第七讲 马尔可夫链
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马尔可夫链马尔可夫链是一种特殊的随机过程,最初由A.A .M arkov 所研究。
它的直观背景如下:设有一随机运动的系统E (例如运动着的质点等),它可能处的状态记为,....E ,...,E ,E n 10总共有可数个或者有穷个。
这系统只可能在时刻t=1,2,…n,…上改变它的状态。
随着∑的运动进程,定义一列随机变量Xn,n=0,1, 2, ⋯其中Xn=k ,如在t=n 时,∑位于Ek 。
定义1.1 设有随机过程}{T n X n ∈,,若对任意的整数T n ∈和任意的,,...,110I i i i n ∈+条件概率满足}i {},...,i X i {1n 10001n 1n n n n n n i X X P i X X P ======++++ 则称}{T n X n ∈,为马尔可夫链,简称为马氏链。
实际中常常碰到具有下列性质的运动系统∑。
如果己知它在t=n 时的状态,则关于它在n 时以前所处的状态的补充知识,对预言∑在n 时以后所处的状态,不起任何作用。
或者说,在己知的“现在”的条件下, “将来”与“过去”是无关的。
这种性质,就是直观意义上的“马尔可夫性”,或者称为“无后效性”。
假设马尔可夫过程}{T n X n ∈,的参数集T 是离散时间集合,即T={0,1,2,…},其相应Xn 可能取值的全体组成的状态空间是离散状态空间I={1,2,..}。
定义1.2 条件概率}{P 1)(i X j X p n n n ij ===+称为马尔可夫链}{T n X n ∈,在时刻n 的一步转移矩阵,其中i ,j ∈I ,简称为转移概率。
一般地,转移概率)(P n ij 不仅与状态i,j 有关,而且与时刻n 有关。
当)(P n ij 不依赖于时刻n 时,表示马尔可夫链具有平稳转移概率。
若对任意的i ,j ∈I ,马尔可夫链Xn,n ∈T}的转移概率)(P n ij 与n 无关,则称马尔可夫链是齐次的。
马尔可夫链是一个随机过程模型,它具有“无记忆”的特性,即未来状态只依赖于当前状态,而与历史状态无关。
马尔可夫链在很多领域都有着重要的应用,比如自然语言处理、金融风险分析、生物信息学等。
本文将介绍马尔可夫链的基本原理和使用方法。
1. 马尔可夫链的基本原理马尔可夫链是由俄罗斯数学家安德烈·马尔可夫在20世纪初提出的。
它是一种描述随机状态转移的数学模型,通过定义状态空间和状态转移概率,可以描述状态之间的转移规律。
假设有一个具有有限个状态的随机过程,每个状态之间存在一定的转移概率。
如果这个随机过程满足马尔可夫性质,即未来状态只依赖于当前状态,那么我们就可以用马尔可夫链来描述这个过程。
马尔可夫链可以用状态转移矩阵来表示,矩阵的每个元素表示从一个状态转移到另一个状态的概率。
2. 马尔可夫链的使用方法马尔可夫链在实际应用中有着广泛的用途。
其中,最常见的应用就是在自然语言处理领域中,比如文本生成和语言模型。
以文本生成为例,我们可以利用马尔可夫链来建立一个文本模型,通过对已有文本的统计分析,得到不同状态之间的转移概率,然后利用这个模型来生成新的文本。
在金融风险分析领域,马尔可夫链也有着重要的应用。
比如在股票价格预测中,我们可以利用马尔可夫链来建立股票价格的模型,然后通过模型预测未来的股价走势。
在这个过程中,我们可以利用历史数据来估计状态转移概率,从而得到一个比较准确的预测结果。
另外,在生物信息学领域,马尔可夫链也被广泛应用于DNA序列分析和蛋白质结构预测等方面。
通过建立状态空间和状态转移概率,可以对生物数据进行建模和分析,从而帮助科学家们更好地理解生物信息。
总的来说,马尔可夫链是一个非常强大的数学工具,它能够帮助我们对复杂系统进行建模和分析,从而得到一些有意义的结论。
当然,马尔可夫链也有一些局限性,比如它只能描述一阶马尔可夫过程,无法描述高阶转移关系。
但是在实际应用中,我们可以通过一些技巧和方法来解决这些问题,从而更好地利用马尔可夫链来解决实际问题。
第四章4.1 马尔可夫链的的概念及转移概率一、知识回顾二、马尔可夫链的的定义三、转移概率四、马尔可夫链的一些简单例子五、总结一、知识回顾1. 条件概率定义:设A,B为两个事件,且,称为事件A发生条件下B事件发生的条件概率。
将条件概率公式移项即得到所谓的乘法公式:2.全概率公式设试验E的样本空间为S,A为E的事件,若为S的一个完备事件组,既满足条件:1)两两互不相容,即2).,且有,则此式称为全概率公式。
3.矩阵乘法矩阵乘法的定义,如果那么矩阵C叫做矩阵A和B的乘积,记作4.马尔可夫过程的分类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科夫过程,称为马尔可夫链;(2)时间连续、状态离散的马尔科夫过程称为连续时间的马尔可夫链的;(3)时间、状态都连续的马尔科夫过程。
二、马尔科夫链的定义定义 4.1设有随机过程,若对于任意的整数和任意的,条件概率都满足(4.1.1) 则称为马尔科夫链,简称马氏链。
式(4.1.1)即为马氏链,他表明在状态已知的条件下,的条件概率与无关,而仅与所处的状态有关。
式(4.1.1)是马尔科夫链的马氏性(或无后效性)的数学表达式。
由定义知===可见,马尔科夫链的统计特性完全由条件概率所决定。
如何确定这个条件概率,是马尔科夫链理论和应用中的重要问题之一。
现举一例说明上述概念:例4.1.1 箱中装有c个白球和d个黑球,每次从箱子中任取一球,抽出的球要到从箱子中再抽出一球后才放回箱中,每抽出一球作为一次取样试验。
现引进随机变量序列为,每次取样试验的所有可能结果只有两个,即白球或黑球。
若以数代表白球,以数代表黑球则有由上所述的抽球规则可知,任意第n次抽到黑球或白球的概率只与第n-1次抽得球的结果有关,而与抽的球的结果无关,由此可知上述随机变量序列,为马氏链。
三、转移概率定义4.2称条件概率为马尔科夫链在时刻N的一步转移概率,其中,简称为转移概率。