matlab--算法大全--第17章_马氏链模型

马尔柯夫链预测法

马尔柯夫链预测法 如果事物的发展过程及状态只与事物当时的状态有关，而与以前状态无关时，则此事物的发展变化称为马尔柯夫链。如果系统的安全状况具有马尔柯夫性质，且一种状态转变为另一种状态的规律又是可知的，那么可以利用马尔柯夫链的概念进行计算和分析．来预测未来特定时刻的系统安全状态。 马尔柯夫链是表征一个系统在变化过程中的特性状态，可用一组随时间进程而变化的变量来描述。如果系统在任何时刻上的状态是随机性的，则变化过程是一个随机过程，当时刻 t 变到时刻1+t ，状态变量从某个取值变到另一个取值，系统就实现了状态转移。系统从某 种状态转移到各种状态的可能性大小，可用转移概率来描述。 假定系统的初始状态可用状态向量表示为： ()()()()()[] 00302010,,,,n s s s s s = (5-19) 状态转移概率矩阵为： ????? ???????=nn n n n n p p p p p p p p p p 21 22221 11211 (5-20) 状态转移矩阵是一个n 阶方阵，满足概率矩阵的一般性质，即满足10≤≤ij p 且 11 =∑=n j ij p 。也就是说，状态转移矩阵的所有行变量都是概率向量。 一次转移向量() 1s 为： ()p s s 0) 1(= 二次转移向量() 2s 为： ()()20)1(2p s p s s ==

类似地 ()()10)1(++=k k p s s 【例5-4】某单位对1250名接触硅尘人员进行使康检查时，发现职工的健康状况分布如表5-6所示。 表5-6 接尘职工健康状况 根据统计资料，一年后接尘人员的健康变化规律为： 健康人员继续保持健康者剩70％。有20％变为疑似硅肺，10％的人被定为硅肺，即 7.011=p , 2.012=p ，1.013=p 原有疑似硅肺者一般不可能恢复为健康者，仍保持原状者为80％，有20％被正式定为硅肺，即 021=p ，8.022=p ，2.023=p 硅肺患者一般不可能恢复为健康或返回疑似硅肺，即 ,031=p 032=p ，133=p 。 状态转移矩阵为： ???? ? ?????=3332 31 232221 131211 p p p p p p p p p p 预测一年后接尘人员的健康状况为： () ()()() () [] ???? ??????=?=3332 31 2322 21131211 03020101p p p p p p p p p S S S p S S

马尔科夫链的介绍.doc

马尔可夫链（Markov Chain），描述了一种状态序列，其每个状态值取决于前面有限个状态[1]。马尔可夫链是具有马尔可夫性质的随机变量X_1,X_2,X_3...的一个数列。这些变量的范围，即它们所有可能取值的集合，被称为“状态空间”，而X_n的值则是在时间n的状态。如果X_{n+1}对于过去状态的条件概率分布仅是X_n的一个函数，则P(X_{n+1}=x|X_1=x_1,X_2=x_2,...,X_n=x_n) = P(X_{n+1}=x|X_n=x_n). 这里x为过程中的某个状态。上面这个恒等式可以被看作是马尔可夫性质。 理论发展 马尔可夫在1906年首先做出了这类过程。而将此一般化到可数无限状态空间是由柯尔莫果洛夫在1936年给出的。 马尔可夫链与布朗运动以及遍历假说这两个二十世纪初期物理学重要课题是相联系的，但马尔可夫寻求的似乎不仅于数学动机，名义上是对于纵属事件大数法则的扩张。 物理马尔可夫链通常用来建模排队理论和统计学中的建模，还可作为信号模型用于熵编码技术，如算术编码（著名的LZMA数据压缩算法就使用了马尔可夫链与类似于算术编码的区间编码）。马尔可夫链也有众多的生物学应用，特别是人口过程，可以帮助模拟生物人口过程的建模。隐蔽马尔可夫模型还被用于生物信息学，用以编码区域或基因预测。 马尔可夫链最近的应用是在地理统计学(geostatistics)中。其中，马尔可夫链用在基于观察数据的二到三维离散变量的随机模拟。这一应用类似于“克里金”地理统计学(Kriging geostatistics)，被称为是“马尔可夫链地理统计学”。这一马尔可夫链地理统计学方法仍在发展过程中。 马尔可夫过程 马尔可夫过程的定义： ⑴设{(X(t),t∈T)}是一个随机过程，如果{X(t),t∈T)}在t0时刻所处的状态为已知时，与它在时刻t>t0之前所处的状态无关，则称{X(t),t∈T)}具有马尔可夫性。 ⑵设{X(t),t∈T)}的状态空间为S,如果对于任意的n≧2,任意的t1

