课上练习题_连续时间马尔科夫链 619
6.2 Suppose that a one-celled organism can be in one of two states-either A or B. An individual in state A will change to state B at an exponential rate α; an individual in state B divides into two new individuals of type A at an exponential rate β. Define an appropriate continuous-time Markov chain for a population of such organisms and determine the appropriate parameters for this model.
6.3 Consider two machines that are maintained by a single repairman. Machine i functions for an exponential time with rate μbefore breaking down, i = 1,2. The repair times (for either i
machine) are exponential with rate μ. Can we analyze this as a birth and death process? If so, what are the parameters? If not, how can we analyze it?
6.8 Consider two machines, both of which have an exponential
1. There is a single repairman that can lifetime with mean
λ
service machines at an exponential rate μ. Set up the Kolmogorov backward equations; you need not solve them.
6.9 The birth and death process with parameters λ=
μ
μ
,0,n>0 is called a pure death process. Find P ij(t).
=
n
n
6.13 A small barbershop, operated by a single barber, has room for at most two customers. Potential customers arrive at a Poisson rate of three per hour, and the successive service times are independent exponential random variables with mean 1/4 hour. What is
(a) the average number of customers in the shop?
(b) the proportion of potential customers that enter the shop?
(c) If the barber could work twice as fast, how much more business would he do?
6.14 Potential customers arrive at a full-service, one-pump gas
station at a Poisson rate of 20 cars per hour. However, customers will only enter the station for gas if there are no more than two cars(including the on currently being attended to) at the pump. Suppose the amount of time required to service a car is exponentially distributed with a mean of five minutes.
(a) What fraction of the attendant ’s time will be spent
servicing cars?
(b) What fraction of potential customers are lost?
