03-Markov 链的时间反演


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考虑状态空间为 、转移矩阵为 的 Markov 链:

如果概率测度 满足

则称 是平稳分布。

如果 不可约,则存在唯一的平稳分布。

本讲目标

  • 遍历定理;
  • Markov 链的时间反演;
  • 生灭链;
  • 全变差距离。

定理 设 是定义在 上的实值函数。如果

是具有平稳分布 的不可约 Markov 链,则对任意初始分布 ,

几乎必然成立

这里

特别地,取

得到

几乎必然成立

也就是说,链长期停留在状态 的时间比例等于其平稳概率 。

细致平衡方程

定义 假设 上的概率测度 满足

对所有

这些等式称为细致平衡方程。

引理 任何满足细致平衡方程的概率分布 都是 的平稳分布。

事实上,

定义 满足细致平衡方程的 Markov 链称为可逆链。

图上的简单随机游走

例 考虑连通图

上的简单随机游走。概率测度

满足细致平衡方程。

事实上,若 ,则

若 ,等式两边均为 0。因此,图上的简单随机游走是可逆的。

Markov 链的时间反演

定理 设 是转移矩阵为 、平稳分布为 的不可约 Markov 链。定义

则:

  1. 是随机矩阵;
  2. 若 是转移矩阵为 的 Markov 链,则 也是 的平稳分布;
  3. 对任意 ,

称 是 的时间反演。

注 如果转移矩阵为 的链可逆,则

并且 与 具有相同的分布。

生灭链

生灭链的状态空间为

可以把当前状态理解为某个种群的规模。链每一步至多发生一次出生或一次死亡。

转移概率由

给出,并且对每个 ,

其中:

  • 对 , 是从 转移到 的概率,并规定

  • 对 , 是从 转移到 的概率,并规定

  • 对 , 是停留在状态 的概率。

定理 每条生灭链都是可逆的。

全变差距离

定义  上两个概率测度 之间的全变差距离定义为

引理 全变差距离满足三角不等式:

全变差距离的三种刻画

引理

引理

这里

全变差距离的三种刻画

定义 概率测度 的一个耦合,是定义在同一概率空间上的一对随机变量 ,满足:

  • 的边缘分布为 ;
  • 的边缘分布为 。

引理

是的耦合

定义 如果耦合 满足

则称 是一个最优耦合。

第一次作业的截止日期为 2 月 23 日。


文章作者: Gustavo
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