Марковская цепь. Марковские цепи 1.2 определение и способы задания цепи маркова

(Андрей Андреевич Марков (1856-1922) – русский математик, академик)

Определение. Процесс, протекающий в физической системе, называется Марковским , если в любой момент времени вероятность любого состояния системы в будущем зависит только от состояния системы в текущий момент и не зависит от того, каким образом система пришла в это состояние.

Определение. Цепью Маркова называется последовательность испытаний, в каждом из которых появляется только одно из K несовместных событий Ai из полной группы. При этом условная вероятность Pij (S ) того, что в S –ом испытании наступит событие Aj при условии, что в (S – 1 ) – ом испытании наступило событие Ai , не зависит от результатов предшествующих испытаний.

Независимые испытания являются частным случаем цепи Маркова. События называются Состояниями системы , а испытания – Изменениями состояний системы .

По характеру изменений состояний цепи Маркова можно разделить на две группы.

Определение. Цепью Маркова с дискретным временем Называется цепь, изменение состояний которой происходит в определенные фиксированные моменты времени. Цепью Маркова с непрерывным временем Называется цепь, изменение состояний которой возможно в любые случайные моменты времени.

Определение. Однородной Называется цепь Маркова, если условная вероятность Pij перехода системы из состояния I В состояние J не зависит от номера испытания. Вероятность Pij называется Переходной вероятностью .

Допустим, число состояний конечно и равно K .

Тогда матрица, составленная из условных вероятностей перехода будет иметь вид:

Эта матрица называется Матрицей перехода системы .

Т. к. в каждой строке содержаться вероятности событий, которые образуют полную группу, то, очевидно, что сумма элементов каждой строки матрицы равна единице.

На основе матрицы перехода системы можно построить так называемый Граф состояний системы , его еще называют Размеченный граф состояний . Это удобно для наглядного представления цепи. Порядок построения граф рассмотрим на примере.

Пример. По заданной матрице перехода построить граф состояний.

Т. к. матрица четвертого порядка, то, соответственно, система имеет 4 возможных состояния.

На графе не отмечаются вероятности перехода системы из одного состояния в то же самое. При рассмотрении конкретных систем удобно сначала построить граф состояний, затем определить вероятность переходов системы из одного состояния в то же самое (исходя из требования равенства единице суммы элементов строк матрицы), а потом составить матрицу переходов системы.

Пусть Pij (N ) – вероятность того, что в результате N испытаний система перейдет из состояния I в состояние J , R – некоторое промежуточное состояние между состояниями I И J . Вероятности перехода из одного состояния в другое Pij (1) = Pij .

Тогда вероятность Pij (N ) может быть найдена по формуле, называемой Равенством Маркова :

Здесь Т – число шагов (испытаний), за которое система перешла из состояния I В состояние R .

В принципе, равенство Маркова есть ни что иное как несколько видоизменная формула полной вероятности.

Зная переходные вероятности (т. е. зная матрицу перехода Р1 ), можно найти вероятности перехода из состояния в состояние за два шага Pij (2) , т. е. матрицу Р2 , зная ее – найти матрицу Р3 , и т. д.

Непосредственное применений полученной выше формулы не очень удобно, поэтому, можно воспользоваться приемами матричного исчисления (ведь эта формула по сути – не что иное как формула перемножения двух матриц).

Тогда в общем виде можно записать:

Вообще то этот факт обычно формулируется в виде теоремы, однако, ее доказательство достаточно простое, поэтому приводить его не буду.

Пример. Задана матрица переходов Р1 . Найти матрицу Р3 .

Определение. Матрицы, суммы элементов всех строк которых равны единице, называются Стохастическими . Если при некотором П все элементы матрицы Рп не равны нулю, то такая матрица переходов называется Регулярной .

Другими словами, регулярные матрицы переходов задают цепь Маркова, в которой каждое состояние может быть достигнуто через П шагов из любого состояния. Такие цепи Маркова также называются Регулярными .

Теорема. (теорема о предельных вероятностях) Пусть дана регулярная цепь Маркова с п состояниями и Р – ее матрица вероятностей перехода. Тогда существует предел и матрица Р(¥ ) имеет вид:

Создаем генератор текста на основе цепей Маркова: теория и практика

Эта статья дает общее представление о том, как генерировать тексты при помощи моделирования марковских процессов. В частности, мы познакомимся с цепями Маркова, а в качестве практики реализуем небольшой генератор текста на Python.

Для начала выпишем нужные, но пока не очень понятные нам определения со страницы в Википедии , чтобы хотя бы примерно представлять, с чем мы имеем дело:

Марковский процесс t t

Марковская цепь

Что все это значит? Давайте разбираться.

Основы

Первый пример предельно прост. Используя предложение из детской книжки , мы освоим базовую концепцию цепи Маркова, а также определим, что такое в нашем контексте корпус, звенья, распределение вероятностей и гистограммы . Несмотря на то, что предложение приведено на английском языке, суть теории будет легко уловить.