马尔柯夫链在班级成绩预测中的应用【文献综述】

文献综述 数学与应用数学 马尔柯夫链在班级成绩预测中的应用 马尔柯夫链是数学中具有马尔科夫性质的离散随机过程. 在该过程中, 给定当前信息的情况下, 过去(即当期以前的历史状态)对于预测将来(即当期以后的未来状态)是无关的. 考虑只取有限个或可数个值的随机过程{}n ,0,1,2,X n =K , 若不另外说明, 过程可能取得值的集合将以非负整数集{}0,1,2,K 来表示. 若n X i =, 就说过程在时刻n 处于状态i , 假设每当过程处于状态i , 则在下一时刻处于状态j 的概率是固定的ij P , 也即假设对一切状态011,,,,,n i i i i j -K 及一切0n ≥又 {}1111100,,,,/n n n n ij P X j P X i X i X i X i +--======K , 这样的随机过程称为马尔柯夫链. 式(2.1)解释为, 对马尔柯夫链, 给定现在的状态n X 及过去的状态011,,,n X X X -K , 将来的状态1n X +的条件分布于过去的状态无关, 只依赖于现在的状态, 这称为马尔科夫性. 马尔柯夫链是一个有着广泛应用的随机过程模型, 它对一个系统由一种状态转移到另一种状态给出了定量分析. 马尔柯夫在1906年首先做出了这类过程. 而将此一般化到可数无限状态空间是由柯尔莫果洛夫在1936年给出的. 马尔柯夫链与布朗运动以及遍历假说被列为二十世纪初期重要课题, 但马尔柯夫寻求的不仅在于数学动机, 名义上是对于纵属事件大数法则的扩张. 其中, 马尔柯夫链用在基于观察数据的二到三维离散变量的随机模拟. 这一应用类似于“克里金”地理统计学, 被称为是“马尔柯夫链地理统计学”. 经过近百年的发展已形成完整的理论体系, 并且广泛被应用于社会、经济、科技、生态、农业、环境、医学、水利水电等众多科学领域. 自从我国著名的数学家、教育家中科院王梓坤院士在上世纪50年代将马尔柯夫理论引入国内以后, 我国学者对马尔柯夫过程的研究也取得了丰硕的成果, 在生灭过程的构造和它的积分型泛函的分布、马尔科夫过程的零壹律、Martin 边界与过份函数、马尔柯夫过程与位势理论的关系、多参数马尔柯夫过程等方面做了很多开创性工作, 近年来也不断有新的研究成果推出, 这些都标志着我国数学界对马尔柯夫理论的研究理论研究达到了世界领先水平.

5马尔可夫链模型

马尔可夫链模型 在考察随机因素影响的动态系统时，常常碰到这样的情况，系统在每个时期所处的状态是随机的，从这个时期到下个时期的状态按照一定的概率进行转移，并且下个时期的状态只取决于这个时期的状态和转移概率，与以前各时期的状态无关。这种性质称为无后效性或马尔可夫性。通俗的说就是已知现在，将来与历史无关。 具有马氏性的，时间、状态无为离散的随机转移过程通常用马氏链(Markov Chain)模型描述。 马氏链模型在经济、社会、生态、遗传等许多领域中有着广泛的应用。值得提出的是，虽然它是解决随机转移过程的工具，但是一些确定性系统的状态转移问题也能用马氏链模型处理。 马氏链简介： 马氏链及其基本方程：按照系统的发展，时间离散化为 0,1,2,n = ，对每个n ，系统的状态用随机变量n X 表示，设n X 可以 取k 个离散值1,2,,n X k = ，且n X i =的概率记作() i a n ，称为状态概 率，从n X i =到1 n X j +=的概率记作ij p ，称为转移概率。如果1 n X +的 取值只取决于n X 的取值及转移概率，而与1 2,,n n X X -- 的取值无关， 那么这种离散状态按照离散时间的随机转移过程称为马氏链。 由状态转移的无后效性和全概率公式可以写出马氏链的基本方程为 1 (1)()1,2,,k i j ij j a n a n p i k =+= =∑

