马尔科夫过程

起初看马尔科夫过程是想找一些方法解决现有实验中的一个问题,但考察下来感觉不适合,但也把学习的东西记下来。

马尔科夫过程指的是一类随机过程,该过程具有如下特性:在已知目前状态 (现在)的条件下,它未来的演变 (将来)不依赖于它以往的演变 ( 过去 ) 。在现实世界中,有很多过程都属于马尔可夫过程,例如布朗运动、谣言传播、游乐园游玩人数等。花丛中的一只蜜蜂的采蜜过程是马尔可夫过程的一个形象化的例子。蜜蜂依照它瞬间的念头从一朵花上飞到另一朵花上采蜜,因为蜜蜂是没有记忆的,当现在所处的花朵位置已知时,它将来飞往何处和它以往呆过的花朵都无关。如果用X0,X1,X2,…分别表示蜜蜂刚开始采蜜的花朵以及将来去的采蜜的花朵,那么{Xt,t≥0} 就是一个马尔可夫过程。而Xt+1发生的概率只与Xt有关。由此,我们可以得出马尔科夫过程的公式:

马尔科夫过程的公式

让我们用天气的预测来进一步解释马尔科夫过程的实际应用。假设天气的状态有三种:晴天,阴天,雨天。而气象学家和统计学家合力计算出来一个状态转换矩阵M,供预测天气使用。这个矩阵表面,如果今天是阴天的话,明天还是阴天的概率是0.125。

天气的状态转换矩阵M

我们暂且相信这个状态转换矩阵是相对正确的。那么,问题来了,假设今天是晴天,后天是雨天的概率是多少呢?如果我们假设天气的状态都只依赖于前一天的状态,即马尔科夫假设,这样就可以简化天气预测问题。我们可以定义今天的天气状态向量为X0=[ 1,0,0 ] (晴天)。那么X2=X0MM(X2=X1M,X1=X0M)。

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