Это предложение и есть корпус , то есть база, на основе которой в дальнейшем будет генерироваться текст. Оно состоит из восьми слов, но при этом уникальных слов только пять - это звенья (мы ведь говорим о марковской цепи ). Для наглядности окрасим каждое звено в свой цвет:

И выпишем количество появлений каждого из звеньев в тексте:

На картинке выше видно, что слово «fish» появляется в тексте в 4 раза чаще, чем каждое из других слов («One», «two», «red», «blue» ). То есть вероятность встретить в нашем корпусе слово «fish» в 4 раза выше, чем вероятность встретить каждое другое слово из приведенных на рисунке. Говоря на языке математики, мы можем определить закон распределения случайной величины и вычислить, с какой вероятностью одно из слов появится в тексте после текущего. Вероятность считается так: нужно разделить число появлений нужного нам слова в корпусе на общее число всех слов в нем. Для слова «fish» эта вероятность - 50%, так как оно появляется 4 раза в предложении из 8 слов. Для каждого из остальных звеньев эта вероятность равна 12,5% (1/8).

Графически представить распределение случайных величин можно с помощью гистограммы . В данном случае, наглядно видна частота появления каждого из звеньев в предложении:

Итак, наш текст состоит из слов и уникальных звеньев, а распределение вероятностей появления каждого из звеньев в предложении мы отобразили на гистограмме. Если вам кажется, что возиться со статистикой не стоит, прочитайте . И, возможно, сохранит вам жизнь.

Суть определения

Теперь добавим к нашему тексту элементы, которые всегда подразумеваются, но не озвучиваются в повседневной речи - начало и конец предложения:

Любое предложение содержит эти невидимые «начало» и «конец», добавим их в качестве звеньев к нашему распределению:

Вернемся к определению, данному в начале статьи:

Марковский процесс - случайный процесс, эволюция которого после любого заданного значения временного параметра t не зависит от эволюции, предшествовавшей t , при условии, что значение процесса в этот момент фиксировано.

Марковская цепь - частный случай марковского процесса, когда пространство его состояний дискретно (т.е. не более чем счетно).

Так что же это значит? Грубо говоря, мы моделируем процесс, в котором состояние системы в следующий момент времени зависит только от её состояния в текущий момент, и никак не зависит от всех предыдущих состояний .

Представьте, что перед вами окно , которое отображает только текущее состояние системы (в нашем случае, это одно слово), и вам нужно определить, каким будет следующее слово, основываясь только на данных, представленных в этом окне. В нашем корпусе слова следуют одно за другим по такой схеме:

Таким образом, формируются пары слов (даже у конца предложения есть своя пара - пустое значение):

Сгруппируем эти пары по первому слову. Мы увидим, что у каждого слова есть свой набор звеньев, которые в контексте нашего предложения могут за ним следовать:

Представим эту информацию другим способом - каждому звену поставим в соответствие массив из всех слов, которые могут появиться в тексте после этого звена:

Разберем подробнее. Мы видим, что у каждого звена есть слова, которые могут стоять после него в предложении. Если бы мы показали схему выше кому-то еще, этот человек с некоторой вероятностью мог бы реконструировать наше начальное предложение, то есть корпус.

Пример. Начнем со слова «Start» . Далее выбираем слово «One» , так как по нашей схеме это единственное слово, которое может следовать за началом предложения. За словом «One» тоже может следовать только одно слово - «fish» . Теперь новое предложение в промежуточном варианте выглядит как «One fish» . Дальше ситуация усложняется - за «fish» могут с равной вероятностью в 25% идти слова «two», «red», «blue» и конец предложения «End» . Если мы предположим, что следующее слово - «two» , реконструкция продолжится. Но мы можем выбрать и звено «End» . В таком случае на основе нашей схемы будет случайно сгенерировано предложение, сильно отличающееся от корпуса - «One fish» .

Мы только что смоделировали марковский процесс - определили каждое следующее слово только на основании знаний о текущем. Давайте для полного усвоения материала построим диаграммы, отображающие зависимости между элементами внутри нашего корпуса. Овалы представляют собой звенья. Стрелки ведут к потенциальным звеньям, которые могут идти за словом в овале. Около каждой стрелки - вероятность, с которой следующее звено появится после текущего:

Отлично! Мы усвоили необходимую информацию, чтобы двигаться дальше и разбирать более сложные модели.

Расширяем словарную базу

В этой части статьи мы будем строить модель по тому же принципу, что и раньше, но при описании опустим некоторые шаги. Если возникнут затруднения, возвращайтесь к теории в первом блоке.

Возьмем еще четыре цитаты того же автора (также на английском, нам это не помешает):

«Today you are you. That is truer than true. There is no one alive who is you-er than you.»

«You have brains in your head. You have feet in your shoes. You can steer yourself any direction you choose. You’re on your own.»

«The more that you read, the more things you will know. The more that you learn, the more places you’ll go.»

«Think left and think right and think low and think high. Oh, the thinks you can think up if only you try.»

Сложность корпуса увеличилась, но в нашем случае это только плюс - теперь генератор текста сможет выдавать более осмысленные предложения. Дело в том, что в любом языке есть слова, которые встречаются в речи чаще, чем другие (например, предлог «в» мы используем гораздо чаще, чем слово «криогенный»). Чем больше слов в нашем корпусе (а значит, и зависимостей между ними), тем больше у генератора информации о том, какое слово вероятнее всего должно появиться в тексте после текущего.

