10：马尔可夫链 数学建模.

马尔可夫链模型简介设考察对象为一系统,若该系统在某一时刻可能出现的事件集合为,}{N N E E E E E E ⋅⋅⋅⋅⋅⋅,2,1,2,1,两两互斥,则陈i E 为状态。

N i ⋅⋅⋅=,2,1。

称该系统从一种状态i E 变化到另一状态j E 的过程称为状态转移，并把整个系统不断实现状态转移的过程称为马尔可夫过程。

定义1 具有下列两个性质的马尔可夫过程称为马尔可夫链： （1）无后效性，即系统的第n 次实验结果出现的状态，只与第1-n 次有关，而与它以前所处的状态无关；（2）具有稳定性，该过程逐渐趋于稳定状态，而与初始状态无关。

定义2 向量),,,(21n u u u u ⋅⋅⋅= 成为概率向量，如果u 满足：⎪⎩⎪⎨⎧=⋅⋅⋅=≥∑=nj jj u nj u 11,,2,10 定义3 如果方阵P 的每行都为概率向量，则称此方阵为概率矩阵。

如果矩阵A 和B 皆为概率矩阵，则AB ，k A ，k B 也都是概率矩阵（k 为正整数）。

定义4 系统由状态i E 经过一次转移到状态j E 的概率记为ij P ，称矩阵⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=3212222111211N N N N N P P P P P P P P P P 为一次（或一步）转移矩阵。

转移矩阵必为概率矩阵，且具有以下两个性质： 1、P P P k k )1()(-=； 2、k k P P =)(其中)(k P 为k 次转移矩阵。

定义5 对概率矩阵P ，若幂次方)(m P 的所有元素皆为正数，则矩阵P 称为正规概率矩阵。

（此处2≥m ）定理1 正规概率矩阵P 的幂次方序列P ，2P ，3P ，…趋近于某一方阵T ，T 的每一行均为同一概率向量t ，且满足t tP = 。

马尔可夫链模型如下：设系统在0=k 时所处的初始状态 ),,()0()0(2)0(1)0(N S S S S ⋅⋅⋅=为已知，经过k 次转移后的状态向量 ),,()()(2)(1)(k N k k k S S S S ⋅⋅⋅=),2,1(⋅⋅⋅=k ，则⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=NN N N N N k P P P P P P P P P S S 212222111211)0()( 此式即为马尔可夫链预测模型。

马尔可夫链模型（Markov Chain Model）目录[隐藏]1 马尔可夫链模型概述2 马尔可夫链模型的性质3 离散状态空间中的马尔可夫链模型4 马尔可夫链模型的应用o 4.1 科学中的应用o 4.2 人力资源中的应用5 马尔可夫模型案例分析[1]o 5.1 马尔可夫模型的建立o 5.2 马尔可夫模型的应用6 参考文献[编辑]马尔可夫链模型概述马尔可夫链因安德烈·马尔可夫（Andrey 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。

该过程中，在给定当前知识或信息的情况下，过去（即当期以前的历史状态）对于预测将来（即当期以后的未来状态）是无关的。

时间和状态都是离散的马尔可夫过程称为马尔可夫链, 简记为。

马尔可夫链是随机变量的一个数列。

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Xn的值则是在时间n的状态。

如果Xn + 1对于过去状态的条件概率分布仅是Xn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。

马尔可夫在1906年首先做出了这类过程。

而将此一般化到可数无限状态空间是由柯尔莫果洛夫在1936年给出的。

马尔可夫链与布朗运动以及遍历假说这两个二十世纪初期物理学重要课题是相联系的，但马尔可夫寻求的似乎不仅于数学动机，名义上是对于纵属事件大数法则的扩张。

马尔可夫链是满足下面两个假设的一种随机过程：1、t+l时刻系统状态的概率分布只与t时刻的状态有关，与t时刻以前的状态无关；2、从t时刻到t+l时刻的状态转移与t的值无关。

一个马尔可夫链模型可表示为=(S，P，Q)，其中各元的含义如下：1）S是系统所有可能的状态所组成的非空的状态集，有时也称之为系统的状态空间，它可以是有限的、可列的集合或任意非空集。