6.19 A single repairperson looks after both machines 1 and 2. Each time it is repaired, machine i stays up for an exponential time with rate 2,1,=i i λ. When machine i fails, it requires an exponential distributed amount of time with rate i μ to complete its repair. The repairperson will always service machine 1 when it is down. For instance, if machine 1 fails when 2 is being repaired, then the repairperson will immediately stop work on machine 2 and start on 1. What proportion of time is machine 2 down?
6.23 A job shop consists of three machines and two repairmen. The amount of time a machine works before breaking down is exponentially distributed with mean 10. If the amount of time it takes a single repairman to fix a machine is exponentially distributed with mean 8, then
(a) What is the average number of machines not in use?
(b) What proportion of time are both repairmen busy?
6.24 Consider a taxi station where taxis and customers arrive in accordance with Poisson processes with respective rates of one and two per minute. A taxi will wait no matter how many other taxis are present. However, an arriving customer that does not find a taxi waiting leaves. Find
(a) the average number of taxis waiting
(b) the proportion of arriving customers that get taxis.
随机过程 第五章 连续时间的马尔可夫链
第五章 连续时间的马尔可夫链 5.1连续时间的马尔可夫链 考虑取非负整数值的连续时间随机过程}.0),({≥t t X 定义5.1 设随机过程}.0),({≥t t X ,状态空间}0,{≥=n i I n ,若对任意 121...0+<<<≤n t t t 及I i i i n ∈+121,...,,有 })(,...)(,)()({221111n n n n i t X i t X i t X i t X P ====++ =})()({11n n n n i t X i t X P ==++ (5.1) 则称}.0),({≥t t X 为连续时间马尔可夫链. 由定义知,连续时间马尔可夫链是具有马尔可夫性的随机过程,即过程在已知现在时刻n t 及一切过去时刻所处状态的条件下,将来时刻1+n t 的状态只依赖于现在状态而与过去无关. 记(5.1)式条件概率一般形式为 ),(})()({t s p i s X j t s X P ij ===+ (5.2) 它表示系统在s 时刻处于状态i,经过时间t 后转移到状态j 的转移概率. 定义5.2 若(5.2)式的转移概率与s 无关,则称连续时间马尔可夫链具有平稳的或齐次的转移概率,此时转移概率简记为 ),(),(t p t s p ij ij = 其转移概率矩阵简记为).0,,()),(()(≥∈=t I j i t p t P ij 以下的讨论均假定我们所考虑的连续时间马尔可夫链都具有齐次转移概率.简称为齐次马尔可夫过程. 假设在某时刻,比如说时刻0,马尔可夫链进入状态i,而且接下来的s 个单位时间单位中过程未离开状态i,(即未发生转移),问随后的t 个单位时间中过程仍不离开状态i 的概率是多少呢?由马尔可夫我们知道,过程在时刻s 处于状态i 条件下,在区间[s,s+t]中仍然处于i 的概率正是它处于i 至少t 个单位的无条件概率..若记 i h 为记过程在转移到另一个状态之前停留在状态i 的时间,则对一切s,t 0≥有 },{}{t h P s h t s h P i i i >=>+> 可见,随机变量i h 具有无记忆性,因此i h 服从指数分布. 由此可见,一个连续时间马尔可夫链,每当它进入状态i,具有如下性质: (1) 在转移到另一状态之前处于状态i 的时间服从参数为i v 的指数分布;
随机过程——马尔可夫过程的应用
随机过程——马尔可夫过程的应用 年级：2013级 专业：通信工程3班 姓名：李毓哲 学号：31
