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对于一步转移概率矩阵收敛快慢问题的解答.
对于一步转移概率矩阵收敛快慢问题的解答
问题描述
一步转移概率矩阵收敛有快慢之分,请给出判断矩阵收敛快慢的解决方案。
问题解答
假设初始状态为X,一步转移概率矩阵为P,则根据马尔可夫过程理论可知:
当nN(N为一个足够大的常数)时,
XPn=Y
其中Y是一个稳定行向量。
由例1.7得:
假设X为初始状态,一步转移概率矩阵为P,则
= (0.0909 0.2727 0.2727 0.2727 0.0909)
其中n=38.
而
=
,
其中n=38。
同样由例1.12得:
假设X为初始状态,一步转移概率矩阵为P,则
= (0.6667 0.3333 0 0)
其中n=25.
而
=
,
其中n=25。
经过一系列验证,可以得出:
结果的稳定性与初始状态X无关,只与一步转移概率矩阵P有关。并且矩阵收敛后,行和为1,每列上的值为相同值。而最终概率分布结果也是矩阵收敛后的一行。
以下对最终概率分布结果也是矩阵收敛后的一行作简要的证明:
设 初始概率分布X=( p1 p2 p3 ……pn ),则p1+p2+……+pn=1.
收敛后的一步转移概率矩阵Pn=
,
其中a1+a2+……+an=1.
易得最终概率分布
Y=XPn
=[(p1+p2+……pn)a1 (p1+p2+……pn)a2 …… (p1+p2+……pn)an]
=[a1 a2 ……an]
得证。
在研究上面一类矩阵的同时,也对另一类矩阵进行了研究,如下:
1.
,
该矩阵不会收敛为每一列为同一个值。
2.
,其中n=189.
3.
,其中n=189.
经过一系列的测试,得出这类矩阵也可以收敛,只不过收敛速度比较慢。而单位阵等一些矩阵,暂且总称为类单位阵(每一列上都有1出现),它们不存在收敛的性质,是以上测试矩阵的极限状态。
由以上两个结论得出以下猜想:
每一列比较均匀的矩阵收敛的速度较快;与类单位阵类似的矩阵收敛的速度较慢。而两种极限情况分别是:列相同矩阵已经是收敛结果,类单位阵不会收敛。
从概率意义上来说,两种极限情况是可以解释的。
列相同矩阵表达的含义是:不同的当前状态到下一步每一状态概率都是相同的,所以下一次每个状态都达到了稳定。
类单位阵表达的含义是:当前不同状态到下一步要么不改变状态,要么必定转移到某一固定状态。也就是说,下一步状态转移的概率是1或0,也就不存在概率的研究意义。
根据以上的猜想,提出了两种刻画矩阵收敛速度的方法。
方法一:方差法(王文杰提出)
由列相同矩阵出发,刻画某一矩阵与列相同矩阵的相似程度,从而判断出矩阵的收敛快慢。
假设矩阵P=
,令v1,v2……vn为每一列的平均值。
则可计算出:
第1列的方差:s12=[(a11-v1)2+(a21-v1)2+……+(an1-v1)2]/n
第2列的方差:s22=[(a12-v122+(a22-v2)2+……+(an2-v2)2]/n
……
第n列的方差:sn2=[(a1n-vn)2+(a22-vn)2+……+(ann-vn)2]/n
令s2= (s12+ s22+……+sn2)/n ,显然s2=0.
s2就是方差法用来刻画一步转移概率矩阵收敛快慢的量。
当s2=0时,取最小值,此时一步转移概率矩阵每一列都相同,是矩阵收敛最快的极限。当s2=(n-1)/n2时,取最大值,矩阵为类单位阵,是矩阵收敛最慢的极限。所以,n阶一步一转移概率矩阵的s2值越小,矩阵收敛越快,反之,矩阵收敛越慢。
以下是收敛速度与s2的关系示意图:
用之前的5阶矩阵进行验证:
S2(P1)=0.07022 ,而当n=38时矩阵收敛。
S2(P2)=0.14440,而当n=189时矩阵收敛。
S2(P3)=(5-1)/(n*n)=0.16000,该矩阵不会收敛。
由以上三个矩阵可以得出S2(P1)S2(P2)S2(P3),收敛速度为P1P2p3。经过其他矩阵的验证,该方法可以刻画矩阵收敛的快慢。
下面证明该方法的正确性。
证明:
方差是用来描述一系列数值的差异程度的量。各个数值相差越大,方差越大;各个数值相差越小,方差越小。当各个数值相同时方差为0。
而矩阵中,每一列方差可以刻画该列数值的相差程度。当某列方差为0时,表示该列值相等。而总的方差是各方差之和的均值,所以方差法可以刻画整个矩阵每一列的差异程度,即方差法可以刻画一个矩阵与列相等矩阵的相似程度。
方法二:行列式值法(周文为提出)
由类单位阵出发,刻画某一矩阵与类单位阵的相似程度,从而判断出矩阵的收敛快慢。
假设一步转移概率矩阵为P,用det(P)就可以刻画矩阵收敛的快慢。
当矩阵的行列式的绝对值为1时,矩阵为类单位阵,不会收敛,是收敛最慢的极限。当矩阵行列式为0时,是收敛最快的
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