本文中假定S是可数集(即有限或可列)。

用小写字母i,j(或S i,S j)等来表示状态。

2）是系统的状态转移概率矩阵，其中P ij表示系统在时刻t处于状态i，在下一时刻t+l处于状态i的概率，N是系统所有可能的状态的个数。

马尔可夫链▏小白都能看懂的马尔可夫链详解1.什么是马尔可夫链在机器学习算法中，马尔可夫链(Markov chain)是个很重要的概念。

马尔可夫链（Markov chain），又称离散时间马尔可夫链（discrete-time Markov chain），因俄国数学家安德烈·马尔可夫（俄语：Андрей Андреевич Марков）得名，为状态空间中经过从一个状态到另一个状态的转换的随机过程。

该过程要求具备“无记忆”的性质：下一状态的概率分布只能由当前状态决定，在时间序列中它前面的事件均与之无关。

这种特定类型的“无记忆性”称作马尔可夫性质。

马尔科夫链作为实际过程的统计模型具有许多应用。

在马尔可夫链的每一步，系统根据概率分布，可以从一个状态变到另一个状态，也可以保持当前状态。

状态的改变叫做转移，与不同的状态改变相关的概率叫做转移概率。

随机漫步就是马尔可夫链的例子。

随机漫步中每一步的状态是在图形中的点，每一步可以移动到任何一个相邻的点，在这里移动到每一个点的概率都是相同的（无论之前漫步路径是如何的）。

2.一个经典的马尔科夫链实例用一句话来概括马尔科夫链的话，那就是某一时刻状态转移的概率只依赖于它的前一个状态。

举个简单的例子，假如每天的天气是一个状态的话，那个今天是不是晴天只依赖于昨天的天气，而和前天的天气没有任何关系。

这么说可能有些不严谨，但是这样做可以大大简化模型的复杂度，因此马尔科夫链在很多时间序列模型中得到广泛的应用，比如循环神经网络RNN，隐式马尔科夫模型HMM等。

假设状态序列为由马尔科夫链定义可知，时刻Xt+1 的状态只与Xt 有关，用数学公式来描述就是：既然某一时刻状态转移的概率只依赖前一个状态，那么只要求出系统中任意两个状态之间的转移概率，这个马尔科夫链的模型就定了。

看一个具体的例子。

这个马尔科夫链是表示股市模型的，共有三种状态：牛市（Bull market）, 熊市（Bear market）和横盘（Stagnant market）。

马尔可夫链模型python实现马尔可夫链模型是一种统计模型，它假设未来的状态只与当前状态有关，而与过去的状态无关。

这种特性被称为“无记忆性”或“马尔可夫性质”。

在Python中，我们可以使用NumPy和Pandas等库来实现马尔可夫链模型。

以下是一个简单的马尔可夫链模型的Python实现：pythonimport numpy as npimport pandas as pd# 假设我们有一个状态集合，状态0可以转移到状态0或状态1，状态1只能转移到状态0states = ['state0', 'state1']# 定义转移概率矩阵transition_matrix = np.array([[0.9, 0.1], # 状态0转移到状态0的概率是0.9，转移到状态1的概率是0.1[1.0, 0.0] # 状态1只能转移到状态0])# 初始化当前状态current_state = 'state0'# 模拟马尔可夫链for _ in range(10):print(f"当前状态: {current_state}")# 根据转移概率矩阵确定下一个状态next_state_probabilities =transition_matrix[states.index(current_state)]next_state = np.random.choice(states, p=next_state_probabilities)current_state = next_state# 输出最终的状态print(f"最终状态: {current_state}")上述代码首先定义了状态集合和转移概率矩阵，然后初始化了当前状态。

