Markov-láncok stacionárius eloszlása

Hasonló dokumentumok
12. előadás - Markov-láncok I.

Legyen adott egy S diszkrét halmaz. Leggyakrabban S az egész számoknak egy halmaza, például S = {0, 1, 2,..., N}, {0, 1, 2,... }.

(Diszkrét idejű Markov-láncok állapotainak

0,424 0,576. f) P (X 2 = 3) g) P (X 3 = 1) h) P (X 4 = 1 vagy 2 X 2 = 2) i) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2 X 0 = 2) j) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2)

előadás Diszkrét idejű tömegkiszolgálási modellek Poisson-folyamat Folytonos idejű Markov-láncok Folytonos idejű sorbanállás

Sztochasztikus folyamatok

Barczy Mátyás és Pap Gyula. Sztochasztikus folyamatok. (Diszkrét idejű Markov-láncok)

Valószínűségi változók. Várható érték és szórás

A következő feladat célja az, hogy egyszerű módon konstruáljunk Poisson folyamatokat.

Klasszikus algebra előadás. Waldhauser Tamás április 14.

Véletlen szám generálás

Diszkrét és folytonos idej Markov-láncok. Csiszár Vill

Számsorok. 1. Definíció. Legyen adott valós számoknak egy (a n ) n=1 = (a 1, a 2,..., a n,...) végtelen sorozata. Az. a n

Mérhetőség, σ-algebrák, Lebesgue Stieltjes-integrál, véletlen változók és eloszlásfüggvényeik

Diszkrét idejű felújítási paradoxon

Véletlen bolyongás. 2. rész. Márkus László jegyzete alapján Tóth Tamás december 10.

Sztochasztikus folyamatok alapfogalmak

Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Valószínűségelméleti és Statisztika Tanszék. Csatolás

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

tudjuk-e osztani a Markov-lánc állapotterét annak alapján, hogy mely állapotból

Diszkrét és folytonos paraméter Markov láncok. Csiszár Vill

Markov láncok. jegyzet február 18. Honnan hová lehet eljutni? Hány lépésben? Van-e stacionárius kezdeti eloszlás? Hány?

Készítette: Fegyverneki Sándor

1. Példa. A gamma függvény és a Fubini-tétel.

Diszkrét matematika gyakorlat 1. ZH október 10. α csoport

Sztochasztikus folyamatok

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Permutációk véges halmazon (el adásvázlat, február 12.)

Diszkrét matematika 1. estis képzés. Komputeralgebra Tanszék ősz

Diszkrét Matematika. zöld könyv ): XIII. fejezet: 1583, 1587, 1588, 1590, Matematikai feladatgyűjtemény II. (

2. Reprezentáció-függvények, Erdős-Fuchs tétel

Elméleti összefoglaló a Valószín ségszámítás kurzushoz

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 26.

MBNK12: Permutációk (el adásvázlat, április 11.) Maróti Miklós

egyenletesen, és c olyan színű golyót teszünk az urnába, amilyen színűt húztunk. Bizonyítsuk

17. előadás: Vektorok a térben

Gauss-Seidel iteráció

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Analízis I. Vizsgatételsor

Nagy számok törvényei Statisztikai mintavétel Várható érték becslése. Dr. Berta Miklós Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

6. gyakorlat. Gelle Kitti. Csendes Tibor Somogyi Viktor. London András. jegyzetei alapján

A fontosabb definíciók

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

Véletlen bolyongás. Márkus László március 17. Márkus László Véletlen bolyongás március / 31

Diszkrét matematika I. gyakorlat

Véletlen jelenség: okok rendszere hozza létre - nem ismerhetjük mind, ezért sztochasztikus.

x, x R, x rögzített esetén esemény. : ( ) x Valószínűségi Változó: Feltételes valószínűség: Teljes valószínűség Tétele: Bayes Tétel:

1. Házi feladat. Határidő: I. Legyen f : R R, f(x) = x 2, valamint. d : R + 0 R+ 0

Fraktálok. Hausdorff távolság. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék március 14.

Programkonstrukciók A programkonstrukciók programfüggvényei Levezetési szabályok. 6. előadás. Programozás-elmélet. Programozás-elmélet 6.

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

E.4 Markov-láncok E.4 Markov-láncok. Sok sorbanállási hálózat viselkedése leírható "folytonos idejű Markovláncok " segítségével.

