Markovský řetěz
Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od
verze recenzované 28. prosince 2019; kontroly vyžadují
9 úprav .
Markovův řetězec je posloupnost náhodných událostí s konečným nebo spočetným počtem výsledků , kde pravděpodobnost výskytu každé události závisí pouze na stavu dosaženém v předchozí události [1] . Vyznačuje se vlastností, že, volně řečeno, s pevnou přítomností je budoucnost nezávislá na minulosti. Pojmenován na počest A. A. Markova (senior) , který poprvé představil tento koncept v práci z roku 1906. [2]
Markovův řetěz s diskrétním časem
Definice
Posloupnost diskrétních náhodných proměnných se nazývá jednoduchý Markovův řetězec (s diskrétním časem) if
.
V nejjednodušším případě tedy podmíněné rozdělení dalšího stavu Markovova řetězce závisí pouze na aktuálním stavu a nezávisí na všech předchozích stavech (na rozdíl od Markovových řetězců vyššího řádu).
Rozsah náhodných proměnných se nazývá stavový prostor řetězce a číslo je číslo kroku.
Přechodová matice a homogenní řetězce
Matrix , kde
se nazývá matice pravděpodobností přechodu v -tém kroku a vektor , kde
— počáteční rozdělení Markovského řetězce.
Je zřejmé, že matice pravděpodobnosti přechodu je správně stochastická , tj.
.
Markovův řetězec se nazývá homogenní , pokud matice pravděpodobnosti přechodu nezávisí na čísle kroku, tzn
.
Jinak se Markovův řetězec nazývá nehomogenní. V následujícím budeme předpokládat, že máme co do činění s homogenními Markovovými řetězci.
Konečně-dimenzionální distribuce a n-kroková přechodová matice
Z vlastností podmíněné pravděpodobnosti a definice homogenního Markovova řetězce získáme:
,
odkud plyne speciální případ Kolmogorov-Chapmanovy rovnice :
,
tj. matice pravděpodobností přechodu na kroky homogenního Markovova řetězce je -tý stupeň matice pravděpodobností přechodu na 1 krok. Konečně,
.
Typy stavů
Příklady
Markovův řetězec se spojitým časem
Definice
Rodina diskrétních náhodných proměnných se nazývá Markovův řetězec (se spojitým časem) if
.
Markovův řetězec se spojitým časem je považován za homogenní, jestliže
.
Matice přechodových funkcí a Kolmogorov-Chapmanova rovnice
Stejně jako v případě diskrétního času jsou konečnorozměrná rozdělení spojitého homogenního Markovova řetězce zcela určena počátečním rozdělením
a matice přechodových funkcí ( pravděpodobnosti přechodu )
.
Matice pravděpodobností přechodu splňuje Kolmogorov-Chapmanovu rovnici : nebo
Matice intenzity a Kolmogorovovy diferenciální rovnice
Podle definice je matice intenzity nebo ekvivalentně
.
Z Kolmogorov-Chapmanovy rovnice vyplývají dvě rovnice:
Pro obě rovnice je zvolena počáteční podmínka . Vhodné řešení
Vlastnosti matic P a Q
Každá matice má následující vlastnosti:
- Maticové prvky jsou nezáporné: (nezápornost pravděpodobností).
- Součet prvků v každém řádku je 1: (plná pravděpodobnost), to znamená, že matice je správně stochastická (nebo řádková).
- Všechny vlastní hodnoty matice nepřesahují 1 v absolutní hodnotě: . Pokud , tak .
- Vlastní hodnota matice odpovídá alespoň jednomu nezápornému levému vlastnímu vektoru - řadě (rovnováze): .
- Pro vlastní hodnotu matice jsou všechny kořenové vektory vlastními vektory, to znamená, že odpovídající Jordanovy buňky jsou triviální.
Matrice má následující vlastnosti:
- Prvky mimodiagonální matice jsou nezáporné: .
- Prvky diagonální matice jsou nekladné: .
- Součet prvků v každém řádku je 0:
- Reálná část všech vlastních čísel matice je nekladná: . Pokud , pak
- Vlastní hodnota matice odpovídá alespoň jednomu nezápornému vlastnímu vektoru levého řádku (rovnováze):
- Pro vlastní hodnotu matice jsou všechny kořenové vektory vlastními vektory, to znamená, že odpovídající Jordanovy buňky jsou triviální.