Проще всего это объясняется с точки зрения программы. Мы знаем, что для каждого звена существует набор слов, которые могут за ним следовать. А также, каждое слово характеризуется числом его появлений в тексте. Нам нужно каким-то образом зафиксировать всю эту информацию в одном месте; для этой цели лучше всего подойдет словарь, хранящий пары «(ключ, значение)». В ключе словаря будет записано текущее состояние системы, то есть одно из звеньев корпуса (например, «the» на картинке ниже); а в значении словаря будет храниться еще один словарь. Во вложенном словаре ключами будут слова, которые могут идти в тексте после текущего звена корпуса («thinks» и «more» могут идти в тексте после «the» ), а значениями - число появлений этих слов в тексте после нашего звена (слово «thinks» появляется в тексте после слова «the» 1 раз, слово «more» после слова «the» - 4 раза):

Перечитайте абзац выше несколько раз, чтобы точно разобраться. Обратите внимание, что вложенный словарь в данном случае - это та же гистограмма, он помогает нам отслеживать звенья и частоту их появления в тексте относительно других слов. Надо заметить, что даже такая словарная база очень мала для надлежащей генерации текстов на естественном языке - она должна содержать более 20 000 слов, а лучше более 100 000. А еще лучше - более 500 000. Но давайте рассмотрим ту словарную базу, которая получилась у нас.

Цепь Маркова в данном случае строится аналогично первому примеру - каждое следующее слово выбирается только на основании знаний о текущем слове, все остальные слова не учитываются. Но благодаря хранению в словаре данных о том, какие слова появляются чаще других, мы можем при выборе принять взвешенное решение . Давайте разберем конкретный пример:

More:

То есть если текущим словом является слово «more» , после него могут с равной вероятностью в 25% идти слова «things» и «places» , и с вероятностью 50% - слово «that» . Но вероятности могут быть и все равны между собой:

Think:

Работа с окнами

До настоящего момента мы с вами рассматривали только окна размером в одно слово. Можно увеличить размер окна, чтобы генератор текста выдавал более «выверенные» предложения. Это значит, что чем больше окно, тем меньше будет отклонений от корпуса при генерации. Увеличение размера окна соответствует переходу цепи Маркова к более высокому порядку. Ранее мы строили цепь первого порядка, для окна из двух слов получится цепь второго порядка, из трех - третьего, и так далее.

Окно - это те данные в текущем состоянии системы, которые используются для принятия решений. Если мы совместим большое окно и маленький набор данных, то, скорее всего, каждый раз будем получать одно и то же предложение. Давайте возьмем словарную базу из нашего первого примера и расширим окно до размера 2:

Расширение привело к тому, что у каждого окна теперь только один вариант следующего состояния системы - что бы мы ни делали, мы всегда будем получать одно и то же предложение, идентичное нашему корпусу. Поэтому, чтобы экспериментировать с окнами, и чтобы генератор текста возвращал уникальный контент, запаситесь словарной базой от 500 000 слов.

Реализация на Python

Структура данных Dictogram

Dictogram (dict - встроенный тип данных словарь в Python) будет отображать зависимость между звеньями и их частотой появления в тексте, то есть их распределение. Но при этом она будет обладать нужным нам свойством словаря - время выполнения программы не будет зависеть от объема входных данных, а это значит, мы создаем эффективный алгоритм.

Import random class Dictogram(dict): def __init__(self, iterable=None): # Инициализируем наше распределение как новый объект класса, # добавляем имеющиеся элементы super(Dictogram, self).__init__() self.types = 0 # число уникальных ключей в распределении self.tokens = 0 # общее количество всех слов в распределении if iterable: self.update(iterable) def update(self, iterable): # Обновляем распределение элементами из имеющегося # итерируемого набора данных for item in iterable: if item in self: self += 1 self.tokens += 1 else: self = 1 self.types += 1 self.tokens += 1 def count(self, item): # Возвращаем значение счетчика элемента, или 0 if item in self: return self return 0 def return_random_word(self): random_key = random.sample(self, 1) # Другой способ: # random.choice(histogram.keys()) return random_key def return_weighted_random_word(self): # Сгенерировать псевдослучайное число между 0 и (n-1), # где n - общее число слов random_int = random.randint(0, self.tokens-1) index = 0 list_of_keys = self.keys() # вывести "случайный индекс:", random_int for i in range(0, self.types): index += self] # вывести индекс if(index > random_int): # вывести list_of_keys[i] return list_of_keys[i]

В конструктор структуре Dictogram можно передать любой объект, по которому можно итерироваться. Элементами этого объекта будут слова для инициализации Dictogram, например, все слова из какой-нибудь книги. В данном случае мы ведем подсчет элементов, чтобы для обращения к какому-либо из них не нужно было пробегать каждый раз по всему набору данных.

Мы также сделали две функции для возврата случайного слова. Одна функция выбирает случайный ключ в словаре, а другая, принимая во внимание число появлений каждого слова в тексте, возвращает нужное нам слово.

Структура цепи Маркова

В реализации выше у нас есть словарь, который хранит окна в качестве ключа в паре «(ключ, значение)» и распределения в качестве значений в этой паре.

