Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

bardushkin

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2.66 Mб
Скачать

200 i

 

2

2,54

b

 

 

Так как в распределении Пуассона оценивается один параметр , то k = 4 – 1 – 1 = .

2

 

0,95

2

 

b

 

2

5,99

2

2 нет оснований отвернуть гипотезу о распределении СВ Х по закону Пуассона.

0,95

Глава 11

Цепи Маркова

§ 1. Определение цепи Маркова

Непосредственным обобщением схемы независимых испытаний является схема цепей Маркова.

Пусть производится последовательность испытаний, в каждом из которых может осуществляться одно и только одно из k несовместных событий.

A1(S ) , A2(S ) , , Ak(S )

верхние индексы обозначают номер испытания.

О п р е д е л е н и е .

Последовательность испытаний образует простую цепь Маркова, если условная вероятность в

S 1

испытании, где S 1, 2, 3, осуществится событию

A

(S 1)

,

 

i

 

i

1, ,

k

, зависит только от того, какое со-

бытие произошло при S-ом испытании и не изменяется от добавочных сведений о том, какие события происходили в более ранних испытаниях.

Замечание.

Часто при изложении теории цепей Маркова придерживаются иной терминологии и говорят о некоторой физической системе S, которая в каждый момент времени может находиться в одном из состояний

A1, A2 , , Ak и меняет свое состояние только в моменты t1, t2 , , tn ,

 

 

Для цепей Маркова вероятность перейти в какое-либо состояние Ai i 1, , k , в момент времени tS

зависит только от самого Ai и того, в каком состоянии система находилась в момент времени

tS 1 t tS

и

не изменяется оттого, что становятся известными ее состояния в более ранние моменты времени.

Пример 1.

В модели Бора атома водорода, электрон может находиться на одной из допустимых орбит. Обозначим, через Ai – электрон находится на i орбите и предположим, что изменение состояние атома

может наступать только в моменты t1, t2 , t3 , (в действительности эти моменты представляют собой СВ),

то тогда вероятности перехода с i орбиты на j орбиту в момент времени tS зависит только от i и j и не зависит от того на каких орбитах находился электрон в «прошлом».

Разность (ij) зависит от количества энергии, на которую изменился заряд атома в момент времени tS. Это пример цепи Маркова с бесконечным числом состояний.

§ 2. Матрица перехода

Далее будем рассматривать только однородные цепи Маркова, в которых условная вероятность появле-

 

(S 1)

 

ния события

A j

при условии, что в предыдущем S-ом испытании осуществилось

испытания.

 

 

Назовем эту вероятность – вероятностью перехода и обозначим pij .

AiS

не зависит от номера

Полную вероятностную картину возможных изменений, осуществляющихся при переходе от одного испытания к следующему можно задать с помощью матрицы

 

p

p

 

p

 

 

 

 

11

12

 

1k

 

1

p21

p22

p2k

 

 

 

 

 

 

 

– матрица перехода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pk 2

 

 

 

 

 

pk1

pkk

 

Замечание.

 

1.

Очевидно, что i, j

0 pij 1.

2.

Из того, что при переходе из состояния

A( S ) i

система обязательно переходит в одно из состояний

k

A(jS 1) , следовательно, в матрице перехода pij 1 . j 1

О п р е д е л е н и е .

Любая квадратная матрица, элементы которой удовлетворяют следующим требованиям:

 

i, j :

0 p

ij

1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pij

1

, называется стохастической.

 

 

 

 

 

j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Одной из главных задач в теории цепей Маркова является задача определения вероятности перехода

(S )

(S n)

Pij n .

 

 

 

 

 

 

 

Ai

Aj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим какое-нибудь промежуточное испытание с номером (S+m). В этом испытании осуществится

 

 

 

 

 

 

 

 

(S m)

( S )

 

( S m)

какое-либо одно из возможных событий Ar

 

1 r k , тогда вероятность перехода Ai

Ar

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ir

 

 

 

 

 

 

( S m)

 

 

(S n)

.

 

 

 

, а вероятность перехода Ar

 

Aj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

n m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rj

 

 

 

 

 

 

По формуле полной вероятности получим

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

Pij n Pir m Prj

n m

 

(*)

 

r 1

 

 

 

 

 

 

Обозначим через

 

 

 

 

 

P

 

n

P

n

 

P

n

 

11

 

12

 

 

1k

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

P

 

n

P

n

 

P

n

 

 

 

 

k1

 

k 2

 

 

kk

 

Согласно формуле (*) получаем, что

n m n m

В частности, когда n = 2, получаем

 

0 m

n

.

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

3

1

2

1

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим частный случай формулы (*), когда m = 1

k

Pij n Pir Prj n 1 . r 1

Пример 2

Процесс блуждания с отражением.

Пусть частица, находящаяся на прямой, движется по этой прямой под влиянием случайных толчков, происходящих в моменты времени t1, t2 , t3 , Частица может находиться в точках с целочисленными коорди-

натами a, a 1, a 2, , b . В точках a, b находятся отражающие стенки, каждый толчок перемещает частицу

вправо с вероятностью p, а влево с вероятностью q, если только частица не находится у стенки. Если частица находится у стенки, то любой толчок переводит ее на 1 внутрь промежутка между стенками.

a

a+1

b-1

b

Получается цепь Маркова с конечным числом состояний.

 

0

1

0

0

 

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

0

p

0

0

0

0

1

 

0

q

0

p

 

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

0

 

q

0

 

 

 

 

p

 

 

0

0

0

0

 

0

1

0

 

 

 

 

Аналогично можно рассматривать ситуации, когда частица прилипает к одной из стенок, этот процесс блуждания с поглощением.

Лекция № 23

Пример 3.

Вероятности перехода даются матрицей

 

 

 

1

1

1

 

 

 

 

2

3

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

 

1

 

2

3

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

6

 

Чему равно число состояний в системе?

Ответ: 3.

Найти вероятности перехода из состояния в состояние за два шага:

 

 

 

 

 

1

1

1

 

1

1

1

 

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

6

 

 

 

2

3

6

 

 

 

2

3

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

1

1

 

 

 

1

1

1

 

 

 

1

1

1

 

 

 

 

2

1

 

2

3

6

2

3

6

2

3

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

 

 

 

1

1

1

 

 

 

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

6

 

2

3

6

 

2

3

6

 

 

 

§ 3. Теорема о предельных вероятностях

 

 

 

 

 

Т е о р е м а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если при некотором S > 0 все элементы матрицы перехода S положительны, то существуют такие

постоянные числа

p j j 1, 2, , k , что независимо от индекса

i

имеет место равенство

lim Pij n p j .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

Физический смысл этой теоремы.

Вероятность в системе находится в каком-то состоянии Aj практически не зависит от того, в каком со-

стоянии эта система находилась в «далеком прошлом».

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]