(Diszkrét idejű Markov-láncok állapotainak

Hasonló dokumentumok
12. előadás - Markov-láncok I.

Markov-láncok stacionárius eloszlása

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

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

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

Diszkrét matematika I.

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

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

1.1. Definíció. Azt mondjuk, hogy a oszója b-nek, vagy más szóval, b osztható a-val, ha létezik olyan x Z, hogy b = ax. Ennek jelölése a b.

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

Valószínűségi változók. Várható érték és szórás

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

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Formális nyelvek - 9.

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Numerikus módszerek 1.

út hosszát. Ha a két várost nem köti össze út, akkor legyen c ij = W, ahol W már az előzőekben is alkalmazott megfelelően nagy szám.

Az R halmazt a valós számok halmazának nevezzük, ha teljesíti az alábbi 3 axiómacsoport axiómáit.

Diszkrét matematika 1. estis képzés

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Véletlen szám generálás

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Sztochasztikus folyamatok

Számelmélet (2017. február 8.) Bogya Norbert, Kátai-Urbán Kamilla

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Diszkrét matematika 2.

Klasszikus algebra előadás. Waldhauser Tamás április 14.

3. Feloldható csoportok

Klasszikus algebra előadás. Waldhauser Tamás április 28.

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

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

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Numerikus módszerek 1.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

összeadjuk 0-t kapunk. Képletben:

3. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 3. előadás Lineáris egyenletrendszerek

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)

17. előadás: Vektorok a térben

Mátrixok 2017 Mátrixok

1. Részcsoportok (1) C + R + Q + Z +. (2) C R Q. (3) Q nem részcsoportja C + -nak, mert más a művelet!

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Irodalom. (a) A T, B T, (b) A + B, C + D, D C, (c) 3A, (d) AD, DA, B T A, 1 2 B = 1 C = A = 1 0 D = (a) 1 1 3, B T = = ( ) ; A T = 1 0

Diszkrét matematika I.

Tananyag: Kiss Béla - Krebsz Anna: Lineáris algebra, többváltozós függvények, valószínűségszámítás,

Egészrészes feladatok

1. A polinom fogalma. Számolás formális kifejezésekkel. Feladat Oldjuk meg az x2 + x + 1 x + 1. = x egyenletet.

1. előadás: Halmazelmélet, számfogalom, teljes

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Gauss-Seidel iteráció

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

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

Diszkrét matematika I.

Hidden Markov Model. March 12, 2013

Gy ur uk aprilis 11.

Diszkrét matematika 1. estis képzés. Komputeralgebra Tanszék ősz

Norma Determináns, inverz Kondíciószám Direkt és inverz hibák Lin. egyenletrendszerek A Gauss-módszer. Lineáris algebra numerikus módszerei

A valós számok halmaza 5. I. rész MATEMATIKAI ANALÍZIS

Határozatlan integrál

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

Hadamard-mátrixok Előadó: Hajnal Péter február 23.

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Determinánsok. A determináns fogalma olyan algebrai segédeszköz, amellyel. szolgáltat az előbbi kérdésekre, bár ez nem mindig hatékony.

Diszkrét és folytonos idej Markov-láncok. Csiszár Vill

Matematikai logika és halmazelmélet

Diszkrét matematika 2.

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

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

A 2015/2016. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló MATEMATIKA III. KATEGÓRIA (a speciális tanterv szerint haladó gimnazisták)

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Készítette: Fegyverneki Sándor

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

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

Sztochasztikus folyamatok jegyzet

Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. 4. Előadás

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2016/2017-es tanév Kezdők III. kategória I. forduló

Egy általános iskolai feladat egyetemi megvilágításban

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

Kongruenciák. Waldhauser Tamás

Analízis előadás és gyakorlat vázlat

Analízis I. Vizsgatételsor

Az állítást nem bizonyítjuk, de a létezést a Paley-féle konstrukció mutatja: legyen H a

Számelmélet. 1. Oszthatóság Prímszámok

Halmaz: alapfogalom, bizonyos elemek (matematikai objektumok) Egy halmaz akkor adott, ha minden objektumról eldönthető, hogy

6. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 6. előadás Bázis, dimenzió

Az információelmélet alapjai, biológiai alkalmazások. 1. A logaritmusfüggvény és azonosságai

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

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

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Diszkrét matematika II., 8. előadás. Vektorterek

Diszkrét matematika 2.C szakirány

1. Polinomok számelmélete

Vektorterek. Több esetben találkozhattunk olyan struktúrával, ahol az. szabadvektorok esetében, vagy a függvények körében, vagy a. vektortér fogalma.