Структура цепи Маркова N-го порядка

Очень похоже на цепь Маркова первого порядка, но в данном случае мы храним кортеж в качестве ключа в паре «(ключ, значение)» в словаре. Мы используем его вместо списка, так как кортеж защищен от любых изменений, а для нас это важно - ведь ключи в словаре меняться не должны.

Парсинг модели

Отлично, мы реализовали словарь. Но как теперь совершить генерацию контента, основываясь на текущем состоянии и шаге к следующему состоянию? Пройдемся по нашей модели:

From histograms import Dictogram import random from collections import deque import re def generate_random_start(model): # Чтобы сгенерировать любое начальное слово, раскомментируйте строку: # return random.choice(model.keys()) # Чтобы сгенерировать "правильное" начальное слово, используйте код ниже: # Правильные начальные слова - это те, что являлись началом предложений в корпусе if "END" in model: seed_word = "END" while seed_word == "END": seed_word = model["END"].return_weighted_random_word() return seed_word return random.choice(model.keys()) def generate_random_sentence(length, markov_model): current_word = generate_random_start(markov_model) sentence = for i in range(0, length): current_dictogram = markov_model random_weighted_word = current_dictogram.return_weighted_random_word() current_word = random_weighted_word sentence.append(current_word) sentence = sentence.capitalize() return " ".join(sentence) + "." return sentence

Что дальше?

Попробуйте придумать, где вы сами можете использовать генератор текста на основе марковских цепей. Только не забывайте, что самое главное – это то, как вы парсите модель и какие особые ограничения устанавливаете на генерацию. Автор этой статьи, например, при создании генератора твитов использовал большое окно, ограничил генерируемый контент до 140 символов и использовал для начала предложений только «правильные» слова, то есть те, которые являлись началом предложений в корпусе.

Рассмотрим задачу об осле, стоящем точно между двумя копнами: соломы ржи и соломы пшеницы (рис. 10.5).

Осел стоит между двумя копнами: "Рожь" и "Пшеница" (рис. 10.5). Каждую минуту он либо передвигается на десять метров в сторону первой копны (с вероятностью ), либо в сторону второй копны (с вероятностью ), либо остается там, где стоял (с вероятностью ); такое поведение называется одномерным случайным блужданием. Будем предполагать, что обе копны являются "поглощающими" в том смысле, что если осел подойдет к одной из копен, то он там и останется. Зная расстояние между двумя копнами и начальное положение осла, можно поставить несколько вопросов, например: у какой копны он очутится с большей вероятностью и какое наиболее вероятное время ему понадобится, чтобы попасть туда?

Чтобы исследовать эту задачу подробнее, предположим, что расстояние между копнами равно пятидесяти метрам и что наш осел находится в двадцати метрах от копны "Пшеницы". Если места, где можно остановиться, обозначить через ( - сами копны), то его начальное положение можно задать вектором -я компонента которого равна вероятности того, что он первоначально находится в . Далее, по прошествии одной минуты вероятности его местоположения описываются вектором , а через две минуты - вектором . Ясно, что непосредственное вычисление вероятности его нахождения в заданном месте по прошествии минут становится затруднительным. Оказалось, что удобнее всего ввести для этого матрицу перехода .

Пусть - вероятность того, что он переместится из в за одну минуту. Например, и . Эти вероятности называются вероятностями перехода , а -матрицу называют матрицей перехода . Заметим, что каждый элемент матрицы неотрицателен и что сумма элементов любой из строк равна единице. Из всего этого следует, что - начальный вектор -строка, определенный выше, местоположение осла по прошествии одной минуты описывается вектором-строкой , а после минут - вектором . Другими словами, -я компонента вектора определяет вероятность того, что по истечении минут осел оказался в .

Можно обобщить эти понятия. Назовем вектором вероятностей вектор -строку, все компоненты которого неотрицательны и дают в сумме единицу. Тогда матрица перехода определяется как квадратная матрица , в которой каждая строка является вектором вероятностей. Теперь можно определить цепь Маркова (или просто цепь) как пару , где есть - матрица перехода , а есть - вектор -строка. Если каждый элемент из рассматривать как вероятность перехода из позиции в позицию , а - как начальный вектор вероятностей, то придем к классическому понятию дискретной стационарной цепи Маркова , которое можно найти в книгах по теории вероятностей (см. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Т.1. М.: Мир. 1967) Позиция обычно называется состоянием цепи . Опишем различные способы их классификации.

Нас будет интересовать следующее: можно ли попасть из одного данного состояния в другое, и если да, то за какое наименьшее время. Например, в задаче об осле из в можно попасть за три минуты и вообще нельзя попасть из в . Следовательно, в основном мы будем интересоваться не самими вероятностями , а тем, положительны они или нет. Тогда появляется надежда, что все эти данные удастся представить в виде орграфа , вершины которого соответствуют состояниям, а дуги указывают на то, можно ли перейти из одного состояния в другое за одну минуту. Более точно, если каждое состояние представлено соответствующей ему вершиной).

Маркова цепь (Markov Chain) - марковский процесс с дискретным временем, заданный в измеримом пространстве.

Введение

Марковские случайные процессы названы по имени выдающегося русского математика А.А.Маркова (1856-1922), впервые начавшего изучение вероятностной связи случайных величин и создавшего теорию, которую можно назвать "динамикой вероятностей".