4. Az A és B események egymást kizáró eseményeknek vagy idegen (diszjunkt)eseményeknek nevezzük, ha AB=O

1.1. Vektorok és operátorok mátrix formában

Valószínűségszámítás összefoglaló

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Tömegkiszolgálás. Dr. Györfi László Győri Sándor Dr. Pintér Márta

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Statisztika - bevezetés Méréselmélet PE MIK MI_BSc VI_BSc 1

Bevezetés. Valószínűségszámítás 2 előadás III. alk. matematikus szak. Irodalom. Egyéb info., számonkérés. Cél. Alapfogalmak (ismétlés)

Alap fatranszformátorok II

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

ALAPFOGALMAK 1. A reláció az program programfüggvénye, ha. Azt mondjuk, hogy az feladat szigorúbb, mint az feladat, ha

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Diszkrét matematika I.

4. SOROK. a n. a k (n N) a n = s, azaz. a n := lim

Centrális határeloszlás-tétel

Debreceni Egyetem. Kalkulus I. Gselmann Eszter

1. Interpoláció. Egyértelműség Ha f és g ilyen polinomok, akkor n helyen megegyeznek, így a polinomok azonossági tétele miatt egyenlők.

Elméleti összefoglaló a Sztochasztika alapjai kurzushoz

azonosságot minden 1 i, l n, 1 j k, indexre teljesítő együtthatókkal, amelyekre érvényes a = c (j) i,l l,i

Relációk Függvények. A diákon megjelenő szövegek és képek csak a szerző (Kocsis Imre, DE MFK) engedélyével használhatók fel!

GROVER-algoritmus. Sinkovicz Péter. ELTE, MSc II dec.15.

ismertetem, hogy milyen probléma vizsgálatában jelent meg ez az eredmény. A kérdés a következő: Mikor mondhatjuk azt, hogy bizonyos események közül

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Az impulzusnyomatékok általános elmélete

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

Számelmélet. 1. Oszthatóság Prímszámok

Yule és Galton-Watson folyamatok

Komplex számok. Wettl Ferenc előadása alapján Wettl Ferenc előadása alapján Komplex számok / 18

Kalkulus S af ar Orsolya F uggv enyek S af ar Orsolya Kalkulus

Félévi időbeosztás (nagyjából) házi feladat beadási határidőkkel (pontosan) Valószínűségszámítás 2. matematikusoknak és fizikusoknak, 2011 tavasz

Matematika szigorlat, Mérnök informatikus szak I máj. 29.

Az MCMC algoritmus és néhány alkalmazása

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Analízis előadás és gyakorlat vázlat

2014. szeptember 24. és 26. Dr. Vincze Szilvia

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása A csoport

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Matematika (mesterképzés)

Kovács Adrienn. Markov-lánc Monte Carlo módszerek és alkalmazásai gráfokon

Optimalizálási eljárások GYAKORLAT, MSc hallgatók számára. Analízis R d -ben

Függvény határérték összefoglalás

Átírás:

Markov-láncok stacionárius eloszlása Adatbányászat és Keresés Csoport, MTA SZTAKI dms.sztaki.hu Kiss Tamás 2013. április 11.

Tartalom Markov láncok definíciója, jellemzése Visszatérési idők Stacionárius eloszlás Periodicitás

Sztochasztikus folyamatok, Markov láncok S állapottér, megszámlálható. n = 0, 1..., idő diszkrét. X n mindenre valószínűségi változó, S-be képez, ekkor X n sztochasztikus folyamat. X n markov lánc, ha P(X n = x n X n 1 = x n 1,..., X 0 = x 0 ) = P(X n = x n X n 1 = x n 1 )

Átmenet mátrix Markov lánc időben homogén, ha P(X n = α X n 1 = β) = P αβ, α, β S (a továbbiakban ezt feltesszük). P átmenet mátrix. X n eloszlása feĺırható a kezdeti eloszlás és az átmenetmátrix segítségével (elég ezeket vizsgálni). Pl.: P(X 1 = α) = β S P(X 1 = α X 0 = β) P(X 0 = β) P βα P(X 0 = β) β S

P tulajdonságai α, β S : P αβ 0 β S P αβ = 1 P (n) αβ := P(X j+n = β X j = α) Kolmogorov-Chapman egyenlőtlenség: P (n+m) αβ = σ S P(m) ασ P (n) σβ P (n) = P n

Példák Bolyongás a weben: S = weboldalak P ab = { 1 outdeg(a) Bolyongás Z d -n. S = Z d, ha létezik a-ból b-be él 0 egyébként P xy = 1, ha x y = 1 2 d

X n eloszlása Jelölje X 0 eloszlásvektorát µ, azaz P(X 0 = α) = µ α. Ekkor X n eloszlásvektora µ P n. π stacionárius eloszlás, ha π P = π. Kérdések: stacionárius eloszlás létezése, unicitás? Ha van konvergál-e hozzá valamilyen kezdeti eloszlásból? Milyen gyorsan?

