02-Markov 链的平稳分布


回顾

考虑状态空间为 、转移矩阵为 的 Markov 链:

记:

  • : 的分布;
  • : 的分布。

如果概率测度 满足

则称 是平稳分布。

若 是平稳分布且

则对所有 ,

本讲目标

  • 不可约性;
  • 非周期性;
  • 平稳分布的存在性与唯一性。

定义 如果对任意 ,都存在一个可能依赖于 的整数 ,使得

则称转移矩阵 是不可约的。

这表示从任意状态出发,都有可能在有限步内到达任意其他状态。

定义 对任意 ,定义

状态 的周期定义为集合 中所有元素的最大公约数,记为

引理 如果 不可约,则对所有 ,

因此,不可约链的所有状态具有相同周期。

非周期性

定义 对不可约 Markov 链,把所有状态共同的周期定义为该链的周期。

如果所有状态的周期都等于 1,则称该链是非周期的。

例 考虑奇数 个顶点组成的环上的简单随机游走。该随机游走不可约且非周期。

定理 如果 不可约且非周期,则存在整数 ,使得对任意 和任意 ,都有

换言之,在经过足够多步后,从任意状态到任意其他状态都具有严格正的转移概率。

平稳分布的存在性

定义 对 ,定义

  • :首次到达状态 的时间;
  • 当 时, 是首次返回 的时间。

引理 假设 不可约。则对任意 ,

这里 表示在初始状态 的条件下取期望。

定理 如果 不可约,则存在概率测度 ,使得

并且对所有 ,

平稳分布的唯一性

回顾与定义

  • 若 是 上的测度,则 仍是 上的测度;
  • 若 是 上的函数,则 仍是 上的函数;
  • 若

则称 是平稳的;

  • 若

则称 是调和函数。

引理 假设 不可约。则 上的任意调和函数 都必须是常数函数。

定理 假设 不可约。则存在唯一的平稳分布。此外,对所有 ,

因此,一个状态在平稳分布下的概率,等于从该状态出发首次返回所需平均时间的倒数。

平稳分布总结

在证明平稳分布的存在性和唯一性时,关键假设是 不可约。

当 不可约时,可以明确写出平稳分布:

对所有

事实上:

  • 平稳分布的存在性并不要求不可约;
  • 平稳分布的唯一性需要不可约性。

文章作者: Gustavo
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