В дальнейшем основы этой теории явились исходной базой общей теории случайных процессов, а также таких важных прикладных наук, как теория диффузионных процессов, теория надежности, теория массового обслуживания и т.д. В настоящее время теория марковских процессов и ее приложения широко применяются в самых различных областях.

Благодаря сравнительной простоте и наглядности математического аппарата, высокой достоверности и точности получаемых решений, особое внимание марковские процессы приобрели у специалистов, занимающихся исследованием операций и теорией принятия оптимальных решений.

Простой пример: бросание монеты

Прежде чем дать описание общей схемы, обратимся к простому примеру. Предположим, что речь идет о последовательных бросаниях монеты при игре "в орлянку "; монета бросается в условные моменты времени t = 0, 1, ... и на каждом шаге игрок может выиграть ±1 с одинаковой вероятностью 1/2, таким образом в момент t его суммарный выигрыш есть случайная величина ξ(t) с возможными значениями j = 0, ±1, ...

При условии, что ξ(t) = k, на следующем шаге выигрыш будет уже равен ξ(t+1) = k ± 1, принимая указанные значения j = k ± 1 c одинаковой вероятностью 1/2.

Условно можно сказать, что здесь с соответствующей вероятностью происходит переход из состояния ξ(t) = k в состояние ξ(t+1) = k ± 1.

Формулы и определения

Обобщая этот пример, можно представить себе "систему" со счетным числом возможных "фазовых" состояний, которая с течением дискретного времени t = 0, 1, ... случайно переходит из состояния в состояние.

Пусть ξ(t) есть ее положение в момент t в результате цепочки случайных переходов

ξ(0) - ξ(1) - ... - ξ(t) - ... ... (1)

Формально обозначим все возможные состояния целыми i = 0, ±1, ... Предположим, что при известном состоянии ξ(t) = k на следующем шаге система переходит в состояние ξ(t+1) = j с условной вероятностью

p kj = P(ξ(t+1) = j|ξ(t) = k) ... (2)

независимо от ее поведения в прошлом, точнее, независимо от цепочки переходов (1) до момента t:

P(ξ(t+1) = j|ξ(0) = i, ..., ξ(t) = k) = P(ξ(t+1) = j|ξ(t) = k) при всех t, k, j ... (3) - марковское свойство.

Такую вероятностную схему называют однородной цепью Маркова со счетным числом состояний - ее однородность состоит в том, что определенные в (2) переходные вероятности p kj , ∑ j p kj = 1, k = 0, ±1, ..., не зависят от времени, т.е. P(ξ(t+1) = j|ξ(t) = k) = P ij - матрица вероятностей перехода за один шаг не зависит от n.

Ясно, что P ij - квадратная матрица с неотрицательными элементами и единичными суммами по строкам.

Такая матрица (конечная или бесконечная) называется стохастической матрицей. Любая стохастическая матрица может служить матрицей переходных вероятностей.

На практике: доставка оборудования по округам

Предположим, что некая фирма осуществляет доставку оборудования по Москве: в северный округ (обозначим А), южный (В) и центральный (С). Фирма имеет группу курьеров, которая обслуживает эти районы. Понятно, что для осуществления следующей доставки курьер едет в тот район, который на данный момент ему ближе. Статистически было определено следующее:

1) после осуществления доставки в А следующая доставка в 30 случаях осуществляется в А, в 30 случаях - в В и в 40 случаях - в С;

2) после осуществления доставки в В следующая доставка в 40 случаях осуществляется в А, в 40 случаях - в В и в 20 случаях - в С;

3) после осуществления доставки в С следующая доставка в 50 случаях осуществляется в А, в 30 случаях - в В и в 20 случаях - в С.

Таким образом, район следующей доставки определяется только предыдущей доставкой.

Матрица вероятностей перехода будет выглядеть следующим образом:

Например, р 12 = 0.4 - это вероятность того, что после доставки в район В следующая доставка будет производиться в районе А.

Допустим, что каждая доставка с последующим перемещением в следующий район занимает 15 минут. Тогда, в соответствии со статистическими данными, через 15 минут 30% из курьеров, находившихся в А, будут в А, 30% будут в В и 40% - в С.

Так как в следующий момент времени каждый из курьеров обязательно будет в одном из округов, то сумма по столбцам равна 1. И поскольку мы имеем дело с вероятностями, каждый элемент матрицы 0<р ij <1.

Наиболее важным обстоятельством, которое позволяет интерпретировать данную модель как цепь Маркова, является то, что местонахождние курьера в момент времени t+1 зависит только от местонахождения в момент времени t.

Теперь зададим простой вопрос: если курьер стартует из С, какова вероятность того, что осуществив две доставки, он будет в В, т.е. как можно достичь В в 2 шага? Итак, существует несколько путей из С в В за 2 шага:

1) сначала из С в С и потом из С в В;

2) С-->B и B-->B;

3) С-->A и A-->B.

Учитывая правило умножения независимых событий, получим, что искомая вероятность равна:

P = P(CA)*P(AB) + P(CB)*P(BB) + P(CC)*P(CB)

Подставляя числовые значения:

P = 0.5*0.3 + 0.3*0.4 + 0.2*0.3 = 0.33

Полученный результат говорит о том, что если курьер начал работу из С, то в 33 случаях из 100 он будет в В через две доставки.

