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:

  1. Maticové prvky jsou nezáporné: (nezápornost pravděpodobností).
  2. Součet prvků v každém řádku je 1: (plná pravděpodobnost), to znamená, že matice je správně stochastická (nebo řádková).
  3. Všechny vlastní hodnoty matice nepřesahují 1 v absolutní hodnotě: . Pokud , tak .
  4. Vlastní hodnota matice odpovídá alespoň jednomu nezápornému levému vlastnímu vektoru - řadě (rovnováze): .
  5. Pro vlastní hodnotu matice jsou všechny kořenové vektory vlastními vektory, to znamená, že odpovídající Jordanovy buňky jsou triviální.

Matrice má následující vlastnosti:

  1. Prvky mimodiagonální matice jsou nezáporné: .
  2. Prvky diagonální matice jsou nekladné: .
  3. Součet prvků v každém řádku je 0:
  4. Reálná část všech vlastních čísel matice je nekladná: . Pokud , pak
  5. Vlastní hodnota matice odpovídá alespoň jednomu nezápornému vlastnímu vektoru levého řádku (rovnováze):
  6. 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:

Topologické vlastnosti přechodového grafu souvisí se spektrálními vlastnostmi matice . Pro konečné Markovovy řetězce platí zejména následující věty:

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). 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

  1. ↑ "Markovův řetězec | Definice Markovova řetězce v americké angličtině od Oxford Dictionaries"  . Oxfordské slovníky | Angličtina. . Lexikální slovníky | Angličtina (14. prosince 2017). Staženo: 1. dubna 2020.
  2. 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 .
  3. 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