摘要：随机信号分析与处理是研究随机信号的特点及其处理方法的专业基础， 是目标检测、估计、滤波灯信号处理理论的基础，在通信、雷达、自动检测、随机振动、图像处理、气象预报、生物医学、地震信号处理等领域有着广泛的应用，随着信息技术的发展，随机信号分析与处理的理论讲日益广泛与深入。 随机过程是与时间相关的随机变量，在确定的时刻它是随机变量。随机过程的具体取值称作其样本函数，所有样本函数构成的集合称作随机过程的样本函数空间，所有样本函数空间及其统计特性即构成了随机过程。通信工程中存在大量的随机现象和随机问题。如：信源是随机过程；信道不仅对随机过程进行了变换，而且会叠加随机噪声等。 马尔可夫过程是一类非常重要的随机过程。随着现代科学技术的发展，很多在应用中出现的马氏过程模型的研究受到越来越多的重视。在现实世界中，有很多过程都是马尔可夫过程，马尔可夫过程在研究质点的随机运动、自动控制、通信技术、生物工程等领域中有着广泛的应用。我们可以通过对马尔可夫过程的研究来分析马尔可夫信源的特性。 关键词：随机过程，马尔可夫过程，通信工程，应用
目录 一、摘要 二、随机过程 、随机过程的基本概念及定义 、随机过程的数学描述 、基于MATLAB的随机过程分析方法三、马尔可夫过程 马尔可夫过程的概念 马尔可夫过程的数学描述 四、马尔可夫过程的应用 马尔可夫模型在通信系统中的应用 马尔可夫模型在语音处理的应用 马尔可夫模型的其他应用 五、结论 参考文献
二、随机过程 、随机过程的基本概念及定义 自然界变换的过程通常可以分为两大类——确定过程和随机过程。如果每次试验所得到的观测过程都相同，且都是时间t的一个确定函数，具有确定的变换规律，那么这样的过程就是确定过程。反之，如果每次试验所得到观测过程都不相同，是时间t的不同函数，没有为确定的变换规律，这样的过程称为随机过程。 、随机过程的数学描述 设随机试验E的样本空间Ω，T是一个数集（T∈(-∞,∞)），如果对于每一个t ∈T，都有一个定义在样本空间Ω上的随机变量 X(w,t)，w∈Ω，则称依赖于t的一族随机变量{X(w,t)，t∈T}为随机过程或随机函数，简记为{X(t)，t∈T }或X(t)，其中t称为参数，T称为参数集。当T={0,1,2,…}，T={1,2,…}，T={…,-2,-1,0,1,2,…}时，{X(w,t)t∈T}称为随机序列或时间序列。 、基于MATLAB的典型随机过程的仿真 信号处理仿真分析中都需要模拟产生各种随机序列，通常都是先产生白噪声序列，然后经过变换得到相关的随机序列，MATLAB有许多产生各种分布白噪声的函数。
随机过程与马尔可夫链习题答案
信息论与编码课程习题1——预备知识 概率论与马尔可夫链 1、某同学下周一上午是否上课，取决于当天情绪及天气情况，且当天是否下雨与心情好坏没有关系。若下雨且心情好，则50%的可能会上课；若不下雨且心情好，则有10%的可能性不上课；若不下雨且心情不好则有40%的可能性上课；若下雨且心情不好，则有90%的可能不会上课。假设当天下雨的概率为30%，该同学当天心情好的概率为20%，试计算该同学周一上课的可能性是多大？ 分析： 天气情况用随机变量X 表示，“0”表示下雨，“1”表示不下雨；心情好坏用Y 表示，“0”表示心情好用“0”表示，心情不好用“1”表示；是否上课用随机变量Z 表示，“0”表示上课，“1”表示不上课。由题意可知 已知[]5.00,0|0====Y X Z P ，[]5.00,0|1====Y X Z P []1.00,1|1====Y X Z P ，[]9.00,1|0====Y X Z P []4.01,1|0====Y X Z P ，[]6.01,1|1====Y X Z P []9.01,0|1====Y X Z P ，[]1.01,0|0====Y X Z P []3.00==X P ，[]7.01==X P []2.00==Y P ，[]8.01==Y P 即题目实际上给出了八个个条件概率和四个概率 [][][][]0,0|00|000===?==?===X Y Z P X Y P X P Z P [][][]0,1|00|10===?==?=+X Y Z P X Y P X P [][][]1,0|01|01===?==?=+X Y Z P X Y P X P [][][]1,1|01|11===?==?=+X Y Z P X Y P X P 由于X ，Y 相互独立，则有 [][][][]0,0|0000===?=?===X Y Z P Y P X P Z P [][][]0,1|010===?=?=+X Y Z P Y P X P [][][]1,0|001===?=?=+X Y Z P Y P X P [][][]1,1|011===?=?=+X Y Z P Y P X P []5.02.03.00??==Z P 1.08.03.0??+9.02.07.0??+1.08.07.0??+ =? 注意：全概率公式的应用 2、已知随机变量X 和Y 的联合分布律如又表所示， 且()Y X Y X g Z +==2 11,，()Y X Y X g Z /,22==，求： 1）1Z 的分布律与数学期望
第五章 连续时间的Markov链