Ясно, что вычисления просты, но если Вам необходимо определить вероятность через 5 или 15 доставок - это может занять довольно много времени.

Покажем более простой способ вычисления подобных вероятностей. Для того, чтобы получить вероятности перехода из различных состояний за 2 шага, возведем матрицу P в квадрат:

Тогда элемент (2, 3) - это вероятность перехода из С в В за 2 шага, которая была получена выше другим способом. Заметим, что элементы в матрице P 2 также находятся в пределах от 0 до 1, и сумма по столбцам равна 1.

Т.о. если Вам необходимо определить вероятности перехода из С в В за 3 шага:

1 способ. p(CA)*P(AB) + p(CB)*P(BB) + p(CC)*P(CB) = 0.37*0.3 + 0.33*0.4 + 0.3*0.3 = 0.333, где p(CA) - вероятность перехода из С в А за 2 шага (т.е. это элемент (1, 3) матрицы P 2).

2 способ. Вычислить матрицу P 3:

Матрица переходных вероятностей в 7 степени будет выглядеть следующим образом:

Легко заметить, что элементы каждой строки стремятся к некоторым числам. Это говорит о том, что после достаточно большого количества доставок уж не имеет значение в каком округе курьер начал работу. Т.о. в конце недели приблизительно 38,9% будут в А, 33,3% будут в В и 27,8% будут в С.

Подобная сходимость гарантировано имеет место, если все элементы матрицы переходных вероятностей принадлежат интервалу (0, 1).

Марковская цепь - такая цепь событий в которой вероятность каждого события зависит только от предыдущего состояния.

Настоящая статья носит реферативный характер, написана на основе приведенных в конце источников, которые местами цитируются.

Введение в теорию марковских цепей

Цепью Маркова называют такую последовательность случайных событий, в которой вероятность каждого события зависит только от состояния, в котором процесс находится в текущий момент и не зависит от более ранних состояний. Конечная дискретная цепь определяется:

∑ j=1…n p ij = 1

Пример матрицы переходных вероятностей с множеством состояний S = {S 1 , …, S 5 }, вектором начальных вероятностей p (0) = {1, 0, 0, 0, 0}:

С помошью вектора начальных вероятностей и матрицы переходов можно вычислить стохастический вектор p (n) - вектор, составленный из вероятностей p (n) (i) того, что процесс окажется в состоянии i в момент времени n. Получить p (n) можно с помощью формулы:

p (n) = p (0) ×P n

Векторы p (n) при росте n в некоторых случаях стабилизируются - сходятся к некоторому вероятностному вектору ρ, который можно назвать стационарным распределением цепи. Стационарность проявляется в том, что взяв p (0) = ρ, мы получим p (n) = ρ для любого n.

Простейший критерий, который гарантирует сходимость к стационарному распределению, выглядит следующим образом: если все элементы матрицы переходных вероятностей P положительны, то при n, стремящемуся к бесконечности, вектор p (n) стремится к вектору ρ, являющемуся единственным решением системы вида

Также можно показать, что если при каком-нибудь положительном значении n все элементы матрицы P n положительны, тогда вектор p (n) все-равно будет стабилизироваться.

Доказательство этих утверждений есть в в подробном виде.

Марковская цепь изображается в виде графа переходов, вершины которого соответствуют состояниям цепи, а дуги - переходам между ними. Вес дуги (i, j), связывающей вершины si и sj будет равен вероятности pi(j) перехода из первого состояния во второе. Граф, соответствующий матрице, изображенной выше:

К лассификация состояний марковских цепей

При рассмотрении цепей Маркова нас может интересовать поведение системы на коротком отрезке времени. В таком случае абсолютные вероятности вычисляются с помощью формул из предыдущего раздела. Однако более важно изучить поведение системы на большом интервале времени, когда число переходов стремится к бесконечности. Далее вводятся определения состояний марковских цепей, которые необходимы для изучения поведения системы в долгосрочной перспективе.

Марковские цепи классифицируются в зависимости от возможности перехода из одних состояний в другие.

Группы состояний марковской цепи (подмножества вершин графа переходов), которым соответствуют тупиковые вершины диаграммы порядка графа переходов, называются эргодическими классами цепи. Если рассмотреть граф, изображенный выше, то видно, что в нем 1 эргодический класс M1 = {S5}, достижимый из компоненты сильной связности, соответствующей подмножеству вершин M2 = {S1, S2, S3, S4}. Состояния, которые находятся в эргодических классах, называются существенными, а остальные - несущественными (хотя такие названия плохо согласуются со здравым смыслом). Поглощающее состояние si является частным случаем эргодического класса. Тогда попав в такое состояние, процесс прекратится. Для Si будет верно pii = 1, т.е. в графе переходов из него будет исходить только одно ребро - петля.

Поглощающие марковские цепи используются в качестве временных моделей программ и вычислительных процессов. При моделировании программы состояния цепи отождествляются с блоками программы, а матрица переходных вероятностей определяет порядок переходов между блоками, зависящий от структуры программы и распределения исходных данных, значения которых влияют на развитие вычислительного процесса. В результате представления программы поглощающей цепью удается вычислить число обращений к блокам программы и время выполнения программы, оцениваемое средними значениями, дисперсиями и при необходимости - распределениями. Используя в дальнейшем эту статистику, можно оптимизировать код программы - применять низкоуровневые методы для ускорения критических частей программы. Подобный метод называется профилированием кода.

