引入
天气预报说明天有雨,这个预测需要知道过去一周下过几天雨吗?
为什么”无后效性”这样一个简单的假设,能让随机过程变得可计算?
转移矩阵里的每一行加起来为什么必须是 ?
正文
定义
马尔可夫链是状态空间中从一个状态转移到另一个状态的随机过程,其核心假设是:下一状态只依赖当前状态,与更早的历史无关。
数学表述:
状态空间
可能取的值构成状态空间 。
| 类型 | 特征 | 例子 |
|---|---|---|
| 有限 | 状态个数有限 | 天气(晴/阴/雨) |
| 可数无限 | 可一一列举 | 排队人数 |
| 连续 | 不可列举 | 温度(此时称马尔可夫过程) |
马尔可夫性质
定义
给定当前状态 ,下一个状态 的条件概率仅依赖于当前状态 ,与之前的状态无关。这一性质称为无后效性。
理解:已知 ,但求 的概率时,只需知道 就足够,前面的历史全被”压缩”进了当前状态。
为什么这个假设有用? 若不用它,计算 需要用到全部历史,状态数会随步数指数增长。用了它,只需保存当前状态,计算量与步数线性相关。
转移概率与转移矩阵
记一步转移概率
则矩阵 称为转移矩阵。
定义
转移矩阵描述了有限状态空间 上的马尔可夫链 的一步转移规律。
| 性质 | 内容 |
|---|---|
| 非负 | |
| 行和为 |
行和为 的原因:从状态 出发,下一步必然落在某个状态上,所有可能性的概率之和为 。这是”规范性”在转移矩阵上的体现。
步转移
若初始分布为行向量 ,则
即** 步转移矩阵就是一步转移矩阵的 次幂**。
这个结论来自全概率公式的反复应用:
矩阵乘法在这里恰好对应”分情况求和”,这不是巧合,而是矩阵乘法定义的设计初衷。
平稳分布
若存在分布 满足
则称 为平稳分布。它表示经过足够多步后,状态分布不再变化。
| 条件 | 结论 |
|---|---|
| 有限状态、不可约、非周期 | 平稳分布存在且唯一 |
| 存在平稳分布 | 不一定是极限分布 |
容易混淆的两件事:平稳分布”保持不变”,极限分布”必然收敛到”。前者不保证任意初始分布都收敛到它,后者需要额外的不可约与非周期条件。
应用场景
| 领域 | 状态 | 转移 |
|---|---|---|
| 天气预报 | 晴/阴/雨 | 次日天气 |
| 网页排序 | 网页 | 链接跳转 |
| 语音识别 | 音素 | 相邻音素 |
| 生物序列 | 碱基 | 下一个碱基 |
| 用户行为 | 页面 | 下一次点击 |
PageRank 就是马尔可夫链的平稳分布:把网页看作状态,链接看作转移,随机游走足够久后停留在各页面的概率,就是排序依据。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| ”马尔可夫链没有记忆” | 有记忆,但只记当前状态 |
| ”转移矩阵列和为 “ | 行和为 (从某状态出发的概率总和) |
| “平稳分布一定存在且唯一” | 需要不可约与非周期条件 |
| ”平稳分布就是极限分布” | 概念不同,条件更强才是 |
| ”马尔可夫性等价于独立” | 相邻状态通常不独立 |
引出
为什么转移矩阵的行和必须为 ,而列和不一定?
若链是周期的,长期分布会怎样?
连续时间的马尔可夫过程如何用微分方程描述?
- 条件概率与全概率公式:转移概率的来源
- 离散型随机变量:分布与期望
- 向量:矩阵乘法的向量视角
- 应用数学:应用数学的整体框架
- 数学:数学学科入口