第五章 连续时间的马尔可夫链 第四章我们讨论了时间和状态都是离散的M arkov 链，本章我们研究的是时间连续、状态离散的M arkov 过程，即连续时间的M arkov 链. 连续时间的M arkov 链可以理解为一个做如下运动的随机过程：它以一个离散时间M arkov 链的方式从一个状态转移到另一状态，在两次转移之间以指数分布在前一状态停留. 这个指数分布只与过程现在的状态有关，与过去的状态无关（具有无记忆性），但与将来转移到的状态独立. 5.1 连续时间马尔可夫链的基本概念 定义 5.1 设随机过程{(),0}X t t ≥，状态空间{,1}n I i n =≥，若对任意的正整数 1210n t t t +≤<<< 及任意的非负整数121,,,n i i i I +∈ ，条件概率满足 {}111122()|(),(),,()n n n n P X t i X t i X t i X t i ++==== {}11()|()n n n n P X t i X t i ++=== （5.1） 则称{(),0}X t t ≥为连续时间的M arkov 链. 由定义知，连续时间的M arkov 链是具有M arkov 性（或称无后效性）的随机过程，它的直观意义是：过程在已知现在时刻n t 及一切过去时刻所处状态的条件下，将来时刻1n t +的状态只依赖于现在的状态而与过去的状态无关. 记(5.1)式条件概率的一般形式为 {()|()}(,)ij P X s t j X s i p s t +=== （5.2） 它表示系统在s 时刻处于状态i ，经过时间t 后在时刻s t +转移到状态j 的转移概率，通常称它为转移概率函数.一般地，它不仅与t 有关，还与s 有关. 定义 5.2 若(5.2)式的转移概率函数与s 无关，则称连续时间M arkov 链具有平稳的转移概率函数，称该M arkov 链为连续时间的齐次（或时齐）M arkov 链. 此时转移概率函数简记为(,)()ij ij p s t p t =.相应地，转移概率矩阵简记为()(()),(,,0)ij P t p t i j I t =∈≥. 若状态空间{0,1,2,}I = ，则有 ()00010210 11 12 012() ()() ...()()()()()... ... .. ....()()( )...... .. .... ij n n n p t p t p t p t p t p t P t p t p t p t p t ?? ? ? ?== ? ? ?? ? （5.3） 假设在某时刻，比如说时刻0，M arkov 链进入状态i ，在接下来的s 个单位时间内过程 未离开状态i （即未发生转移），我们要讨论的问题是在随后的t 个单位时间中过程仍不离开状态i 的概率是多少？由M arkov 性知，过程在时刻s 处于状态i 的条件下，在区间[,] s s t +
用MATLAB仿真markov链程序
用MATLAB仿真markov链程序 说明：我们知道markov链由一个状态跳到下个状态的和为1，而MATLAB中，rand 函数可以等概率产生区间[0,1]之间的数。例如从状态1跳到状态1,2,3的概率分别为0.3、0.4、0.4。所以我们可以使用rand(1)<=0.3、0.3
1 2 Columns 14 through 26 1 3 1 3 2 3 1 2 1 3 1 3 2 Columns 27 through 39 3 1 2 1 3 1 3 1 2 1 2 3 2 Columns 40 through 52 3 1 3 2 1 3 1 2 1 2 1 2 1 Columns 53 through 65 2 3 2 1 2 1 3 1 2 3 1 2 1 Columns 66 through 78 2 1 3 2 3 1 2 1 3 1 2 1 3 Columns 79 through 91 2 3 1 3 1 3 1 3 1 2 3 2 1 Columns 92 through 101 3 2 1 2 1 2 3 2 3 2
马尔科夫链matlab代码
马尔科夫链 %This is programmed for calculating the Markov-chain state transfer probability(First order) matrice! %This program is based on 4 thresholds,that is, the transfer probability matrice is 4x4. %Follow the notes to conduct the processing. %Coded by EOS %Nanchang China clear clc %A=csvread('widetype.csv');% % or manually define via "A=[ ]". A=[] %A is the information matrix which must be adjusted to wide-type,i(section)-j(time)%% out=zeros(4,4);%Initialize the transfering probability(First order) matrice [r1,r2,r3]=deal(1.009, 1.285, 1.7256);%%!!!Define the state threshold value manually. flag=0;trans=zeros(4,4); s0=zeros(1,4);epro=zeros(10,4); for i=1:10 if A(i,1)< r1 s0(1,1)=s0(1,1)+1; elseif A(i,1)>= r1 && A(i,1) H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计（论文） 课程名称：应用随机过程 设计题目：马尔可夫过程的发展与应用 院系：电子信息与工程学院 班级：通信一班 设计者： 学号： 指导教师：田波平 设计时间： 2009/12/17 马尔可夫链(过程)的发展与应用 1. 