Например, в алгоритме Дейкстры присутствуют следующие состояния цепи:

vertex (v), извлечение новой вершины из очереди с приоритетами, переход только в состояние b;

begin (b), начало цикла перебора исходящих дуг для процедуры ослабления;

analysis (a), анализ следующей дуги, возможен переход к a, d, или e;

decrease (d), уменьшение оценки для некоторой вершины графа, переход к a;

end (e), завершение работы цикла, переход к следующей вершине.

Остается задать вероятности переходом между вершинами, и можно изучать продолжительности переходов между вершинами, вероятности попадания в различные состояния и другие средние характеристики процесса.

Аналогично, вычислительный процесс, который сводится к обращениям за ресурсами системы в порядке, определяемом программой, можно представить поглощающей марковской цепью, состояния которой соответствуют использованию ресурсов системы – процессора, памяти и периферийных устройств, переходные вероятности отображают порядок обращения к различным ресурсам. Благодаря этому вычислительный процесс представляется в форме, удобной для анализа его характеристик.

Цепь Маркова называется неприводимой, если любое состояние Sj может быть достигнуто из любого другого состояния Si за конечное число переходов. В этом случае все состояния цепи называются сообщающимися, а граф переходов является компонентой сильной связности. Процесс, порождаемый эргодической цепью, начавшись в некотором состоянии, никогда не завершается, а последовательно переходит из одного состояния в другое, попадая в различные состояния с разной частотой, зависящей от переходных вероятностей. Поэтому основная характеристика эргодической цепи –

вероятности пребывания процесса в состояниях Sj, j = 1,…, n, доля времени, которую процесс проводит в каждом из состояний. Неприводимые цепи используются в качестве моделей надежности систем. Действительно, при отказе ресурса, который процесс использует очень часто, работоспособность всей системы окажется под угрозой. В таком случае дублирование такого критического ресурса может помочь избежать отказов. При этом состояния системы, различающиеся составом исправного и отказавшего оборудования, трактуются как состояния цепи, переходы между которыми связаны с отказами и восстановлением устройств и изменением связей между ними, проводимой для сохранения работоспособности системы. Оценки характеристик неприводимой цепи дают представление о надежности поведения системы в целом. Также такие цепи могут быть моделями взаимодействия устройств с задачами, поступающими на обработку.

Примеры использования

Система обслуживания с отказами

Сервер, состоит из нескольких блоков, например модемов или сетевых карт, к которым поступают запросы от пользователей на обслуживание. Если все блоки заняты, то запрос теряется. Если один из блоков принимает запрос, то он становится занятым до конца его обработки. В качестве состояний возьмем количество незанятых блоков. Время будет дискретно. Обозначим за α вероятность поступления запроса. Также мы считаем, что время обслуживания также является случайным и состоящим из независимых продолжений, т.е. запрос с вероятностью β обслуживается за один шаг, а с вероятностью (1 - β) обслуживается после этого шага как новый запрос. Это дает вероятность (1 - β) β для обслуживания за два шага, (1 - β)2 β для обслуживания за три шага и т.д. Рассмотрим пример с 4 устройствами, работающими параллельно. Составим матрицу переходных вероятностей для выбранных состояний:

М ожно заметить, что она имеет единственный эргодический класс, и, следовательно, система p × P = p в классе вероятностных векторов имеет единственное решение. Выпишем уравнения системы, позволяющей находить это решение:

Теперь известен набор вероятностей πi того, что в стационарном режиме в системе будет занято i блоков. Тогда долю времени p 4 = С γ 4 /4 в системе заняты все блоки, система не отвечает на запросы. Полученные результаты распространяются на любое число блоков. Теперь можно воспользоваться ими: можно сопоставить затраты на дополнительные устройства и уменьшение времени полной занятости системы.

Подробнее можно ознакомиться с этим примером в .

Процессы принятия решений с конечным и бесконечным числом этапов

Рассмотрим процесс, в котором есть несколько матриц переходных вероятностей. Для каждого момента времени выбор той или иной матрицы зависит от принятого нами решения. Понять вышесказанное можно на следующем примере. Садовник в результате анализа почвы оценивает ее состояние одним из трех чисел: (1) - хорошее, (2) - удовлетворительное или (3) - плохое. При этом садовник заметил, что продуктивность почвы в текущем году зависит только от ее состояния в предыдущем году. Поэтому вероятности перехода почвы без внешних воздействий из одного состояния в другое можно представить следующей цепью Маркова с матрицей P1:

Л огично, что продуктивность почвы со временем ухудшается. Например, если в прошлом году состояние почвы было удовлетворительное, то в этом году оно может только остаться таким же или стать плохим, а хорошим никак не станет. Однако садовник может повлиять на состояние почвы и изменить переходные вероятности в матрице P1 на соответствующие им из матрицы P2:

Т еперь можно сопоставить каждому переходу из одного состояния в другое некоторую функцию дохода, которая определяется как прибыль или убыток за одногодичный период. Садовник может выбирать использовать или не использовать удобрения, именно от этого будет зависеть его конечный доход или убыток. Введем матрицы R1 и R2, определяющие функции дохода в зависимости от затрат на удобрения и качества почвы:

