第五章马尔科夫预测法

马尔可夫预测法马尔可夫预测法是一种基于马尔可夫过程的预测方法。

马尔可夫过程是在给定当前状态下，下一个状态的概率只与当前状态有关的随机过程。

其本质是利用概率论中的马尔可夫性质，通过已知状态的条件概率预测未来的状态。

马尔可夫预测法广泛应用于各种领域中的预测问题。

马尔可夫预测法的基本思想是利用过去的信息预测未来的状态。

在马尔可夫模型中，当前状态只与前一状态有关，与更早的历史状态无关，这种性质称为“无记忆性”。

因此，在预测未来状态时，只需知道当前状态及其概率分布即可，而无需考虑过去的状态。

这种方法不仅大大降低了计算复杂度，而且在实际应用中也具有很高的准确性。

马尔可夫预测法的应用范围非常广泛，例如天气预报、股票价格预测、自然语言处理、机器翻译等。

其中，天气预报是一个典型的马尔可夫过程应用。

在天气预报中，当前的天气状态只与前一天的天气状态有关，而与更早的天气状态无关。

因此，可以利用马尔可夫预测法预测未来的天气状态。

马尔可夫预测法的实现方法有很多，其中比较常见的是利用马尔可夫链进行预测。

马尔可夫链是一种随机过程，其状态空间是有限的。

在马尔可夫链中，当前状态的转移概率只与前一状态有关。

因此，在利用马尔可夫链进行预测时，只需知道当前状态及其转移矩阵即可。

根据转移矩阵，可以预测未来的状态概率分布。

马尔可夫预测法的优点是计算简单，预测准确性高。

但其缺点也比较明显，即需要满足无记忆性的假设，而实际应用中，往往存在着各种各样的因素影响状态的转移。

因此，在实际应用中，需要对马尔可夫预测法进行适当的修正，以提高预测准确性。

马尔可夫预测法是一种基于马尔可夫过程的预测方法，具有计算简单、预测准确性高等优点。

其在天气预报、股票价格预测、自然语言处理、机器翻译等领域中得到了广泛应用。

在实际应用中，需要充分考虑各种因素的影响，对马尔可夫预测法进行适当的修正，以提高预测准确性。

第 6 章马尔可夫预测马尔可夫预测方法不需要大量历史资料，而只需对近期状况作详细分析。

它可用于产品的市场占有率预测、期望报酬预测、人力资源预测等等，还可用来分析系统的长期平衡条件，为决策提供有意义的参考。

6.1 马尔可夫预测的基本原理马尔可夫（A.A.Markov ）是俄国数学家。

二十世纪初，他在研究中发现自然界中有一类事物的变化过程仅与事物的近期状态有关，而与事物的过去状态无关。

具有这种特性的随机过程称为马尔可夫过程。

设备维修和更新、人才结构变化、资金流向、市场需求变化等许多经济和社会行为都可用这一类过程来描述或近似，故其应用范围非常广泛。

6.1.1 马尔可夫链为了表征一个系统在变化过程中的特性（状态），可以用一组随时间进程而变化的变量来描述。

如果系统在任何时刻上的状态是随机的，则变化过程就是一个随机过程。

设有参数集T （ , ），如果对任意的t T ，总有一随机变量X t 与之对应，则称{X t ,t T} 为一随机过程。

如若T 为离散集（不妨设T {t0,t1,t2,...,t n,...} ），同时X t的取值也是离散的，则称{X t ,t T} 为离散型随机过程。

设有一离散型随机过程，它所有可能处于的状态的集合为S {1,2,L ,N} ，称其为状态空间。

系统只能在时刻t0,t1,t2,...改变它的状态。

为简便计，以下将X t n等简记为X n。

一般地说，描述系统状态的随机变量序列不一定满足相互独立的条件，也就是说，系统将来的状态与过去时刻以及现在时刻的状态是有关系的。

在实际情况中，也有具有这样性质的随机系统：系统在每一时刻（或每一步）上的状态，仅仅取决于前一时刻（或前一步）的状态。

这个性质称为无后效性，即所谓马尔可夫假设。

具备这个性质的离散型随机过程，称为马尔可夫链。

用数学语言来描述就是：马尔可夫链如果对任一n 1，任意的i1,i2, ,i n 1, j S恒有P X n j X1 i1,X2 i2,L ,X n 1 i n 1 P X n j X n 1 i n 1 （6.1.1）则称离散型随机过程{X t ,t T} 为马尔可夫链。