Přechodový graf, konektivita a ergodické Markovovy řetězce
Pro Markovův řetězec se spojitým časem se sestrojí orientovaný přechodový graf (zkráceně přechodový graf) podle následujících pravidel:
- Množina vrcholů grafu se shoduje s množinou řetězových stavů.
- Vrcholy jsou spojeny orientovanou hranou if (tj. intenzita proudění z -tého stavu do -tého je kladná).
Topologické vlastnosti přechodového grafu souvisí se spektrálními vlastnostmi matice . Pro konečné Markovovy řetězce platí zejména následující věty:
- Následující tři vlastnosti A, B, C konečného Markovova řetězce jsou ekvivalentní (řetězce, které je mají, se někdy nazývají slabě ergodické ):
A. Pro jakékoli dva různé vrcholy přechodového grafu existuje takový vrchol grafu („společný výtok“), že existují orientované cesty od vrcholu k vrcholu a od vrcholu k vrcholu . Poznámka : možný případ nebo ; v tomto případě se za směrovanou cestu považuje i triviální (prázdná) cesta z do nebo z do .
B. Nulová vlastní hodnota matice je nedegenerovaná.
C. Při , matice směřuje k matici, ve které se všechny řádky shodují (a samozřejmě se shodují s rovnovážným rozdělením).
- Následujících pět vlastností A, B, C, D, D konečného Markovova řetězce je ekvivalentních (řetězce, které je mají, se nazývají ergodické ):
A. Přechodový graf řetězce je směrově spojen.
B. Nulová vlastní hodnota matice je nedegenerovaná a odpovídá striktně kladnému levému vlastnímu vektoru (rovnovážné rozdělení).
B. Pro některé je matice přísně pozitivní (to znamená pro všechny ).
D. Pro všechny je matice přísně pozitivní.
E. Pro , matice inklinuje k přísně pozitivní matici, ve které se všechny řádky shodují (a samozřejmě se shodují s rovnovážným rozdělením).
Příklady
Uvažujme třístavové Markovovy řetězce se spojitým časem, odpovídající přechodovým grafům znázorněným na Obr. V případě (a) jsou nenulové pouze následující mimodiagonální prvky matice intenzity , v případě (b) pouze nenulové a v případě (c) jsou nenulové . Zbývající prvky jsou určeny vlastnostmi matice (součet prvků v každém řádku je 0). V důsledku toho pro grafy (a), (b), (c) vypadají matice intenzity takto:
Základní kinetická rovnice
Základní kinetická rovnice popisuje vývoj rozdělení pravděpodobnosti v Markovově řetězci se spojitým časem. „Základní rovnice“ zde není epiteton, ale překlad anglického termínu. mistrovská rovnice . Pro řádkový vektor rozdělení pravděpodobnosti má základní kinetická rovnice tvar:
a v podstatě se shoduje s přímou Kolmogorovovou rovnicí . Ve fyzikální literatuře se častěji používají sloupcové vektory pravděpodobností a základní kinetická rovnice je zapsána ve tvaru, který výslovně používá zákon zachování celkové pravděpodobnosti:
kde
Pokud existuje kladná rovnováha pro základní kinetickou rovnici , pak ji lze zapsat ve tvaru
Ljapunovovy funkce pro základní kinetickou rovnici
Pro hlavní kinetickou rovnici existuje bohatá rodina konvexních Ljapunovových funkcí – distribučních funkcí, které se monotónně mění s časem. Nechť je konvexní funkce jedné proměnné. Pro každé kladné rozdělení pravděpodobnosti ( ) definujeme Morimotovu funkci :
.
Časová derivace, pokud splňuje základní kinetickou rovnici, je
.
Poslední nerovnost je platná z důvodu konvexnosti .
Příklady Morimotových funkcí
- , ;
tato funkce je vzdálenost od aktuálního rozdělení pravděpodobnosti k rovnovážné
hodnotě . Časový posun je zmenšením prostoru rozdělení pravděpodobnosti v této normě. (Pro vlastnosti kontrakcí viz článek
Banachův teorém o pevném bodě .)
- , ;
tato funkce je (mínus) Kullbackova
entropie (viz
Kullback-Leiblerova vzdálenost ). Ve fyzice to odpovídá
volné energii dělené (kde je
Boltzmannova konstanta , je absolutní
teplota ):
if (
Boltzmannovo rozdělení ) pak
.