Н аконец перед садовником стоит задача, какую стратегию нужно выбрать для максимизации среднего ожидаемого дохода. Может рассматриваться два типа задач: с конечным и бесконечным количеством этапов. В данном случае когда-нибудь деятельность садовника обязательно закончится. Кроме того, визуализаторы решают задачу принятия решений для конечного числа этапов. Пусть садовник намеревается прекратить свое занятие через N лет. Наша задача теперь состоит в том, чтобы определить оптимальную стратегию поведения садовника, то есть стратегию, при которой его доход будет максимальным. Конечность числа этапов в нашей задаче проявляется в том, что садовнику не важно, что будет с его сельскохозяйственным угодьем на N+1 год (ему важны все года до N включительно). Теперь видно, что в этом случае задача поиска стратегии превращается в задачу динамического программирования. Если через fn(i) обозначить максимальный средний ожидаемый доход, который можно получить за этапы от n до N включительно, начиная из состояния с номером i, то несложно вывести рекуррентное

З десь k - номер используемой стратегии. Это уравнение основывается на том, что суммарный доход rijk + fn+1(j) получается в результате перехода из состояния i на этапе n в состояние j на этапе n+1 с вероятностью pijk.

Теперь оптимальное решение можно найти, вычисляя последовательно fn(i) в нисходящем направлении (n = N…1). При этом введение вектора начальных вероятностей в условие задачи не усложнит ее решение.

Данный пример также рассмотрен в .

Моделирование сочетаний слов в тексте

Рассмотрим текст, состоящий из слов w. Представим процесс, в котором состояниями являются слова, так что когда он находится в состоянии (Si) система переходит в состояние (sj) согласно матрице переходных вероятностей. Прежде всего, надо «обучить» систему: подать на вход достаточно большой текст для оценки переходных вероятностей. А затем можно строить траектории марковской цепи. Увеличение смысловой нагрузки текста, построенного при помощи алгоритма цепей Маркова возможно только при увеличении порядка, где состоянием является не одно слово, а множества с большей мощностью - пары (u, v), тройки (u, v, w) и т.д. Причем что в цепях первого, что пятого порядка, смысла будет еще немного. Смысл начнет появляться при увеличении размерности порядка как минимум до среднего количества слов в типовой фразе исходного текста. Но таким путем двигаться нельзя, потому, что рост смысловой нагрузки текста в цепях Маркова высоких порядков происходит значительно медленнее, чем падение уникальности текста. А текст, построенный на марковских цепях, к примеру, тридцатого порядка, все еще будет не настолько осмысленным, чтобы представлять интерес для человека, но уже достаточно схожим с оригинальным текстом, к тому же число состояний в такой цепи будет потрясающим.

Эта технология сейчас очень широко применяется (к сожалению) в Интернете для создания контента веб-страниц. Люди, желающие увеличить трафик на свой сайт и повысить его рейтинг в поисковых системах, стремятся поместить на свои страницы как можно больше ключевых слов для поиска. Но поисковики используют алгоритмы, которые умеют отличать реальный текст от бессвязного нагромождения ключевых слов. Тогда, чтобы обмануть поисковики используют тексты, созданные генератором на основе марковской цепи. Есть, конечно, и положительные примеры использования цепей Маркова для работы с текстом, их применяют при определении авторства, анализе подлинности текстов.

Цепи Маркова и лотереи

В некоторых случаях вероятностная модель используется в прогнозе номеров в различных лотереях. По-видимому, использовать цепи Маркова для моделирования последовательности различных тиражей нет смысла. То, что происходило с шариками в тираже, никак не повлияет на результаты следующего тиража, поскольку после тиража шары собирают, а в следующем тираже их укладывают в лоток лототрона в фиксированном порядке. Связь с прошедшим тиражом при этом теряется. Другое дело последовательность выпадения шаров в пределах одного тиража. В этом случае выпадение очередного шара определяется состоянием лототрона на момент выпадения предыдущего шара. Таким образом, последовательность выпадений шаров в одном тираже является цепью Маркова, и можно использовать такую модель. При анализе числовых лотерей здесь имеется большая трудность. Состояние лототрона после выпадения очередного шара определяет дальнейшие события, но проблема в том, что это состояние нам неизвестно. Все что нам известно, что выпал некоторый шар. Но при выпадении этого шара, остальные шары могут быть расположены различным образом, так что имеется группа из очень большого числа состояний, соответствующая одному и тому же наблюдаемому событию. Поэтому мы можем построить лишь матрицу вероятностей переходов между такими группами состояний. Эти вероятности являются усреднением вероятностей переходов между различными отдельными состояниями, что конечно, снижает эффективность применения модели марковской цепи к числовым лотереям.

Аналогично этому случаю, такая модель нейронной сети может быть использована для предсказания погоды, котировок валют и в связи с другими системами, где есть исторические данные, и в будущем может быть использована вновь поступающая информация. Хорошим применением в данном случае, когда известны только проявления системы, но не внутренние (скрытые) состояния, могут быть применены скрытые марковские модели, которые подробно рассмотрены в Викиучебнике (скрытые марковские модели).