12-可数状态空间马尔可夫链一


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设 是有限状态空间, 是转移矩阵。随机过程

称为马尔可夫链,如果

今天

现在令 为可数状态空间, 为转移矩阵。随机过程

仍称为马尔可夫链,如果

相关概念

  • 平稳分布:

  • 不可约性: 对任意 ,存在某个 ,使得

  • 首次到达时间与首次返回时间: 对 ,定义

定义. 若状态 满足

则称 是常返的。否则,称 是暂留的。

注. 如果 有限且 不可约,则每个状态都是常返的。但是,当 只是可数时,会出现两种不同的情形:常返或暂留。

常返性

状态 是常返的,当且仅当

引理. 假设 不可约。定义格林函数

访问的总次数

则下列四个条件等价:

  1. 对某个 ,

  1. 对所有 ,

  1. 对某个 ,

  1. 对所有 ,

常返性

状态 是常返的,当且仅当

假设 不可约,则下列两个条件等价:

  1. 对某个 ,

  1. 对所有 ,

因此,对一条不可约链,一个状态常返,当且仅当所有状态都常返。正因如此,不可约马尔可夫链可以分成两类:常返链和暂留链。

例.

  • 上的简单随机游走是常返的;
  • 上的简单随机游走是暂留的。

无限网络

设

是一个无限连通图,边电导为

固定源点 。

令

是一列包含源点 的有限连通子图,并满足

对所有

以及

包含 中两个端点都位于 的所有边。

对每个 ,构造一个修改后的网络 :

  • 将 中的所有顶点合并为一个顶点 ;
  • 若 中的某个顶点与 相邻,则令它与 相邻;
  • 对这样的顶点 ,定义

定义从 到无穷远的有效电阻为

引理. 上述定义是良定义的:极限存在,并且不依赖于子图序列 的选择。

有效电阻与逃逸概率

设

是一个无限连通图,边电导为

并固定源点 。回顾

定理.

证明. 对每个 ,有限网络中的逃逸概率公式给出

令 ,左侧事件递减到“从 出发后永不返回 ”这一事件,而右侧收敛到

所以

证毕。

有效电阻与流的能量

定义. 从 流向无穷远的流 ,是图 的边上的一个反对称函数,并满足

以及对所有 ,

流的强度定义为

流的能量定义为

其中求和遍历所有无向边。

定理.

是从到无穷远的单位流

推论. 假设 是一族两两不相交、并且将 与无穷远分离的边割集,则

无限网络上的随机游走

定理. 下列条件等价:

  1. 网络上的随机游走是暂留的;
  2. 存在 ,使得

  1. 存在一个从 流向无穷远的流 ,使得

定理. 假设存在一族两两不相交、并且将 与无穷远分离的边割集 ,满足

则该网络上的随机游走是常返的。

上的简单随机游走

定理.

  • 上的简单随机游走是常返的;
  • 上的简单随机游走是常返的。

定理.

  • 上的简单随机游走是暂留的;
  • 当 时, 上的简单随机游走是暂留的。

正常返性

定义.

状态 是常返的,如果

状态 是正常返的,如果

引理. 假设 不可约。

下列两个条件等价:

  1. 对某个 ,

  1. 对所有 ,

下列两个条件也等价:

  1. 对某个 ,

  1. 对所有 ,

正常返性

定义. 如果

则称状态 是正常返的。

引理. 假设 不可约,则下列两个条件等价:

  1. 对某个 ,

  1. 对所有 ,

因此,对一条不可约链,一个状态正常返,当且仅当所有状态都正常返。正因如此,一条不可约常返马尔可夫链还可以分成两类:正常返链,以及另一类称为零常返链。

例. 上的简单随机游走是零常返的。

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文章作者: Gustavo
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