background image

 

1. PODSTAWY TEORII SKOŃCZONYCH ŁAŃCUCHÓW MARKOWA 
 
Przykład 1
  
Mieszkaniec wioski błądzi po niej zatrzymując się w jednym z trzech punktów: miejsce pracy (P), 
knajpa (K), dom (D). Po godzinie pobytu  w jednym miejscu czuje potrzebę odmiany. Wychodząc z 
pracy rzuca monetą i w zależności od wyniku idzie do domu albo do knajpy. Szanse, że po wizycie 
w knajpie uda się natychmiast do domu wynoszą tylko 25%, podobnie jak przejście do pracy, za to 
prawdopodobieństwo pozostania w knajpie przez kolejną godzinę jest równe 0,5. W domu jest 
żona, która ma pięćdziesięcioprocentowe szanse nakłonić męża do pójścia do pracy, więc tylko w 
połowie przypadków udaje mu się zahaczyć o knajpę. 

  Miejsce bohatera po n krokach (godzinach), n

{0,1,2, ...} jest zmienną losową  

n

X  o 

wartościach ze skończonego zbioru, zwanego przestrzenią stanów S = {D, K, P}. Zdarzenie 

0

X = D oznacza, że w chwili 0 bohater jest w domu. 

  Uwaga: Definicja zmiennej losowej ... wartości liczbowe. W teorii ŁM konwencja: stany 

zamiast liczb (D zamiast 1, K zamiast 2 itd.) 

 

Ciąg zmiennych {

n

X } jest procesem stochastycznym. 

  Od czego zależy miejsce pobytu bohatera w chwili n+1 (czyli rozkład prawdopodobieństwa 

zmiennej 

1

n

X

)? 

-  od jego miejsca w chwili n (rozkładu prawdopodobieństwa zmiennej 

n

X ) 

-  od wyniku rzutu monetą w pracy, obecności kolegów w knajpie oraz żony w domu 

(prawdopodobieństw zmiany stanu) 

 

Macierz prawdopodobieństw przejścia w jednym kroku 

 

 

   D     K      P 

 

P =

]

p

[

ij

=  



P

 



0

5

0

5

0

25

0

5

0

25

0

5

0

5

0

0

,

,

,

,

,

,

,

 

 

- Np. prawdopodobieństwo 

5

0,

p

DP

oznacza, że w czasie od chwili n do n+1 szansa 

przejścia bohatera z domu do pracy wynosi 50%. 

 

- Np. trzeci wiersz tej macierzy jest warunkowym rozkładem zmiennej losowej 

1

n

X

 pod 

warunkiem, że 

P

X

n

 

 

Załóżmy, że w momencie n bohater jest w domu. Gdzie można go zastać po upływie godziny? 

1

)

D

X

(

P

n

 

W pracy (ścieżka DP)? 

5

0

1

5

0

1

1

,

,

)

D

X

(

P

)

D

X

P

X

(

P

)

P

X

,

D

X

(

P

n

n

n

n

n

 

W domu (DD), w knajpie (DK)? 

0

1

...

)

D

X

,

D

X

(

P

n

n

,     

5

0

1

,

...

)

K

X

,

D

X

(

P

n

n

 

 

Jeśli wiemy, że 

1

)

D

X

(

P

n

, to prawdopodobieństwa stanu w chwili n+1 (po n+1 krokach):  

0

1

)

D

X

(

P

n

,  

5

0

1

,

)

K

X

(

P

n

5

0

1

,

)

P

X

(

P

n

 

 

Powyższe prawdopodobieństwa stanowią rozkład zmiennej losowej 

1

n

X

, zapisywany jako 

]

,

,

[

]

d

[

j

,

n

n

5

0

5

0

0

1

1

d

 

background image

 

 

A jakie jest prawdopodobieństwo, że po 2 godzinach będzie znów w domu (ścieżki DDD lub 
DKD lub DPD)? 

)

D

X

(

P

n 2

 

)

D

X

,

P

X

,

D

X

(

P

)

D

X

,

K

X

,

D

X

(

P

)

D

X

,

D

X

,

D

X

(

P

n

n

n

n

n

n

n

n

n

2

1

2

1

2

1

 

)

D

X

,

D

X

(

P

)

D

X

,

D

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

1

2

 

)

D

X

,

K

X

(

P

)

D

X

,

K

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

1

2

 

)

D

X

,

P

X

(

P

)

D

X

,

P

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

1

2

 

Zauważmy, że 

 

 

)

D

X

D

X

(

P

)

D

X

,

D

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

2

1

2

 

 

 

)

K

X

D

X

(

P

)

D

X

,

K

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

2

1

2

 

 

 

)

P

X

D

X

(

P

)

D

X

,

P

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

2

1

2

 

 brak pamięci o stanie z chwili wcześniejszej niż n+1, zatem 

)

D

X

(

P

n 2

 

)

D

X

(

P

)

D

X

D

X

(

P

)

D

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

1

2

   

)

D

X

(

P

)

D

X

K

X

(

P

)

K

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

1

2

 

)

D

X

(

P

)

D

X

P

X

(

P

)

P

X

D

X

(

P

n

n

n

n

n

1

1

2

 

 

375

0,

...