接着，它使用一个循环来模拟马尔可夫链的演化，每次迭代都会根据当前的状态和转移概率矩阵来确定下一个状态。

最后，它输出了最终的状态。

马尔可夫链模型一、基因遗传问题豆科植物茎的颜色有绿有黄，生猪的毛有黒有白，人会得一些先天性疾病等，这些都与基因遗传有关。

基因从一代到下一代的转移是随机的，并且具有马氏性。

因此马氏链模型是研究遗传学的重要工具之一。

生物的外部表征如豆科植物茎的颜色，人的皮肤或头发，是由生物体内相应的基因决定。

基因分优势基因与劣势基因，分别用d 和r表示。

每种外部表征由体内的两个基因决定，而每个基因都可以是d或r中的一个，于是可以得到三种基因类型，即dd、dr 和rr，分别称为优种、混种和劣种，用D、H和R表示。

含D、H 基因类型的个体，外部表征呈优势，如豆科植物的茎呈绿色，人的皮肤有色素；含劣种R基因类型的个体外部表征呈劣势，如豆科植物的茎呈黄色，人的皮肤无色素。

生物繁殖时，一个后代随机的继承父与母各自的两个基因中的一个，形成两个基因。

一般两个基因中哪个遗传下去是等概率的，所以父母的基因类型就决定了每一后代基因类型的概率。

下面我们以马氏链为工具讨论两个具体的基因遗传模型。

随机交配这是自然界中生物群体一种常见的、也是最简单的交配方式。

考察一个群体，假设雄性和雌性的比例永远相等，并且有相同的基因类型分布，即雄性和雌性的D 、H 、R 的数量比例相等。

所谓随机交配是指对于每一个不论属于D 、H 或R 的雌性（或雄性）个体交配，都以D ：H ：R 的数量比例为概率与一个属于D 、H 或R 的雄性（或雌性）个体交配，其后代则按照前面所说的方式等概率地继承其父母亲的各一个基因，来决定它的基因类型。

假定在初始一代的群体中，三种基因类型的数量比是D ：H ：R =a ：2b ：c ，满足21a b c ++=。

记,p a b q b c =+=+，则群体中优势基因d 与劣势基因r 的数量比例为:p q ，且1p q +=。

讨论随机交配方式产生的一系列后代群体中的基因类型分布。

用1,2,3n X =分别表示第n 代的一个体属于D 、H 及R 基因类型，即三种状态，0,1,2,.()i n a n = 表示个体属于第i 种状态的概率，1,2,3i =可视为第n 代的群体属于第i 种基因类型的比例。

马尔可夫链模型python实现全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：马尔可夫链是一种随机过程，它基于马尔可夫性质，即未来的状态只取决于当前的状态，而不受过去的影响。

马尔可夫链模型广泛应用于自然语言处理、机器学习、统计建模等领域，可以用来模拟具有随机性的现象。

在本文中，我们将介绍如何使用Python实现马尔可夫链模型。

我们需要了解马尔可夫链的基本概念。

马尔可夫链由状态空间、初始状态和状态转移概率矩阵组成。

状态空间是所有可能状态的集合，初始状态指定了链条起始状态，状态转移概率矩阵描述了从一个状态到另一个状态的转移概率。

接下来，我们将通过一个简单的例子来说明如何使用Python实现马尔可夫链模型。

假设我们有一个天气预测的问题，天气状态包括“晴天”和“雨天”，我们希望根据过去的天气情况预测未来的天气。

我们需要定义状态空间和状态转移概率矩阵。

状态空间定义如下：接着，我们可以定义状态转移概率矩阵，假设转移概率如下：以上代码中的transition_matrix表示在晴天时，下一天为晴天的概率为0.8，为雨天的概率为0.2；在雨天时，下一天为晴天的概率为0.4，为雨天的概率为0.6。

接着，我们可以编写Python代码来实现马尔可夫链模型。

我们需要定义一个函数来根据当前状态和转移概率矩阵来确定下一个状态：```pythonimport randomdef next_state(current_state, transition_matrix):next_states = transition_matrix[current_state]probabilities = list(next_states.values())next_state = random.choices(list(next_states.keys()), weights=probabilities)[0]return next_state```以上代码定义了一个next_state函数，接受当前状态和转移概率矩阵作为参数，返回根据转移概率确定的下一个状态。

马尔可夫链模型(重定向自马尔可夫链)马尔可夫链模型（Markov Chain Model）[编辑]马尔可夫链模型概述马尔可夫链因安德烈·马尔可夫（Andrey 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。