随机过程发展简述 在当代科学与社会的广阔天地里，人们都可以看到一种叫作随机过程的数学模型：从银河亮度的起伏到星系空间的物质分布、从分子的布朗运动到原子的蜕变过程，从化学反应动力学到电话通讯理论、从谣言的传播到传染病的流行、从市场预测到密码破译，随机过程理论及其应用几乎无所不在。 一些特殊的随机过程早已引起注意，例如1907年前后，Α.Α.马尔可夫研究过一列有特定相依性的随机变量，后人称之为马尔可夫链（见马尔可夫过程）；又如1923年N.维纳给出了布朗运动的数学定义（后人也称数学上的布朗运动为维纳过程），这种过程至今仍是重要的研究对象。虽然如此，随机过程一般理论的研究通常认为开始于30年代。1931年，Α.Η.柯尔莫哥洛夫发表了《概率论的解析方法》；三年后，Α.Я.辛钦发表了《平稳过程的相关理论》。这两篇重要论文为马尔可夫过程与平稳过程奠定了理论基础。稍后，P.莱维出版了关于布朗运动与可加过程的两本书，其中蕴含着丰富的概率思想。1953年，J.L.杜布的名著《随机过程论》问世，它系统且严格地叙述了随机过程的基本理论。1951年伊藤清建立了关于布朗运动的随机微分方程的理论(见随机积分)，为研究马尔可夫过程开辟了新的道路；近年来由于鞅论的进展，人们讨论了关于半鞅的随机微分方程；而流形上的随机微分方程的理论，正方兴未艾。60年代，法国学派基于马尔可夫过程和位势理论中的一些思想与结果，在相当大的程度上发展了随机过程的一般理论，包括截口定理与过程的投影理论等，中国学者在平稳过程、马尔可夫过程、鞅论、极限定理、随机微分方程等方面也做出了较好的工作。 2. 马尔可夫过程发展 2.1 马尔可夫过程简介 马尔科夫过程(MarKov Process)是一个典型的随机过程。设X(t)是一随机过程，当过程在时刻t0所处的状态为已知时，时刻t(t>t0)所处的状态与过程在t0时刻之前的状态无关，这个特性成为无后效性。无后效的随机过程称为马尔科夫过程。马尔科夫过程中的时同和状态既可以是连续的，又可以是离散的。我们称时间离散、状态离散的马尔科夫过程为马尔科夫链。马尔科夫链中，各个时刻的状态的转变由一个状态转移的概率矩阵控制。 2.2 马尔可夫过程的发展 20世纪50年代以前，研究马尔可夫过程的主要工具是微分方程和半群理论（即分析方法）；1936年前后就开始探讨马尔可夫过程的轨道性质，直到把微分方程和半群理论的分析方法同研究轨道性质的概率方法结合运用，才使这方面的研究工作进一步深化，并形成了对轨道分析必不可少的强马尔可夫性概念。1942年，伊藤清用他创立的随机积分和随机微分方程理论来研究一类特殊而重要的马尔可夫过程──扩散过程，开辟了研究马尔可夫过程的又一重要途径。 6.2 Suppose that a one-celled organism can be in one of two states-either A or B. An individual in state A will change to state B at an exponential rate α; an individual in state B divides into two new individuals of type A at an exponential rate β. Define an appropriate continuous-time Markov chain for a population of such organisms and determine the appropriate parameters for this model. 6.3 Consider two machines that are maintained by a single repairman. Machine i functions for an exponential time with rate μbefore breaking down, i = 1,2. The repair times (for either i machine) are exponential with rate μ. Can we analyze this as a birth and death process? If so, what are the parameters? If not, how can we analyze it? Monte Carlo Simulation Methods (蒙特卡罗模拟方法) 主要内容: 1.各种随机数的生成方法. 2.MCMC方法. 1 2 从Buffon 投针问题谈起 Buffon 投针问题:平面上画很多平行线，间距为a ．