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数学 / markov-chain

马尔可夫链

马尔可夫链是一种随机过程,在给定当前状态的条件下,其未来演化不依赖于过去的状态。

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马尔可夫链是一种随机过程,其中未来状态的条件概率取决于当前状态,而不取决于完整的历史。它以数学家安德烈·马尔可夫的名字命名,为研究相互依赖的随机结果序列提供了框架。标准的离散时间形式描述相邻时间步之间的状态转移;连续时间马尔可夫链则描述在随机时刻发生的状态转移。马尔可夫链将概率建模与矩阵方法及长期行为分析联系起来。(math.dartmouth.edu)

定义与马尔可夫性质

离散时间马尔可夫链是一个随机变量序列 X0,X1,…X_0,X_1,\ldots,其取值属于状态空间 SS,该空间通常是有限集或可数无限集。定义马尔可夫链的马尔可夫性质为

Pr⁡(Xn+1=j∣X0=i0,…,Xn=i)=Pr⁡(Xn+1=j∣Xn=i),\Pr(X_{n+1}=j\mid X_0=i_0,\ldots,X_n=i) =\Pr(X_{n+1}=j\mid X_n=i),

只要作为条件的事件具有正概率,上式就成立。这表达了条件独立:一旦当前状态已知,更早的状态就不再提供有关下一状态的额外信息。这并不意味着相邻状态相互独立,也不意味着过程必须始终保持不变。(math.dartmouth.edu)

如果一条链的转移概率不依赖于 nn,就称其为时间齐次的;否则称为时间非齐次的。齐次性涉及转移规则,而平稳性涉及过程的分布;齐次链的初始分布不一定是平稳分布。所选的状态必须概括预测所需的信息,因此马尔可夫假设是否成立,取决于如何表示这个系统。(see.stanford.edu)

转移矩阵与示例

对于齐次链,定义 pij=Pr⁡(Xn+1=j∣Xn=i)p_{ij}=\Pr(X_{n+1}=j\mid X_n=i)。这些概率构成一个转移矩阵 P=(pij)P=(p_{ij}),它是一个元素非负且每行元素之和均为一的矩阵。转移矩阵与初始分布 μ0\mu_0 共同确定这条链的概率规律。采用行向量表示时,

μn=μ0Pn.\mu_n=\mu_0P^n.

矩阵元素 (Pn)ij(P^n)_{ij} 给出从 ii 出发、经过 nn 步后到达 jj 的概率。查普曼–柯尔莫哥洛夫方程表达了转移的复合关系:Pm+n=PmPnP^{m+n}=P^mP^n。(web.stanford.edu)

作为计算示例,假设一个简化的天气模型有晴天和雨天两个状态,其转移矩阵为

P=(0.80.20.40.6).P= \begin{pmatrix} 0.8&0.2\\ 0.4&0.6 \end{pmatrix}.

从晴天出发,两步后下雨的概率为 0.8(0.2)+0.2(0.6)=0.280.8(0.2)+0.2(0.6)=0.28,计算中考虑了两种可能的中间状态。这是一个假设模型,并非基于实际观测的天气预报。

状态分类与长期行为

如果两个状态都能以正概率到达对方,就称它们互通。如果一条链的所有状态都互通,就称这条链为不可约的。一个状态的周期,是所有可能的正返回步数的最大公约数;如果不可约链的这一周期为一,就称它为非周期的。例如,在两个状态之间确定性交替的链,其周期为二。(ocw.mit.edu)

如果从某个状态出发,链最终以概率一返回该状态,就称该状态为常返状态;否则,它是暂留状态。如果常返状态的返回时间的期望值有限,就称其为正常返状态。吸收状态是指一旦进入便无法离开的状态。对于有限吸收马尔可夫链,若暂留状态对应的矩阵分块为 QQ,且最终必然发生吸收,那么基本矩阵 N=(I−Q)−1N=(I-Q)^{-1} 记录了吸收之前访问各暂留状态的期望次数。(math.dartmouth.edu)

平稳分布是满足下式的概率向量:

π=πP.\pi=\pi P.

因此,如果以 π\pi 为初始分布,每一步的状态分布都会保持相同。用线性代数中特征值与特征向量的概念表述,它是对应于特征值一的、经过归一化的非负左特征向量。(ocw.mit.edu)

每条有限不可约链都有唯一的平稳分布。如果它还具有非周期性,那么无论初始分布是什么,μ0Pn\mu_0P^n 都会收敛到该平稳分布。长期观测得到的各状态出现频率要收敛,并不要求非周期性。对于不可约的可数无限链,存在平稳概率分布的必要条件是正常返性。这些区别说明,平稳性、常返性和收敛性不能混为一谈。(web.mit.edu)

在上述天气模型中,求解 π=πP\pi=\pi P 可得 π=(2/3,1/3)\pi=(2/3,1/3)。因此,模型中雨天状态的长期出现频率为三分之一,而不是从某个特定状态出发一步后下雨的概率。

可逆性与计算

如果将时间方向反转后,平稳链的概率行为保持不变,就称它是可逆的。对于离散状态,细致平衡条件

πipij=πjpji,\pi_i p_{ij}=\pi_j p_{ji},

刻画了可逆性,并蕴含平稳性。它要求每一对状态之间两个方向的概率流相等,这比总流入与总流出相平衡的条件更强。(ocw.mit.edu)

马尔可夫链蒙特卡罗方法通过构造转移规则,使其平稳分布成为所需的目标分布。其算法生成相互依赖的样本,用于估计与分布有关的量。细致平衡是常用的设计手段,但并非所有有效采样器都必须满足这一条件。相邻样本之间可能仍有很强的相关性,因此计算精度不仅取决于样本数量,也取决于对状态空间的探索情况及样本之间的相关性。(arxiv.org)

扩展与应用

有限状态空间上的连续时间马尔可夫链由生成矩阵 GG 描述,其非对角元素为非负的转移速率,每行元素之和为零。经过时间 tt 后的转移矩阵为 etGe^{tG},平稳分布满足 πG=0\pi G=0。这类模型描述的系统,其状态转移不必遵循固定的观测时间间隔。(statslab.cam.ac.uk)

图上的随机游走是一种以顶点为状态的马尔可夫链。图上的随机游走可用于网络分析,包括PageRank。隐马尔可夫模型在未观测到的马尔可夫状态基础上,加入由这些状态生成的观测,支持语音识别等应用。马尔可夫决策过程进一步引入影响转移概率的动作,将这一框架从被动演化扩展到受控系统。(ocw.mit.edu)