Irreducibilis Markov láncok Egy i, j csúcspár egymással kommunikál, ha léteznek olyan n és m egészek, hogy P n ij, Pm ji > 0. Ez a reláció reflexív, szimmetrikus és tranzitív (Kolmogorov-Chapman). Tehát létezik olyan {C i, i = 1 } halmazok, hogy C i -k páronként diszjunktak, és uniójuk a teljes állapottér. Ha csak egyetlen osztály létezik, tehát minden csúcsból minden csúcsba el tudunk jutni pozitív valószínűséggel, akkor a Markov-láncot irreducibilisnek mondjuk.

Rekurrencia, tranziencia Tetszőleges i-re: τ ii := f i := P(τ ii < ) { min{n 1 : Xn = i X 0 = i}, ha X n i, n 1 Egy i állapot rekurrens, ha f i = 1, tehát egy valószínűséggel visszatér, egyébként tranziens. Ha a folyamat visszatér i-be, a Markov-tulajdonság miatt f i valószínűséggel visszatér ismét. Rekurrens i állapot esetén, a Markov-tulajdonság miatt a bolyongás egy valószínűséggel végtelen sokszor visszatér.

Tranziens eset Tfh. f i < 1. P(N i = n) = f n 1 i (1 f i ), n 1, ahol N i a visszatérések száma i-be. Tranziens állapot esetén a visszatérések száma geometriai eloszlást követ, egy valószínűséggel véges sokszor tér vissza.

Szükséges és eléges feltétel rekurrenciához N i = n=1 I {X n = i X 0 = i}, az i-be való visszatérések száma. E(N i ) = 1 1 f i E(I {X n = i X 0 = i}) = P(X n = i X 0 = i) = P n ii Monoton konvergencia tételől következik, E(N i ) = n=1 Pn ii. Azaz f i egyenlő 1-gyel (rekurrens) pontosan akkor, ha n=1 Pn ii =.

Irreducibilis halmaz ugyanazon rekurrencia osztályhoz tartozik Ha i rekurrens, és i, j kommunikálnak, akkor j is rekurrens (P (n+m+k) jj P (n) ji P (k) ii P (m) ij ). Egy osztályban lévő állapotok azonos rekurrencia típusúak. Irreducibilis Markov-lánc állapotai azonos típusúak. Ez alapján a Markov-lánc rekurrens, vagy tranziens. Véges állapottér esetén, nem lehet minden állapot tranziens (elég nagy n-re, minden csúcsban 0 valószínűséggel lennénk). Véges, irreducibilis Markov-lánc rekurrens.

Visszatérési idő várható értéke Általánosabban, τ ij := min{n 1 : X n = j X 0 = i}. Egy rekurrens i állapot pozitív rekurrens, ha E(τ ii ) <, egyébként null rekurrens. Tegyük fel hogy i j rekurrensek, és ugyanabban a kommunikációs osztályban vannak. Ekkor i és j egyszerre pozitív vagy null rekurrensek.

Stacionárius eloszlás, másik definíció Tekintsük a következő határértéket: 1 π ij = lim n n n m=1 I {X m = j X 0 = i}. Amennyiben a határérték létezik, a dominált konvergencia tétel alapján: π ij = lim n 1 n n m=1 Pm ij. Stacionárius eloszlás: ha a fenti határérték j S létezik és független i-től és j S π j = 1, akkor π = (π 0, π 1... )-t a Markov-lánc stacionárius eloszlásának nevezzük. 1 mátrixos alakban: lim n n n m=1 Pm = π π. = π 0, π 1, π 0, π 1,.

A stacionárius eloszlás egy szemléletes jelentése Legyen N egyenletes eloszlás {0, 1,..., n}-en, független X m -től és X 0 = i. Ekkor P(X N = j) = n P(X m = j X 0 = i) P(N = m) = m=1 n m=1 P m ij 1 n π j Tehát ha egy egyenletesen választott véletlen időpontban ránézünk a bolyongásra, akkor j-ben π j valószínűséggel vagyok.