 

 

Jak więc oblicza się prawdopodobieństwo ścieżki np. DPD? 

25

0

5

0

5

0

1

2

1

,

,

,

p

p

d

)

D

X

,

P

X

,

D

X

(

P

PD

DP

nD

n

n

n

 

A ścieżki DPKPDK, jeśli na pewno zaczął od domu? 
 

DK

PD

KP

PK

DP

p

p

p

p

p

 

 

Jeśli wiemy, że 

1

)

D

X

(

P

n

, to prawdopodobieństwa stanu po n+2 krokach wynoszą 

)

D

X

(

P

n 2

0,375,   

5

0

2

,

)

K

X

(

P

n

 ,    

125

0

2

,

)

P

X

(

P

n

więc rozkładem zmiennej losowej 

2

n

X

 jest 

]

,

,

,

[

]

d

[

j

,

n

n

125

0

5

0

375

0

1

2

d

 

 

Macierz prawdopodobieństw przejścia w dwóch krokach 

 

 

   D       K       P 

 

)

(2

P

=

]

p

[

)

(

ij

2

=  



P

 



375

0

5

0

125

0

25

0

5

0

25

0

125

0

5

0

375

0

,

,

,

,

,

,

,

,

,

 

 

Np. prawdopodobieństwo 

125

0

2

,

p

)

(

DP

oznacza, że w czasie od chwili n do n+2 szansa 

przejścia bohatera z domu do pracy (bez względu na to, gdzie był w chwili n+1) wynosi 
12,5% 

 

background image

 

  Def.: Skończonym łańcuchem Markowa (SŁM) o przestrzeni stanów S ={1,2,...,r}  nazywa się 

proces stochastyczny 

N

n

n

}

X

{

 , dla którego spełniona jest własność Markowa (własność 

braku pamięci) 

)

n

(

p

)

i

X

|

j

X

(

P

)

i

X

,...,

i

X

,

i

X

|

j

X

(

P

ij

n

n

n

n

n

n

1

0

0

1

1

1

,  

przy czym 

0

0

0

1

1

)

i

X

,...,

i

X

,

i

X

(

P

n

n

n

, dla 

S

i

,...,

i

,

i

,

j

,

i

n

1

1

0

 

  Def.: Skończonym jednorodnym łańcuchem Markowa (SJŁM) nazywa się SŁM, dla którego 

prawdopodobieństwa przejścia są stałe w czasie 

ij

n

n

p

)

i

X

|

j

X

(

P

1

 

 

Prawdopodobieństwa przejścia w jednym kroku zapisuje się w postaci r-wymiarowej macierzy 
przejścia 

]

p

[

ij

P

 

Macierz przejścia P jest macierzą stochastyczną, tzn. 

0

ij

p

,  

1

1

r

j

ij

p

.    

  Def.: Rozkładem łańcucha w chwili n (bezwarunkowym) nazywa się wektor 

]

d

,

...

,

d

,

d

[

d

nr

n

n

n

2

1

 ,   gdzie  

)

j

X

(

P

d

n

nj

 

 

SJŁM jest dany macierzą przejścia P i rozkładem początkowym 

0

d  

  Macierz przejścia w m krokach  

]

p

[

)

m

(

ij

)

m

(

P

przy czym 

)

i

X

j

X

(

P

p

m

n

n

)

m

(

ij

 

Dla SJŁM macierz 

)

m

(

P

 jest m-tą potęgą macierzy P, czyli  

 

m

)

m

(

P

P

   

  Bezwarunkowe prawdopodobieństwa stanu 

nj

d

 można obliczyć z wzoru na 

prawdopodobieństwo całkowite (jak wyżej w przykładowych obliczeniach), co w zapisie 
macierzowym ma postać: 

 

P

d

d

1

n

n

        

(*)

 

 

Zatem 

 

P

d

d

0

1

 

 

2

0

1

2

P

d

P

d

d

 

… 

 

n

n

P

d

d

0

        

(**)

 

 

 

 

Wzory (*) i (**) służą więc do obliczenia rozkładu łańcucha (tym samym zmiennej 

n

X ) w 

chwili n, gdy znany jest rozkład z poprzedniej chwili lub rozkład początkowy