并且() i a n 和ij p 应满足 1 1 ()10,1,2,;0 ;1 1,2,,k k j ij ij j j a n n p p i k ====≥==∑∑ 引入状态概率向量和转移概率矩阵 12()((),(),,()) {}k ij k a n a n a n a n P p == 则基本方程可以表为1 (1)()(0)n a n a n P a P ++== 例1：某商店每月考察一次经营情况，其结果用经营状况好与孬表示。若本月经营状况好，则下月保持好的概率为0.5，若本月经营状况不好，则下月保持好的概率为0.4，试分析该商店若干时间后的经营状况。 解：商店的经营状况是随机的，每月转变一次。用随机变量n X 表示第n 个月的经营状况，称为经营系统的状态.1,2 n X =分别表示 好与不好，0,1,n = 。用() i a n 表示第n 月处于状态i 的概率（1,2i =） 即()()i n a n P X i ==，ij p 表示本月处于状态i ，下月转为状态j 的概率。 这里1 n X +无后效性，只取决于n X 和ij p 。 112112220.5,0.4,0.5,0.6p p p p ==∴== 根据全概率公式可以得到： 11112212112222 (1)()()0.50.5(1)()(1)()()0.4 0.6a n a n p a n p a n a n P P a n a n p a n p +=+??? ?+==? ?+=+?? ? 假设这个递推公式存在极限w ，有w w P = ，即()0w P E -=。于 是当经营状况好或孬时，经计算可以得到下面的结果

利用马尔柯夫链对天津市恩格尔系数的实证分析

利用马尔柯夫链对天津市恩格尔系数的实证分析 把天津市恩格尔系数的变化过程看成是一个马尔可夫链，并针对恩格尔系数的特点引入恩格尔系数增减率，建立天津市恩格尔系数变化对马尔可夫链模型，并进行预测分析，以供有关方面参考。 标签：马尔柯夫链天津市恩格尔系数 1 分析背景 恩格尔系数是从一个方面反映一个国家或地区消费结构状况，衡量居民生活水平高低，且被世界各国广泛采用的消费结构指标。联合国粮农组织(FAO)根据各国的消费习惯，利用恩格尔系数对一个国家或地区的居民生活质量提出了一个相对标准，即60%以上为绝对贫困，50%-60%为勉强度日，40%-50%为小康，30%-40%为富裕，30%以下为最富裕。联合国粮农组织的这一举措，使恩格尔系数成为评价国家或地区生活水平高低的重要标准之一，恩格尔系数和恩格尔定律得到了广泛的认同。 中国从改革开放以来，随着经济发展，居民收入差距扩大，消费档次逐步拉开，引起人们对恩格尔系数普遍关注。另外，中国宣布“总体达到小康”，其衡量标准之一就是恩格尔系数。我国劳动和社会保障部确定最低工资标准的方法之一就是恩格尔系数法。因此研究恩格尔系数具有和重要的现实意义。 2 马尔可夫链 马尔可夫链的数学定义为：设随机过程的状态空间S为R中的可列集。如果对T中任意n个参数t1＜t2＜…tn，以及使 成立的S中任意状态i1，…in-1与in均有则称为马尔可夫链。设I为离散的马尔可夫链的状态空间。称条件概率 ，为的h步转移概率。转移概率表示已知过程在m的马尔可夫链称为齐次马尔可夫链。此时，k步转移概率可以记为p(k)。当时k=1，称为一步转移概率，简记为p；并且p(k)=pk，k≥1。概率转移矩阵中的元素具有非负性以及行和为1两个性质。 应用马尔可夫链的方法预测的基本思路是:如果某种事物或某种现象的各状态的时间序列为马尔可夫链，则根据T(u-1)时刻的状态估计或预报T(u)时刻的状态。对于一个符合马尔可夫过程的时间序列，先根据具体情况，将其划分成若干离散的状态，再计算一阶转移概率矩阵。由T(u-1)时刻的S(u-1)某状态，经一步转移到T(u)时刻的S(u)某状态的概率，称为一步转移概率。一步转移概率为：，其中ωu为状态S(u)出现的次数，ωuk为从状态S(u)转移到状态S(k)的次数，puk 为由状态S(u)经过一阶转移到状态S(k)的转移概率。