3. Lineáris differenciálegyenletek

Matematika (mesterképzés)

LNM folytonos Az interpoláció Lagrange interpoláció. Lineáris algebra numerikus módszerei

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

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

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

Typotex Kiadó. Bevezetés

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Átírás:

(Diszkrét idejű Markov-láncok állapotainak osztályozása) March 21, 2019

Markov-láncok A Markov-láncok anaĺızise főként a folyamat lehetséges realizációi valószínűségeinek kiszámolásával foglalkozik. Ezekben a számításokban központi szerepet játszik az n-lépéses átmenetvalószínűség-mátrix. Azt a feltételes valószínűséget, hogy X n+m a j állapotban van, feltéve, hogy X m az i állapotban van, n-lépéses átmenetvalószínűségnek nevezzük, azaz P n ij = P(X n+m = j X m = i), i, j = 0, 1, 2,.... Továbbá, az n-lépéses átmenetvalószínűségekből álló P (n) = (P n ij ) mátrixot az {X n n = 0, 1, 2,...} folyamat n-lépéses átmenetvalószínűségmátrixának nevezzük. Vegyük észre, hocs csak olyan folyamatokkal fogunk foglalkozni, melyeknek az átmenetvalószínűségei stacionáriusak. (Egyébként a bal oldal m-től is függne.)

Markov-láncok Megjegyzés A Markov-tulajdonság miatt a P n ij kifejezhető P = (P ij ) segítségével. Tétel (Chapman-Kolmogorov egyenletek) Ha a Markov-lánc egylépéses átmenetvalószínűség-mátrixa P = (P ij ), akkor (1) P n ij = k=0 P r ikp s kj tetszőleges rögzített r és s nemnegatív szám esetén, melyekre r + s = n, ahol { Pij 0 1, ha i = j = 0, ha i j.

Markov-láncok Megjegyzés Az (1) képlet nem más, mint a mátrix-szorzás szabálya, így P (n) = P n. A Chapman-Kolmogorov egyenletek bizonyításának vázlata Az n = 2 esetre igazoljuk az álĺıtást, azaz amikor két lépés alatt az i állapotból a j-be jutunk. Ehhez vezessük be az A k, k = 0, 1, 2,... eseményeket, ahol A k azt jelöli, hogy az i állapotból először egy közbülső k állapotba megyünk (k = 0, 1, 2,...), majd a második átmenet alatt a k állapotból a j állapotba lépünk át. Ekkor az A k, k = 0, 1, 2,... mind egymást kizáró megvalósításai a szóban forgó eseménynek. Másrészt, a Markov-tulajdonság miatt a második átlépés valószínűsége P kj, az elsőé pedig P ik. Ha felhasználjuk a teljes valószínűség tételét, akkor adódik az (1) egyenlőség az n = 2 és r = s = 1 esetre.

Állapotok osztályozása Azt mondjuk, hogy a j állapot elérhető az i állapotból, ha létezik olyan n 0 egész, melyre P n ij > 0: azaz, ha pozitív annak a valószínűsége, hogy véges számú átlépés után az i állapotból indulva eljutunk a j állapotba. Jelölés: i j. Az i és j állapotot kapcsolódónak nevezzük, ha kölcsönösen elérhetőek egymásból. Jelölés: i j. Megjegyzés Ha az i és j állapotok nem kapcsolódóak, akkor P n ij = 0, minden n 0 egész esetén vagy P n ji = 0, minden n 0 egész esetén.

Kapcsolódás tulajdonsága Álĺıtás A kapcsolódás egy ekvivalenciarelációt definiál az állapotok halmazán. Bizonyítás (R) : Rögtön következik a Pij 0 definíciójából: { Pij 0 1, ha i = j = 0, ha i j. (Sz) : Triviális. (T) : Tegyük fel, hogy i j és j k. Ekkor meg kell mutatni, hogy i k is teljesül. Mivel i j és j k így léteznek olyan n, m nemnegatív egészek, hogy Pij n > 0 és Pjk m > 0. Ekkor a Chapman- Kolmogorov egyenlőségeket és a valószínűségek nemnegativitását felhasználva kapjuk, hogy P n+m ik = Pir n Prk m Pij n Pjk m > 0. r=0

Markov-láncok jellemzése Bizonyítás folytatása (T) : Következésképpen, i k. Hasonlóan megmutatható, hogy létezik egy olyan l nemnegatív egész is, melyre P l ki > 0, azaz k i. Ezen megállapításokból pedig adódik, hogy i és k kapcsolódóak. Megjegyzés Az állapotok ekvivalenciaosztályokra bonthatóak. A fenti ekvivalenciareláció által indukált osztályokat kommunikációs osztályoknak nevezzük. A Markov-lánc irreducibilis, ha egyetlen kommunikációs osztályba sorolható az összes állapot, azaz minden állapot kapcsolódik mindegyik állapottal.

