马尔科夫链

概念:

P\{X_{t_n}\leq X_n|X_{t_1}=x_1,...,X_{t_{n-1}}=x_{n-1}\}=P\{X_{t_n}\leq X_n|X_{t_{n-1}}=x_{n-1}\}

则称\{X_t,t\in T\}为马尔可夫过程。

定理1:独立过程是马尔可夫过程。

定理2:若独立增量过程\{X_t,t\in T\}满足初始分布X_0=0,则为马尔可夫过程。

马氏过程\{X_t,t\in T\}有限维分布一维分布和条件分布完全确定。

离散参数马氏链:

转移矩阵是随机矩阵,其行向量都是概率向量

k步转移概率:p^{(k)}_{ij}(m)=p\{X_{m+k}=j|X_m=i\}

C-K方程:p^{(k+l)}_{ij}(m)=\sum _{r\in E}p^{(k)}_{ir}(m)p^{l}_{rj}(m+k)

齐次马氏链:一步转移概率与初始时刻无关

绝对分布:\pi (n)=[\pi_1(n),\pi_2(n),...,\pi_i(n),...]

初始分布:\pi (0)=[\pi_1(0),\pi_2(0),...,\pi_i(0),...]

绝对分布由初始分布和一步转移概率确定:

\pi (n)=\pi (0)P^n

遍历性:对一切i,j,存在常数\pi_j>0,使得\lim_{n\to \infty}p^{(n)}_{ij}=\pi_j,i,j\in E且与i无关,则称此马氏链具有遍历性。

极限分布:\prod =\{\pi_j,j\in E\},为一概率向量,\pi=\pi P,\pi \vec{1}=1,\pi>0

遍历马氏链的n步转移矩阵极限矩阵,其各行向量均为极限分布

ps:极限矩阵每行都相同。

遍历性定理:

若存在正整数n0,使n0步转移矩阵的每个元素都为正,则称此马氏链具有遍历性。

定理1:遍历的齐次马氏链,其绝对分布转移概率有相同的极限。

定理2:若马氏链初始分布是一个平稳分布V,则其绝对分布为 π(n)=V。

定理3:遍历的齐次马氏链的极限分布,就为平稳分布V

V=V P,V \vec{1}=1,V\geq 0

首达时刻:

T_{ij}=min\{n:x_0=i,x_n=j,n\in N^+\}

平均步数:\mu _{ij}=E(T_{ij})

平均返回步数:\mu _{i}=E(T_{ii})

首达概率:f^{(n)}_{ij}=P\{x_n=j,x_k\neq j,1\leq k< n|x_0=i\}

首返概率:f^{(n)}_{ii}

推论:

\mu _{ij}=E(T_{ij})=\sum_{n=1}^{\infty}nf^{(n)}_{ij}

\mu _{i}=E(T_{ii})=\sum_{n=1}^{\infty}nf^{(n)}_{ii}

最终概率:

f_{ij}=\sum_{n=1}^{\infty}f^{(n)}_{ij}

最终返回概率:

f_{ii}=\sum_{n=1}^{\infty}f^{(n)}_{ii}

定理1:

f^{(n)}_{ij}=\sum _{i_1 \neq j}\sum _{i_2 \neq j}...\sum _{i_{n-1} \neq j}p_{ii_1}p_{i_1i_2}...p_{i_{n-1}j}

定理2:

p^{(n)}_{ij}=\sum_{m=1}^{n}f^{(m)}_{ij}p^{(n-m)}_{jj}

定理3:

 f_{ij} > 0 \Leftrightarrow i\rightarrow j

状态的常返性:

 定义1:

f_{ii}=1,称状态i是常返状态。

f_{ii}<1,称状态i是非常返状态。

定理1:状态i常返  \Leftrightarrow \sum_{n=1}^{\infty}p^{(n)}_{ii}=\infty

推论:

状态i非常返 \Leftrightarrow \sum_{n=1}^{\infty}p^{(n)}_{ii}<\infty

状态i非常返 \Rightarrow \lim_{n \to \infty}p^{(n)}_{ii}=0

定理2:i是常返的,若 i->j,则 j->i,且f_{ji}=1

定义2:

\mu _{i}=E(T_{ii})=\sum_{n=1}^{\infty}nf^{(n)}_{ii}<+\infty,i是正常返

\mu _{i}=E(T_{ii})=\sum_{n=1}^{\infty}nf^{(n)}_{ii}=+\infty,i是零常返

定理3:i是零常返 \Leftrightarrow \lim_{n \to \infty}p^{(n)}_{ii}=0

状态的周期性:

定义1:\{n:p^{(n)}_{ii}>0,n\geq1\}是非空集,状态i的周期定义为:

d=\gcd \{n:p^{(n)}_{ii}>0\}\Leftrightarrow \gcd \{n:f^{(n)}_{ii}>0\},d=1时,为非周期。

定义2:正常返非周期的状态称为遍历态。

定理1:

i是遍历态 \Rightarrow \lim_{n\to\infty}p^{(n)}_{ii}=\frac{1}{\mu_i}

i是周期为d的正常返状态\Rightarrow \lim_{n\to\infty}p^{(nd)}_{ii}=\frac{d}{\mu_i}

状态空间的分解:

状态互通:i\leftrightarrow j

定义1:C是E的子集,i∈C,j\notinC,p^{(n)}_{ij}=0,称C为闭集。

定理1:i是常返状态,若i->j,则j也是常返状态。

定理2:马氏链的全体常返态构成一个闭集。

定义2:闭集C中不含非空真子集,称C是不可约的。

定义3:若状态空间E是不可约的,则称不可约马氏链。

定理3:马氏链不可约 \Leftrightarrow 它的所有状态之间是互通的。

推论1:不可约马氏链或无常返,或无非常返。

推论2:不可约常返链,若一个状态d > 1,则全体都是。

定理4:齐次马氏链的状态空间E可唯一地分解为:

E=N+C1+C2+...+Ck+..,其中Ck为不可约常返闭集,N为全体非常返集

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