马尔可夫链

3．5 马尔可夫链预测方法 一、基于绝对分布的马尔可夫链预测方法 对于一列相依的随机变量，用步长为一的马尔可夫链模型和初始分布推算出未来时段的绝对分布来做预测分析方法，称为“基于绝对分布的马尔可夫链预测方法”，不妨记其为“ADMCP 法”。其具体方法步骤如下: 1．计算指标值序列均值x ，均方差s ，建立指标值的分级标准，即确定马尔可夫链的状态空间I ，这可根据资料序列的长短及具体间题的要求进行。例如，可用样本均方差为标准，将指标值分级，确定马尔可夫链的状态空间 I =[1, 2，…，m ]； 2．按步骤1所建立的分级标准，确定资料序列中各时段指标值所对应的状态； 3．对步骤2所得的结果进行统计计算，可得马尔可夫链的一步转移概率矩阵1P ，它决定了指标值状态转移过程的概率法则； 4．进行“马氏性” 检验； 5．若以第1时段作为基期，该时段的指标值属于状态i ，则可认为初始分布为 (0)(0,,0,1,0,0)P = 这里P (0)是一个单位行向量，它的第i 个分量为1，其余分量全为0。于是第2时段的绝对分布为 1(1)(0)P P P =12((1),(1),,(1))m p p p = 则第2时段的预测状态j 满足：(1)max{(1),}j i p p i I =∈； 同样预测第k ＋1时段的状态，则有 1()(0)k P k P P =12((),(),,())m p k p k p k = 得到所预测的状态j 满足: ()max{(),}j i p k p k i I =∈ 6．进一步对该马尔可夫链的特征(遍历性、平稳分布等)进行分析。 二、叠加马尔可夫链预测方法 对于一列相依的随机变量，利用各种步长的马尔可夫链求得的绝对分布叠加来做预测分析，的方法，称为“叠加马尔可夫链预测方法”，不妨记其为“SPMCP 法’。其具体方法步骤如下: 1) 计算指标值序列均值x ，均方差s ，建立指标值的分级标准(相当于确定马尔可夫链的状态空间)，可根据资料序列的长短及具体问题的要求进行； 2) 按1)所建立的分级标准，确定资料序列中各时段指标值所对应的状态； 3) 对2)所得的结果进行统计，可得不同滞时(步长)的马尔可夫链的转移概率矩阵，它决定了指标值状态转移过程的概率法则； 4) 马氏性检验； 5) 分别以前面若干时段的指标值为初始状态，结合其相应的各步转移概率矩阵即可预测出该时段指标值的状态概率 (6)将同一状态的各预测概率求和作为指标值处于该状态的预测概率，即 ,所对应的i 即为该时段指标值的预测状态。待该时段的指标值确定之后，将其加 入到原序列之中，再重复步骤"(1)一(6)"，可进行下时段指标值状态的预测。 (7)可进一步对该马尔可夫链的特征(遍历性、平稳分布等)进行分析。

马尔可夫链模型讲解

马尔可夫链模型（Markov Chain Model） 目录 [隐藏] 1 马尔可夫链模型概述 2 马尔可夫链模型的性质 3 离散状态空间中的马尔可夫链模 型 4 马尔可夫链模型的应用 o 4.1 科学中的应用 o 4.2 人力资源中的应用 5 马尔可夫模型案例分析[1] o 5.1 马尔可夫模型的建立 o 5.2 马尔可夫模型的应用 6 参考文献 [编辑] 马尔可夫链模型概述 马尔可夫链因安德烈·马尔可夫（Andrey Markov，1856－1922）得名，是数学中具有马尔可夫性质的离散时间随机过程。该过程中，在给定当前知识或信息的情况下，过去（即当期以前的历史状态）对于预测将来（即当期以后的未来状态）是无关的。 时间和状态都是离散的马尔可夫过程称为马尔可夫链, 简记为 。 马尔可夫链是随机变量的一个数列。这些变量的范围，即他们所有可能取值的集合，被称为“状态空间”，而Xn的值则是在时间n的状态。如果Xn + 1对于过去状态的条件概率分布仅是Xn的一个函数，则 这里x为过程中的某个状态。上面这个恒等式可以被看作是马尔可夫性质。

