理论教育 转移概率矩阵和稳态概率向量

转移概率矩阵和稳态概率向量

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:,m})的一步转移概率矩阵是正规转移概率矩阵P,则唯一地存在一个稳态概率向量π=(π1,…,πm),它是由下列方程组给出的解:这里要指出,πP=π虽然有m个方程,但是只有m-1个方程是独立的,而变量却有m个.于是,我们在式中任意选取m-1个方程,与式一起组成m个方程,就能够求解m个变量.向量π=(π1,…

转移概率矩阵和稳态概率向量

矩阵P是一个均匀马尔柯夫链的一步转移概率矩阵,若是存在一个正整数k,使得矩阵Pk中每个元素均是正数,则称矩阵P是一个正规转移概率矩阵.

例11-7 试判断下列两个矩阵(状态集I={1,2})是否是正规转移概率矩阵:

故矩阵B是正规转移概率矩阵,D不是正规转移概率矩阵.

判断一个转移概率矩阵是不是正规转移概率矩阵,也可以用状态转移图来进行分析.

例如,矩阵B与D的状态转移图分别如图11-1与图11-2所示.

图11-1

图11-2

在状态转移图中,顶点i代表状态,有向边(i,j)旁的参数表示转移概率pij.

显然,在图11-1中,状态1与状态2经过几步相互总能到达.如状态1虽然一步不能到达状态1,但是状态1可以到达状态2,然后状态2可以到达状态1,即状态1经过两步可以到达状态1.所以B是正规转移概率矩阵.而在图11-2中,状态1永远不能到达状态2.

所以,判断一个转移概率矩阵是否是正规转移概率矩阵,只要用它的状态转移图就可以进行判别.如果状态集中任意两个状态总是能够相互到达(不管几步),那么,这个矩阵就是正规转移概率矩阵.(www.daowen.com)

定理11-2 如果一个均匀马尔柯夫链(状态集I={1,…,m})的一步转移概率矩阵是正规转移概率矩阵P,则唯一地存在一个稳态概率向量π=(π1,…,πm),它是由下列方程组给出的解:

这里要指出,πP=π虽然有m个方程,但是只有m-1个方程是独立的(因为把这m个方程加起来,得到一个恒等式),而变量却有m个.于是,我们在式(11-9)中任意选取m-1个方程,与式(11-10)一起组成m个方程,就能够求解m个变量.

向量π=(π1,…,πm)称为稳态概率向量,概率πi称为状态i的稳态概率.

式(11-12)告诉我们,P(n)随着幂次的增大,P(n)的第i列元素趋向一个同样的值πi.这说明经历一定时间的状态转移后,初始状态的影响逐渐消失,系统最终达到完全与初始状态无关的一种平稳状态.

我们还有如下结论:

(1)假设有k个相互独立的均匀马尔柯夫链,在相同的转移概率矩阵下进行状态转移,那么在经历一段长时间运行后处于状态i的过程的个数的期望值为kπi.

(2)概率πi也给出在一个长时间内过程处于状态i的次数占整个转移次数中的比率.

(3)数1/πi为自状态i出发首次回复到状态i所需要的转移次数的平均值.

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