向此平面投掷长 为l (l < a) 的针, 求此针与任一平行线相交的概率p 。 22[0,/2] [0,] sin ,{:sin }. l l a X A X 随机投针可以理解成针的中心 点与最近的平行线的距离X 是均匀 地分布在区间 上的r.v.，针 与平行线的夹角是均匀地分布 在区间 上的r.v.，且X 与相互独立， 于是针与平行线相交的充要条件为 即相交 3Buffon 投针问题 2sin 0022(sin ) 2l l l p P X dxd a a 于是有： 2l ap 若我们独立重复地作n 次投针试验，记 ()n A 为A 发生的次数。()n f A 为A 在n 次中出现的频率。假如我们取 ()n f A 作为()p P A 的估计，即?()n p f A 。 然后取2?() n l af A 作为的估计。根据大数定律，当n 时，..?().a s n p f A p 从而有2?()P n l af A 。这样可以用随机试验的方法求得的估计。历史上 有如下的试验结果。 4 3.14159292 180834080.831925Lazzarini 3.1595148910300.751884Fox 3.15665121832040.601855Smith 3.15956253250000.801850Wolf π的估计值相交次数投针次数针长时间(年)试验者 Package‘coda’ October16,2015 Version0.18-1 Date2015-10-16 Title Output Analysis and Diagnostics for MCMC Depends R(>=2.14.0) Imports lattice Description Provides functions for summarizing and plotting the output from Markov Chain Monte Carlo(MCMC)simulations,as well as diagnostic tests of convergence to the equilibrium distribution of the Markov chain. License GPL(>=2) NeedsCompilation no Author Martyn Plummer[aut,cre,trl], Nicky Best[aut], Kate Cowles[aut], Karen Vines[aut], Deepayan Sarkar[aut], Douglas Bates[aut], Russell Almond[aut], Arni Magnusson[aut] Maintainer Martyn Plummer 5 连续时间马尔可夫链 5.1引言 本章中我们考虑与离散时间马尔可夫链类似的连续时间马尔可夫链。如离散情形一样，它们由马尔可夫性刻画，即已知现在的状态时将来与过去独立。 在5.2节中。我们定义连续时间马尔可夫链且把它们与第四章的离散时间马尔可夫链相联系。在5.3节中，我们引入一类重要的连续时间马尔可夫链，即所谓生灭过程。这些过程可用作在任何时刻其总量的变化仅为一个单位的群体的模型。在5.4节中，我们导出两组描述系统的概率规律的微分方程——向前与向后方程。5.5节的内容是确定连续时间马尔可夫链的有关的极限（或长时间后的）概率。在5.6节中，我们考虑时间可逆的问题。其中，我们证明一切生灭过程是时间可逆的，而后阐明这事实对于排队系统的重要性。在这一节中也提供了时间可逆性对随机群体模型的应用。在5.7节中，我们阐明逆向链的重要性，即使过程不是时间可逆的。利用它我们研究排队网络模型。导出爱尔朗消失公式，分析共用加工系统。5.8节中我们表面如何“一致化”马尔可夫链——对于数值计算有用的一种技巧。 5.2连续时间马尔可夫链 考虑取非负整数值的连续时间随机过程t,0 X t，与第四章中给出的离散时间马尔可夫链的定义类似，过程t,0 X t称为连续时间马尔可夫链，如 果对一切,0 s t及非负整数,i j，x u，0u s，有 |X,X,0 P X t s j s i u x u u s P X t s j X s i | 换言之，连续时间马尔可夫链是具有马尔可夫性的随机过程，即已知现在s时是状态及一切过去的状态的套件下在将来时刻t s的状态的条件分布只依赖现在的状态而与过去独立。若又有| P X t s j X s i与s无关则称连续时间马尔可夫链具有平稳的或其次的转移概率。将假定我们所考虑的马尔可夫链都有平稳转移概率。 假设在某时刻，比如说时刻0，马尔可夫链进入状态i，而且假设在接下来的s个单位时间中过程未离开状态i（即未发生转移）。在随后的t个单位时间中过程仍不离开状态i的概率是多少呢？为了回答这个问题。注意到因为在时间s 过程处于状态i，从马尔可夫性得在区间,s s t中它仍然处于状态i的概率正是 记过程在转移到他处于状态i至少t个单位时间的（无条件）概率。也即若以 i 另一状态之前停留在状态i的时间，则对一切,0 s t有 | P s t s P t i i i马尔可夫过程的发展和应用
课上练习题_连续时间马尔科夫链 619
蒙特卡罗马尔科夫链模拟方法MCMC
马尔科夫链分析、绘制与诊断
连续时间马尔可夫链