马尔可夫决策过程（Markov Decision Process，MDP）是一种基于随机过程的数学模型，用于描述随机系统的状态转移和决策过程。

它被广泛应用于人工智能、运筹学、控制理论等领域。

在预测模型中，利用马尔可夫决策过程进行预测可以帮助我们更准确地预测未来的状态和行为，从而提高决策的准确性和效率。

马尔可夫决策过程的基本原理是，系统的状态会在不同的状态之间转移，并且每个状态下都存在一定的概率，这种转移过程是随机的。

而在每个状态下，我们可以采取不同的决策，即采取不同的动作。

每个动作都会产生不同的奖励，奖励的大小和方向会受到环境的影响。

基于这些条件，我们希望通过马尔可夫决策过程来找到一个最优的策略，使得系统在不同状态下采取不同的动作，从而最大化长期的累积奖励。

在利用马尔可夫决策过程进行预测时，我们首先需要定义系统的状态空间、动作空间、转移概率以及奖励函数。

通过这些定义，我们可以建立系统的状态转移模型和奖励模型，从而可以利用动态规划、强化学习等方法来求解最优策略。

在实际应用中，马尔可夫决策过程可以用于各种预测问题，如股票交易、网络流量控制、机器人路径规划等。

下面将以股票交易预测为例，介绍如何利用马尔可夫决策过程进行预测。

首先，我们需要定义股票交易系统的状态空间。

状态空间可以包括股票价格、成交量、技术指标等多个维度的变量。

然后，我们需要定义动作空间，即可以采取的交易策略，如买入、卖出、持有等。

接下来，我们需要确定状态转移概率和奖励函数。

状态转移概率可以通过历史数据分析得到，奖励函数可以根据交易的盈亏情况来定义。

在建立了马尔可夫决策过程模型后，我们可以利用动态规划算法来求解最优策略。

动态规划算法可以通过迭代的方式来逐步求解最优值函数和最优策略。

在实际应用中，我们还可以采用强化学习算法，如Q学习、深度强化学习等，来求解最优策略。

通过利用马尔可夫决策过程进行预测，我们可以得到一个最优的交易策略，从而在股票交易中获得更高的收益。

马尔可夫预测方法1马尔可夫预测的性质及运用对事件的全面预测，不仅要能够指出事件发生的各种可能结果，而且还必须给出每一种结果出现的概率，说明被预测的事件在预测期内出现每一种结果的可能性程度。

这就是关于事件发生的概率预测。

马尔可夫（Markov)预测法，就是一种关于事件发生的概率预测方法。

它是根据事件的目前状况来预测其将来各个时刻（或时期)变动状况的一种预测方法。

马尔可夫预测法是地理预测研究中重要的预测方法之一。

2基本概念（一)状态、状态转移过程与马尔可夫过程1.状态 在马尔可夫预测中，“状态”是一个重要的术语。

所谓状态，就是指某一事件在某个时刻（或时期)出现的某种结果。

一般而言，随着所研究的事件及其预测的目标不同，状态可以有不同的划分方式。

譬如，在商品销售预测中，有“畅销”、“一般”、“滞销”等状态；在农业收成预测中，有“丰收”、“平收”、“欠收”等状态；在人口构成预测中，有“婴儿”、“儿童”、“少年”、“青年”、“中年”、“老年”等状态；等等。