Osztálytulajdonságok Az állapotok valamely tulajdonságát osztálytulajdonságnak nevezzük, ha egy osztályon belül minden állapot rendelkezik vele, vagy egyik sem. Egy i állapotot lényegesnek nevezünk, ha az i-ből elérhető állapotokból vissza lehet térni i-be (azaz i j maga után vonja, hogy j i). Ellenkező esetben az i-t lényegtelennek nevezzük. Álĺıtás A lényeges és lényegtelen tulajdonságok osztálytulajdonságok. Bizonyítás Elegendő belátni, hogy lényeges állapotból csak lényeges állapot érhető el. Legyen tehát i lényeges és i j. Legyen k a j-ből elérhető tetszőleges állapot: j k. Mivel i lényeges és i j k, így k i. De ekkor k-ból visszatérhetünk j-be a k i j úton, azaz a j is lényeges állapot.

Példák (1) 1 1 2 2 0 0 0 1 3 4 4 0 0 0 P = 0 0 0 1 0 P 1 0 = 0 P 2. 1 1 0 0 2 0 2 0 0 0 1 0 Ekkor könnyen látszik, hogy két osztályunk van: Az első osztályhoz az első két állapot tartozik, míg a második osztályhoz a harmadik, negyedik és ötödik állapotok. (2) Az alábbi átmenetvalószínűség-mátrixhoz 3 osztály tartozik: 1 0 0 0 0... 0 q 0 p 0 0... 0 0 q 0 p 0... 0 P =..... 0 0... 0 q 0 p 0 0... 0 0 0 1

Markov-láncok periodicitása Az i állapot periódusán azon n 1 egész számoknak a legnagyobb közös osztóját értjük, amelyekre P n ii > 0. Ha P n ii = 0 minden n esetén, akkor az i állapot periódusa. Jelölés: d(i). Példa Az alábbi átmenetvalószínűség-mátrix-szal rendelkező Markov-lánc n állapotú, melyben minden állapot periódusa n: 0 1 0 0... 0 0 0 1 0... 0 P =......... 0 0 0 0... 1 1 0 0 0... 0

Markov-láncok periodicitása Tétel Ha i j, akkor d(i) = d(j), azaz egy kommunikációs osztályon belül minden állapotnak azonos a periódusa. Bizonyítás Legyen i és j egyazon osztályban. Így létezik n, m N, hogy Pij m > 0 és Pji n > 0. Legyen s tetszőleges pozitív egész, melyre Pii s > 0. Ekkor > 0 is teljesül. Másrészt, P 2s ii Hasonlóan P n+s+m jj P n ji P s iip m ij > 0. P n+2s+m jj > 0 is igaz. Ezekből d(j) n + s + m és d(j) n + 2s + m, amiből d(j) s. Így d(j) osztója az összes olyan s-nek, melyre P s ii > 0, azaz d(j) osztója az ilyen s-ek legnagyobb közös osztójának is, tehát d(j) d(i). Másrészt, i és j szerepének felcserélésével d(i) d(j). Tehát d(i) = d(j).

Markov-láncok periodicitása Tétel Ha az i állapot periódusa d(i), akkor létezik olyan, i-től függő N egész, hogy minden n N egész esetén P nd(i) ii > 0. Ez a tétel azt jelenti, hogy a d(i) periódus minden elég nagy többszörösekor vissza elehet térni az i állapotba. Következmény Ha P m ji > 0, akkor P m+nd(i) ji > 0 minden elég nagy n esetén. Egy állapotot aperiodikusnak nevezünk, ha periódusa 1. Az olyan Markov-láncot, amelyben minden állapotnak 1 a periódusa, aperiodikusnak nevezzük.

Irodalom Fazekas István: Markov-láncok és alkalmazásaik, egyetemi jegyzet, mobidiák könyvtár, Debreceni Egyetem. Samuel Karlin, Howard M. Taylor: Sztochasztikus folyamatok, Academic Press, Inc. (1975).