Kapcsolat a visszatérési idő várható értékével Tétel Ha X n pozitív rekurrens, irreducibilis Markov-lánc, akkor létezik egyértelmű π stacionárius eloszlás, amelyre π j = 1 E(τ jj ), ha j S. Ha a folyamat null rekurrens, vagy tranziens nem létezik stacionárius eloszlás. Intuíció: #{Látogatások száma N idő alatt} #{Köztük eltelt idő} = N

Bizonyítás Tranziens esetben mivel a bolyongás csak véges sokszor tér vissza j-be, a határérték majdnem biztosan 0-hoz tart. Tegyük fel, hogy a lánc rekurrens. t 1 := min{k : X k = j} t n := min{k : X k = j k > t n 1 } Y n := t n t n 1, t n = n 1 n m=1 Y m π j = lim n n m=1 I {X m = j X 0 = i} = lim K j első elérési ideje i-ből. n n n m=1 Ym+K, ahol Az előbbi azt fejezi ki, hogy a j állapot meglátogatásának relatív gyakorisága egyenlő azzal, ahogy n aránylik az n. látogatás idejével. Ez határértékben egyenlő.

Y n eloszlása a Markov tulajdonság miatt megegyezik τ jj -vel és függetlenek is. A nagy számok erős törvényét használva: lim 1 n Ym n m=1 n + K n = 1 Eτ jj Pozitív rekurrens esetben, minden π j > 0. Null rekurrens esetben viszont azonosan 0 a határérték, nem létezik stacionárius eloszlás.

Stacionárius eloszlás számolása algebrailag Tétel Legyen X n egy irreducibilis, Markov-lánc P átmenet mátrixszal. X n pozitív rekurrens pontosan akkor, ha létezik egy nemnegatív, egyösszegű π vektor, ami megoldja πp = π egyenletet. Ekkor π a Markov-lánc egyértemű stacionárius eloszlása.

Bizonyítás Tegyük fel, hogy a lánc pozitív rekurrens, ekkor létezik stacionárius eloszlás. A mátrixos egyenlet mindkét oldalát P-vel beszorozva (majoráns kritérium használható a végtelen sorra): 1 lim n n n P (m+1) =. m=1 Az egyenlet első felét tovább alakítva: 1 lim n n n m=1 π π P P m 1 + lim n n (P(n+1) P) = π π.

Másik irány Tegyük fel, hogy π baloldali sajátvektora P-nek, nemnegatív és j S π j = 1. Ha a lánc nem pozitív rekurrens, akkor vagy tranziens vagy 1 null rekurrens. Tehát a korábbiakból: n n m=1 Pm = 0 π-vel beszorozva: 1 0 = π( lim n n n m=1 lim n P m 1 ) = lim n n n πp m m=1 ami ellentmondás. 1 lim n n n π = π m=1

Egyértelműség ˆπ legyen egy megoldása a xp = x egyenletnek, π stacionárius eloszlás. π 1 n ˆπ = ( lim ˆπP m 1 n ) = ˆπ( lim P m ) = ˆπ π n n n n m=1 m=1. Azaz ˆπ i = ( j S ˆπ j) π i De j S ˆπ j = 1. Azaz: ˆπ i = π i, i S-re. Következmény: véges állapotterű irreducibilis Markov-lánc pozitív rekurrens, és mindig létezik egyértelmű stacionárius eloszlása.

Konvergencia erősebb értelemben Következik-e a stacionárius eloszlás létezéséből a következő: lim n = j) = π j? n Pl: ( 0 ) 1 1 0 M = ( 0.5 0.5 0.5 0.5 gond: periodicitás ) (, P 2n 0 1 = 1 0 ) (, P 2n+1 1 0 = 0 1 )

Periodicitás Egy α S állapot periódusa: per(α) = lnko({n : P n αα > 0}) Azonos kommunikációs osztályba tartozó állapotok periodicitása egyenlő. Irreducibilis Markov-láncnak létezik periódusa. Ha ez nagyobb mint 1 akkor a ML periodikus, egyébként aperiodikus. Irreducibilis Markov lánc esetén a periodikusság is a csúcsok egy osztályozását adja, α relációban van β-val ha P n αβ > 0 esetén per(α) n igaz. Pozitív rekurrens, aperiodikus ML esetn lim n P(X n = j) = π j.

Konvergencia sebessége, spektrális rés Tegyük fel hogy az állapottér véges. Az átmenetmátrix sajátértékei (spektruma), legfeljebb 1 abszolútértékűek. σ spec(p) σ 1 A Markov-lánc spektrális rése: r = 1 v v = max{σ : σ < 1, σ spec(p)} Becslés a konvergencia sebességére: µp n π 1 c (1 r) n

Spektrális rés becslése Tétel Ha ɛ 0, v N olyanok hogy P (v) ij ɛ, akkor r 1 (1 2 ɛ) 1 v, azaz µp n π 1 c (1 2 ɛ) n v

Felhasznált irodalom http://www.columbia.edu/~ks20/stochastic-i/ stochastic-i-mcii.pdf Tóth Bálint jegyzete: http://www.math.bme.hu/~balint/ oktatas/sztochasztikus_folyamatok/