科夫连原理及其建模实例
马氏链及其应用
1.一个简单的例子 我们知道，人寿保险公司最为关心的是投保人的健康
与疾病以及相应的风险。通过下面的例子我们来看保险 公司是如何处理这类问题的。
问题的提出 设t
1,2,3,
表示年龄的时段，假定在一年中，今
年健康而明年患病的概率是0.2, 而今年患病明年转为健
0时系统的状态概率向量，又称为
例
在前两例中，初始向量与概率转移矩阵分别为
0 0.8,0.2 ,
0.8 0.2 P , 0.7 0.3
0.8 0.18 0.02 0 0.75,0.25,0 , P 0.65 0.25 0.1 . 0 0 1
n 1 1 0.8 0.78 0.778 0.7778 n 2 0 0.2 0.22 0.222 0.2222
若投保人在开始时处于疾病状态，即0 1 0, 0 2 1. 则有
n
0
1
2
3
4
马尔可夫链
部的医生却必然要转出去，分配到产科病房的机会是
妇科病房机会的4倍。则 p13 0 p11 0.4 p12 0.6 p22 0.4 p23 0.6 p21 0 p33 0 p31 0.8 p32 0.2
0.4 0.6 0
P
0
0.4 0.6
0.8 0.2 0
2019年7月10日
概率统计-马尔可夫链
第10页
例：院方规定：一个在产科病房(1)工作的医生不能
分配到门诊部(3)工作，但有40%的机会仍可以分配到 产科病房，60%的机会转移到妇科病房(2)；在妇科病 房工作的医生，有40%的机会可以保留在妇科病房， 60%的机会转移到门诊部，但不能转到产科；在门诊
p11 p12 p13 p11 p12 p13
P (2)
p21
p22
p23
p21
p22
p23
P2
p31 p32 p33 p31 p32 p33
对
0.4 0.6 0
P
0
0.4 0.6
0.8 0.2 0
0.4 0.6 0 0.4 0.6 0 0.16 0.48 0.36
2019年7月10日
概率统计-马尔可夫链
第16页
(2) 未知X0的确切值, 但知的X0分布(初始分布), 则 可求: pi(n) P( Xn i) —— 状态概率 记 p(n) ( p1(n) , p2(n) ,, p(Nn) ) —— 状态概率行向量
则 p(n) p(0)P(n)
Yt：t1，2，） （随机过程）
描述一个离散随机变量用分布列