马尔可夫在1906年首先做出了这类过程。而将此一般化到可数无限状态空间是由柯尔莫果洛夫在1936年给出的。 马尔可夫链与布朗运动以及遍历假说这两个二十世纪初期物理学重要课题是相联系的，但马尔可夫寻求的似乎不仅于数学动机，名义上是对于纵属事件大数法则的扩张。 马尔可夫链是满足下面两个假设的一种随机过程： 1、t+l时刻系统状态的概率分布只与t时刻的状态有关，与t时刻以前的状态无关； 2、从t时刻到t+l时刻的状态转移与t的值无关。一个马尔可夫链模型可表示为=(S，P，Q)，其中各元的含义如下： 1）S是系统所有可能的状态所组成的非空的状态集，有时也称之为系统的状态空间，它可以是有限的、可列的集合或任意非空集。本文中假定S是可数集(即有限或可列)。用小写字母i,j(或S i,S j)等来表示状态。 2）是系统的状态转移概率矩阵，其中P ij表示系统在时刻t处于状态i，在下一时刻t+l处于状态i的概率，N是系统所有可能的状态 的个数。对于任意i∈s，有。 3）是系统的初始概率分布，q i是系统在初始时刻处 于状态i的概率，满足。 [编辑] 马尔可夫链模型的性质 马尔可夫链是由一个条件分布来表示的 P(X | X n) n+ 1 这被称为是随机过程中的“转移概率”。这有时也被称作是“一步转移概率”。二、三，以及更多步的转移概率可以导自一步转移概率和马尔可夫性质：

马尔可夫链预测方法

马尔可夫链预测方法 一、基于绝对分布的马尔可夫链预测方法 对于一列相依的随机变量，用步长为一的马尔可夫链模型和初始分布推算出未来时段的绝对分布来做预测分析方法，称为“基于绝对分布的马尔可夫链预测方法”，不妨记其为“ADMCP 法”。其具体方法步骤如下: 1．计算指标值序列均值x ，均方差s ，建立指标值的分级标准，即确定马尔可夫链的状态空间I ，这可根据资料序列的长短及具体间题的要求进行。例如，可用样本均方差为标准，将指标值分级，确定马尔可夫链的状态空间 I =[1, 2，…，m ]； 2．按步骤1所建立的分级标准，确定资料序列中各时段指标值所对应的状态； 3．对步骤2所得的结果进行统计计算，可得马尔可夫链的一步转移概率矩阵1P ，它决定了指标值状态转移过程的概率法则； 4．进行“马氏性” 检验； 5．若以第1时段作为基期，该时段的指标值属于状态i ，则可认为初始分布为 (0)(0,,0,1,0,0)P = 这里P (0)是一个单位行向量，它的第i 个分量为1，其余分量全为0。于是第2时段的绝对分布为 1(1)(0)P P P =12((1),(1),,(1))m p p p = 则第2时段的预测状态j 满足：(1)max{(1),}j i p p i I =∈； 同样预测第k ＋1时段的状态，则有 1()(0)k P k P P =12((),(),,())m p k p k p k = 得到所预测的状态j 满足: ()max{(),}j i p k p k i I =∈ 6．进一步对该马尔可夫链的特征(遍历性、平稳分布等)进行分析。 二、叠加马尔可夫链预测方法 对于一列相依的随机变量，利用各种步长的马尔可夫链求得的绝对分布叠加来做预测分析，的方法，称为“叠加马尔可夫链预测方法”，不妨记其为“SPMCP 法’。其具体方法步骤如下: 1) 计算指标值序列均值x ，均方差s ，建立指标值的分级标准(相当于确定马尔可夫链的状态空间)，可根据资料序列的长短及具体问题的要求进行； 2) 按1)所建立的分级标准，确定资料序列中各时段指标值所对应的状态； 3) 对2)所得的结果进行统计，可得不同滞时(步长)的马尔可夫链的转移概率矩阵，它决定了指标值状态转移过程的概率法则； 4) 马氏性检验； 5) 分别以前面若干时段的指标值为初始状态，结合其相应的各步转移概率矩阵即可预测出该时段指标值的状态概率 (6)将同一状态的各预测概率求和作为指标值处于该状态的预测概率，即 ,所对应的i 即为该时段指标值的预测状态。待该时段的指标值确定之后，将其加 入到原序列之中，再重复步骤"(1)一(6)"，可进行下时段指标值状态的预测。 (7)可进一步对该马尔可夫链的特征(遍历性、平稳分布等)进行分析。