非常返狀態

非常返狀態(non-recurrent state)亦稱瞬時狀態,不是常返狀態的狀態。換句話說,馬爾可夫鏈的狀態i稱為非常返的,如果鏈從狀態i出發,它將以正的機率不再返回i,這又等價於說不管鏈從哪一個狀態出發,以機率1它最多只能經過狀態i有限多次。

簡介

非常返狀態 非常返狀態
非常返狀態 非常返狀態

設任意的 稱 為馬氏鏈在0時從狀態i出發,經n步轉移後,首次到達狀態j的機率。簡稱首達機率。

非常返狀態 非常返狀態
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記 ,稱為馬氏鏈在0時從狀態i出發,永遠不能轉移到 狀態j的機率。

非常返狀態 非常返狀態
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又記 ,稱 為馬氏鏈在0時從狀態i出發,經有限步轉移後終究到達狀態j的機率(也稱遲早機率)。

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特別的,當i=j時,表示馬氏鏈在0時從狀態i出發,經有限步轉移後終究返回狀態i的機率。

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利用機率可以定義狀態類型:

非常返狀態 非常返狀態

設狀態

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(1)若 則稱狀態i是常返的(返回的);

非常返狀態 非常返狀態

(2)若 則稱狀態i是非常返的(滑過狀態)。

當i為常返態時,也就有

非常返狀態 非常返狀態
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即 構成機率分布,則相應的數學期望為

非常返狀態 非常返狀態
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則 表示馬氏鏈從狀態i出發首次再返回狀態i的平均時間(或平均轉移步數)。

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利用量 可以進一步定義狀態類型:

非常返狀態 非常返狀態

(1)若 則稱狀態i為正常返狀態;

非常返狀態 非常返狀態

(2)若 則稱狀態i為零常返狀態(消極常返狀態)。

狀態類型的判斷

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定理

定理1

非常返狀態 非常返狀態

設狀態 ,則

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(1)狀態i是常返的( )充要條件為

非常返狀態 非常返狀態

(2)狀態i是非常返的( )充要條件為

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定理2

齊次馬氏鏈的狀態空間S可唯一地分解為有限或可列無限多個互不相交的狀態子集的並。即

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其中D是所有非常返狀態構成的狀態子集。

非常返狀態 非常返狀態

均是由常返態構成的不可約閉集。

每個狀態子集中的狀態有著相同的狀態類型:即 或者均為零常返,或者均為正常返非周期,或者均為正常返周期且周期相同。

定理3

設X是狀態有限的齊次馬氏鏈, 則

(1) X的非常返狀態集D不可能是閉集;

(2) X不存在零常返狀態;

(3) 若X是不可約的, 則X所有的狀態都是正常返的。

舉例

設狀態空間S={1, 2, 3, 4}的馬爾可夫鏈,它的一步轉移機率矩陣為

非常返狀態 非常返狀態

試分析馬氏鏈的狀態的常返與否。

解:馬氏鏈的狀態轉移圖為

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因為

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所以 ,所以狀態常返。

非常返狀態 非常返狀態

又 ,故狀態1正常返。

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非常返狀態 非常返狀態

因為

非常返狀態 非常返狀態

所以 ,故狀態3非常返。

類似可以討論狀態2和4。

因此可用下面的圖來表示各狀態的關係:

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