该过程中，在给定当前知识或信息的情况下，过去（即当期以前的历史状态）对于预测将来（即当期以后的未来状态）是无关的。

时间和状态都是离散的马尔可夫过程称为马尔可夫链, 简记为。

马尔可夫链是随机变量的一个数列。

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Xn的值则是在时间n的状态。

如果Xn + 1对于过去状态的条件概率分布仅是Xn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。

马尔可夫在1906年首先做出了这类过程。

而将此一般化到可数无限状态空间是由柯尔莫果洛夫在1936年给出的。

马尔可夫链与布朗运动以及遍历假说这两个二十世纪初期物理学重要课题是相联系的，但马尔可夫寻求的似乎不仅于数学动机，名义上是对于纵属事件大数法则的扩张。

马尔可夫链是满足下面两个假设的一种随机过程：1、t+l时刻系统状态的概率分布只与t时刻的状态有关，与t时刻以前的状态无关；2、从t时刻到t+l时刻的状态转移与t的值无关。

一个马尔可夫链模型可表示为=(S，P，Q)，其中各元的含义如下：1）S是系统所有可能的状态所组成的非空的状态集，有时也称之为系统的状态空间，它可以是有限的、可列的集合或任意非空集。

本文中假定S是可数集(即有限或可列)。

用小写字母i,j(或S i,S j)等来表示状态。

2）是系统的状态转移概率矩阵，其中Pij表示系统在时刻t处于状态i，在下一时刻t+l处于状态i的概率，N是系统所有可能的状态的个数。

对于任意i∈s，有。

3）是系统的初始概率分布，qi是系统在初始时刻处于状态i的概率，满足。

[编辑]马尔可夫链模型的性质马尔可夫链是由一个条件分布来表示的P(Xn + 1 | X n)这被称为是随机过程中的“转移概率”。

随机过程中的马尔可夫链模型马尔可夫链是一种描述随机过程的数学模型，它具有“无记忆性”的特点，即未来状态仅受当前状态的影响，与过去状态无关。

在这篇文章中，我们将探讨随机过程中的马尔可夫链模型及其应用。

一、什么是马尔可夫链模型马尔可夫链是一种随机过程，指的是一系列的随机事件，其中每个事件的发生仅依赖于前一个事件的状态。

这种“无记忆性”使得马尔可夫链具有简洁的数学描述和计算特性。

马尔可夫链由五个基本要素组成：状态空间、状态转移概率、初始概率分布、时间步长和转移矩阵。

1. 状态空间：马尔可夫链的状态空间表示系统可能处于的所有状态的集合。

例如，掷骰子的状态空间是{1, 2, 3, 4, 5, 6}。

2. 状态转移概率：状态转移概率表示从一个状态转移到另一个状态的概率。

通常用转移矩阵表示，其中每个元素表示从一个状态到另一个状态的转移概率。

3. 初始概率分布：初始概率分布表示系统在初始时刻处于各个状态的概率分布。

通常用向量形式表示，其中每个元素表示系统处于对应状态的概率。

4. 时间步长：时间步长表示系统从一个状态转移到下一个状态所经过的时间。

5. 转移矩阵：转移矩阵是一个方阵，其中的每个元素表示从一个状态到另一个状态的转移概率。

转移矩阵的每一行之和为1。

二、马尔可夫链模型的应用马尔可夫链模型在许多领域都有广泛的应用，包括自然语言处理、金融市场分析、生物信息学、网络传播模型等。

1. 自然语言处理：在自然语言处理中，马尔可夫链模型被用于文本生成、机器翻译和语音识别等任务。

通过建立一个马尔可夫链模型，可以根据已知的文本数据生成具有相似特征的新文本。

2. 金融市场分析：马尔可夫链模型被广泛应用于金融市场的分析和预测。

通过分析历史数据，建立一个马尔可夫链模型，可以预测未来的市场变化趋势，帮助投资者做出决策。

3. 生物信息学：在生物信息学中，马尔可夫链模型被用于基因序列分析、蛋白质结构预测等任务。

通过构建一个马尔可夫链模型，可以识别基因序列中的编码区域和非编码区域，进而对基因功能进行推断。

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。