2.状态转移过程 在事件的发展过程中，从一种状态转变为另一种状态，就称为状态转移。

事件的发展，随着时间的变化而变化所作的状态转移，或者说状态转移与时间的关系，就称为状态转移过程，简称过程。

3.马尔可夫过程 若每次状态的转移都只仅与前一时刻的状态有关、而与过去的状态无关，或者说状态转移过程是无后效性的，则这样的状态转移过程就称为马尔可夫过程。

在区域开发活动中，许多事件发展过程中的状态转移都是具有无后效性的，对于这些事件的发展过程，都可以用马尔可夫过程来描述。

（二)状态转移概率与状态转移概率矩阵1.状态转移概率 在事件的发展变化过程中，从某一种状态出发，下一时刻转移到其它状态的可能性，称为状态转移概率。

根据条件概率的定义，由状态E i 转为状态E j 的状态转移概率P （E i →E j )就是条件概率P （E j /E i )，即P(Ei Ej)=P(Ej/Ei)=Pij → （１）2.状态转移概率矩阵 假定某一种被预测的事件有E 1，E 2，…，E n ，共n 个可能的状态。

预测⽅法——马尔可夫预测马尔可夫预测若某⼀系统在已知现在情况的条件下，系统未来情况只与现在有关，与历史⽆直接关系，则称描述这类随机现象的数学模型为马尔可夫模型（马⽒模型）。

时齐马尔可夫链：系统由状态i转移到状态j的转移概率只与时间间隔长短有关，与初始时刻⽆关。

状态转移概率矩阵及柯尔莫哥洛夫定理：概率矩阵：若系统在时刻 t0 处于状态 i，经过 n 步转移，在时刻 tn 处于状态 j 。

那么，对这种转移的可能性的数量描述称为 n 步转移概率。

记为:P(xn =j|x=i)=P(n)ij令P(n)=P11(n)P12(n)⋯P1N(n) P21(n)P22(n)⋯P2N(n)⋯⋯⋯P N1(n)P N2(n)⋯P NN(n)为n部转移概率矩阵。

(P0为初始分布⾏向量)性质：1. P(n)=P(n−1)P2. P(n)=P n转移概率的渐进性质——极限概率分布正则矩阵:若存在正整数k，使得p k的每⼀个元素都是正数，则称该马尔可夫链的转移矩阵P是正则的。

马克可夫链正则阵的性质：1. P有唯⼀的不动点向量W，W的每个分量为正，满⾜WP=W；2. P的n次幂P n随n的增加趋近于矩阵V, V的每⼀⾏向量均等于不动点向量W。

马尔可夫链预测法步骤：1. 划分预测对象可能出现的状态；2. 计算初始概率，由此计算⼀步状态转移概率；3. 计算多步状态转移概率；4. 根据状态转移概率进⾏预测。

()实例：eg：由于公路运输的发展，⼤量的短途客流由铁路转向公路。

历年市场调查结果显⽰，某铁路局发现今年⽐上年相⽐有如下规律：原铁路客流有85%仍由铁路运输，有15%转由公路运输，原公路运输的客流有95%仍由公路运输，有5%转由铁路运输。

已知去年公、铁客运量合计为12000万⼈，其中铁路10000万⼈，公路2000万⼈。

预测明年总客运量为18000万⼈。

运输市场符合马⽒链模型假定。

试预测明年铁、公路客运市场占有率各是多少？客运量是多少？最后发展趋势如何？解：1. 计算去年铁路、公路客运市场占有率将旅客由铁路运输视为状态1，由公路运输视作状态2，则铁、公占有率就是处于两种状态的概率，分别记作a1,a2.以去年作为初始状态，则初始状态概率向量:A(0)=(a1(0),a2(0))=(0.83,0.17)2. 建⽴状态转移矩阵PP=0.850.15 0.050.953. 预测明年铁路，公路客运市场占有率A(2)=(a1(2),a2(2))=A(0)P2=(0.83,0.17)0.850.150.050.952=(0.62,0.38)4. 进后发展趋势lim ()()Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/BasicLatin.js。

马尔可夫预测算法综述马尔可夫预测法以系统状态转移图为分析对象，对服从给定状态转移率、系统的离散稳定状态或连续时间变化状态进行分析马尔可夫预测技术是应用马尔可夫链的基本原理和方法研究分析时间序列的变化规律，并预测其未来变化趋势的一种技术。

方法由来马尔可夫是俄国的一位著名数学家 (1856—1922)，20世纪初，他在研究中发现自然界中有一类事物的变化过程仅与事物的近期状况有关，而与事物的过去状态无关。