- , ;
tato funkce je analogem volné energie Burgovy entropie, která se široce používá při zpracování signálu:
- , ;
toto je kvadratická aproximace pro (mínus) Kullbackovu entropii blízko bodu rovnováhy. Až do časově konstantního členu je tato funkce stejná jako (minus) Fisherova entropie daná následující volbou:
- , ;
toto je (minus)
Fisherova entropie .
- , ;
toto je jeden z analogů volné energie pro
Tsallis entropii .
slouží jako základ pro statistickou fyziku neextenzivních veličin. Při , inklinuje ke klasické Boltzmann-Gibbs-Shannonově entropii a odpovídající Morimotova funkce inklinuje ke (minus) Kullback entropii.
Praktická aplikace
Jednou z prvních vědních disciplín, ve kterých našly Markovovy řetězce praktické uplatnění, byla lingvistika (zejména textová kritika ). Sám Markov pro ilustraci svých výsledků studoval závislost ve střídání samohlásek a souhlásek v prvních kapitolách „ Evgena Oněgina “ a „ Dětská léta Bagrova-vnuka “ [3] .
Poznámky
- ↑ "Markovův řetězec | Definice Markovova řetězce v americké angličtině od Oxford Dictionaries" . Oxfordské slovníky | Angličtina. . Lexikální slovníky | Angličtina (14. prosince 2017). Staženo: 1. dubna 2020.
- ↑ Gagniuc, Paul A. Markov Chains: From Theory to Implementation and Experimentation . - USA, NJ: John Wiley & Sons , 2017. - S. 2-8. — ISBN 978-1-119-38755-8 .
- ↑ Maistrov, L.E. Vývoj pojmu pravděpodobnosti . - Nauka, 1980. - S. 188. - 269 s.
Literatura
- Kelbert M. Ya., Sukhov Yu. M. Pravděpodobnost a statistika v příkladech a problémech. Svazek II: Markovovy řetězce jako východisko pro teorii náhodných procesů a jejich aplikace. - M. : MTSNMO, 2010. - 295 s. — ISBN 978-5-94057-252-7 .
- Markov A. A. , Rozšíření zákona velkých čísel na množství, která na sobě závisí. - Zprávy o společnosti fyziky a matematiky na Kazanské univerzitě. - 2. série. - Svazek 15. (1906) - S. 135-156.
- Markovův řetěz / A. V. Prochorov // Velká ruská encyklopedie : [ve 35 svazcích] / kap. vyd. Yu. S. Osipov . - M .: Velká ruská encyklopedie, 2004-2017.
- Řetězy Kemeny JG, Snell JL , Finite Markov. — Univerzitní řada v pregraduální matematice. Princeton: Van Nostrand, 1960
- Překlad: Kemeny J.J. , Snell J.L. Finite Markovovy řetězy. — M.: Nauka. 1970. - 272 s.
- Zhong Kai-lai Homogenní Markovovy řetězce. Přel. z angličtiny. — M.: Mir, 1964. — 425 s.
- E. Nummelin , Obecné ireducibilní Markovovy řetězce a nezáporné operátory. — M.: Mir, 1989. — 207 s.
- Morimoto T. , Markovovy procesy a H-teorém. — J. Phys. soc. jap. 12 (1963), 328-331.
- Yaglom A.M. , Yaglom I.M. , Pravděpodobnost a informace . - M., Nauka, 1973. - 512 s.
- Kullback S. , Teorie informace a statistika. Wiley, New York, 1959.
- Burg JP , The Relationship Between Maximum Entropy Spectra and Maximum Likelihood Spectra, Geophysics 37(2) (1972), 375-376.
- Tsallis C. , Možné zobecnění Boltzmann-Gibbsovy statistiky. J. Stat. Phys. 52 (1988), 479-487.
- Rudoy Yu.G. , Generalizovaná informační entropie a nekanonická distribuce v rovnovážné statistické mechanice , TMF, 135:1 (2003), 3-54.
- Gorban, Alexander N.; Gorban, Pavel A.; Soudce, Georgi. Entropie: Markovův přístup k uspořádání . Entropie 12, ne. 5 (2010), 1145-1193.
Odkazy
Slovníky a encyklopedie |
|
---|
V bibliografických katalozích |
|
---|
Typy umělých neuronových sítí |
---|
|