针对这种情况，他提出了马尔可夫预测方法，该方法具有较高的科学性，准确性和适应性，在现代预测方法中占有重要地位。

基础理论在自然界和人类社会中，事物的变化过程可分为两类:一类是确定性变化过程；另一类是不确定性变化过程。

确定性变化过程是指事物的变化是由时间唯一确定的，或者说，对给定的时间，人们事先能够确切地知道事物变化的结果。

因此，变化过程可用时间的函数来描述。

不确定性变化过程是指对给定的时间，事物变化的结果不止一个，事先人们不能肯定哪个结果一定发生，即事物的变化具有随机性。

这样的变化过程称为随机过程一个随机试验的结果有多种可能性，在数学上用一个随机变量（或随机向量）来描述。

在许多情况下，人们不仅需要对随机现象进行一次观测，而且要进行多次，甚至接连不断地观测它的变化过程。

这就要研究无限多个，即一族随机变量。

随机过程理论就是研究随机现象变化过程的概率规律性的。

客观事物的状态不是固定不变的，它可能处于这种状态，也可能处于那种状态，往往条件变化，状态也会发生变化状态即为客观事物可能出现或存在的状况，用状态变量表示状态：⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅=⋅⋅⋅==,2,1,,2,1t N i i X t 它表示随机运动系统，在时刻),2,1( =t t 所处的状态为),2,1(N i i =。

状态转移：客观事物由一种状态到另一种状态的变化。

设客观事物有 N E E E E ...,,321共 N 种状态，其中每次只能处于一种状态，则每一状态都具有N 个转向（包括转向自身），即由于状态转移是随机的，因此，必须用概率来描述状态转移可能性的大小，将这种转移的可能性用概率描述，就是状态转移概率。

马尔可夫预测方法1马尔可夫预测的性质及运用对事件的全面预测，不仅要能够指出事件发生的各种可能结果，而且还必须给出每一种结果出现的概率，说明被预测的事件在预测期内出现每一种结果的可能性程度。

这就是关于事件发生的概率预测。

马尔可夫（Markov)预测法，就是一种关于事件发生的概率预测方法。

它是根据事件的目前状况来预测其将来各个时刻（或时期)变动状况的一种预测方法。

马尔可夫预测法是地理预测研究中重要的预测方法之一。

2基本概念（一)状态、状态转移过程与马尔可夫过程1.状态 在马尔可夫预测中，“状态”是一个重要的术语。

所谓状态，就是指某一事件在某个时刻（或时期)出现的某种结果。

一般而言，随着所研究的事件及其预测的目标不同，状态可以有不同的划分方式。

譬如，在商品销售预测中，有“畅销”、“一般”、“滞销”等状态；在农业收成预测中，有“丰收”、“平收”、“欠收”等状态；在人口构成预测中，有“婴儿”、“儿童”、“少年”、“青年”、“中年”、“老年”等状态；等等。

2.状态转移过程 在事件的发展过程中，从一种状态转变为另一种状态，就称为状态转移。

事件的发展，随着时间的变化而变化所作的状态转移，或者说状态转移与时间的关系，就称为状态转移过程，简称过程。

3.马尔可夫过程 若每次状态的转移都只仅与前一时刻的状态有关、而与过去的状态无关，或者说状态转移过程是无后效性的，则这样的状态转移过程就称为马尔可夫过程。

在区域开发活动中，许多事件发展过程中的状态转移都是具有无后效性的，对于这些事件的发展过程，都可以用马尔可夫过程来描述。

（二)状态转移概率与状态转移概率矩阵1.状态转移概率 在事件的发展变化过程中，从某一种状态出发，下一时刻转移到其它状态的可能性，称为状态转移概率。

根据条件概率的定义，由状态E i 转为状态E j 的状态转移概率P （E i →E j )就是条件概率P （E j /E i )，即 P(Ei Ej)=P(Ej/Ei)=Pij → （１）2.状态转移概率矩阵 假定某一种被预测的事件有E 1，E 2，…，E n ，共n 个可能的状态。