13 подписчиков

Моделирование марковских процессов

Моделирование марковских процессов

Цели изучения темы:

· познакомиться с понятием марковского процесса;

· познакомиться с математическим аппаратом моделирования дискретно протекающих марковских процессов.

Задачи изучения темы:

· изучить способ математического описания марковских процессов;

· научиться определять характеристики марковских процессов с дискретным временем и дискретным множеством состояний.

Успешно изучив тему, Вы:

получите представление о:

· сущности марковских процессов и их классификации;

· как формулируются задача в терминах марковского процесса;

· способах построения математической модели и нахождения с ее помощью значений нужных показателей;

будете знать:

· как описать протекающие процессы с помощью графа состояний и переходов;

· как найти вектор вероятностей состояния процесса на определенном шаге;

· как вычислить предельные вероятности процесса.

Вопросы темы:

1. Понятие марковского процесса.

2. Классификация марковских процессов.

3. Граф состояний и переходов.

4. Марковский процесс с дискретными состояниями и дискретным временем.

5. Предельные вероятности цепи Маркова.

Вопрос 1. Понятие марковского процесса.

Постановка многих задач анализа и, в особенности, проектирования систем связаны с необходимостью проведения оценивания количественных показателей протекающих в системе процессов. Часто поведение этих развивающихся во времени процессов в силу действия различных случайных факторов не удается исследовать во всех деталях. Следствием этого является невозможность в отличие от детерминированных систем однозначно предсказать поведение системы в какой-то момент в будущем. Такие системы и процессы носят название стохастических (от греческого στοχαστική – умеющий угадывать). Их анализ целесообразно проводить, рассматривая их как случайные процессы, ход и исход которых зависят от ряда случайных факторов, сопровождающих их развитие.

Для нахождения числовых значений нужных параметров применяются как аналитические, так и имитационные модели. В настоящей и следующей теме будет рассмотрен подход на основе аналитических моделей. Построение аналитической модели в случае стохастических процессов означает необходимость построения некоторой вероятностной модели явления, в которой будут учтены обусловливающие его развитие случайные факторы.

Для математического описания многих случайных процессов может быть применен аппарат, разработанный в теории вероятностей для так называемых марковских случайных процессов.

Случайный процесс, протекающий в системе S, называется марковским (или процессом без последействия), если он обладает следующим свойством: для каждого момента времени t0 вероятность любого состояния системы в будущем (при t>t0) зависит только от ее состояния в настоящем (при t= t0) и не зависит от того, когда и каким образом система пришла в это состояние (т.е., как развивался процесс в прошлом).

Другими словами, в марковском случайном процессе будущее развитие зависит только от его настоящего состояния и не зависит от «предыстории» процесса.

Вопрос 2. Классификация марковских процессов.

Марковские случайные процессы делятся на классы. Основными классифицирующими признаками являются:

· множество состояний, в которых может находиться система;

· моменты времени, в которых происходит изменение состояния системы.

Случайный процесс называется процессом с дискретными состояниями, если возможные состояния системы S1, S2, S3, ... можно перечислить (перенумеровать) одно за другим, а сам процесс состоит в том, что время от времени система S скачком (мгновенно) переходит из одного состояния в другое.

Кроме процессов с дискретными состояниями существуют случайные процессы с непрерывными состояниями: для этих процессов характерен постепенный, плавный переход из состояния в состояние. Например, процесс изменения напряжения в осветительной сети представляет собой случайный процесс с непрерывными состояниями.

Если переходы системы из состояния в состояние возможны только в определенные моменты времени t1, t2, t3, … , то марковский процесс относится к процессам с дискретным временем. В противном случае имеет место процесс с непрерывным временем.

Вопрос 3. Граф состояний и переходов.

Анализ случайных процессов с дискретными состояниями обычно проводится с помощью графа состояний и переходов (ГСП).

Пусть имеется система S с n дискретными состояниями:

S1, S2, S3 , … , Sn

Каждое состояние изображается окружностью или прямоугольником (вершина), а возможные переходы из состояния в состояние («перескоки») — стрелками (дугами), соединяющими эти вершины (рис. 8а).

Рис. 8. Пример неразмеченного (а) и размеченного (б) ГСП

Заметим, что стрелками можно отмечать только непосредственные переходы из состояния в состояние; если система может перейти из состояния S1 в S5 только через S2, то стрелками отмечаются только переходы S1—S2 и S2—S5, но не S1—S5.

Удобно также пользоваться размеченным графом, который графически изображает не только возможные состояния системы и возможные переходы из состояния в состояние, но также и значения вероятностей перехода (рис. 8 б), о которых речь будет идти ниже.

Вопрос 4. Марковский процесс с дискретными состояниями и дискретным временем.

Пусть система S может находиться в состояниях:

S1, S2, S3, … , Sn

и изменения состояния системы возможны только в моменты:

t1, t2, t3, … , tn

Будем называть эти моменты шагами, или этапами процесса и рассматривать протекающий в системе S случайный процесс как функцию целочисленного аргумента m = 1, 2, ... k, ... , обозначающего номер шага.

Указанный случайный процесс состоит в том, что в последовательные моменты времени t1, t2, ... , tk, ... система S оказывается в тех или иных состояниях. Процесс, происходящий в системе, можно представить как последовательность (цепочку) событий, например:

называемую марковской цепью, где для каждого шага вероятность перехода из любого состояния Si в любое Sj не зависит от того, когда и как система пришла в состояние Si .

Марковскую цепь можно описать с помощью вероятностей состояний, в которых находится система на каком-то шаге. Пусть в любой момент времени (после любого шага) система может пребывать в одном из состояний:

S1, S2, S3, … , Sn

т.е., в результате шага k осуществится одно из полной группы несовместных событий:

Обозначив вероятности этих событий для k -го шага через

легко видеть, что для каждого шага k

Для любого шага (момента времени t1, t2, ... tk, ... или номера 1, 2, ... , k, ...) существуют некоторые вероятности перехода системы из любого состояния в любое другое (некоторые из них равны нулю, если непосредственный переход за один шаг невозможен), а также вероятность задержки системы в данном состоянии. Эти вероятности называются переходными вероятностями марковской цепи.

Если значения переходных вероятностей не зависят от номера шага, то марковская цепь называется однородной, или стационарной. В противном случае марковская цепь является неоднородной, или нестационарной.

Если из состояния Si не исходит ни одной стрелки (переход из него ни в какое другое состояние невозможен, например, S3 графа рис. 8), соответствующая вероятность задержки Рii равна единице.

Графу системы, содержащему n вершин, можно поставить в соответствие матрицу n×n, элементами которой являются вероятности переходов pij между вершинами графа, называемую матрицей вероятностей переходов:

Элементы матрицы переходов, означающие вероятности переходов в системе за один шаг, удовлетворяют условиям:

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.

Имея размеченный ГСП (или, что равносильно, матрицу переходных вероятностей) и зная начальное состояние системы, можно найти вероятности состояний р1(k), р2(k), ... , рn(k) после любого (k-го) шага. Они находятся с помощью следующих рекуррентных соотношений:

или в матричной форме

где

Предположим, что в начальный момент (перед первым шагом) система находится в каком-то определенном состоянии, например Sm. Тогда для начального момента (0) будем иметь:

р1(0) =0, р2(0) =0, ..., рm(0) = 1, ... , рn(0) = 0 ,

т. е. вероятности всех состояний равны нулю, кроме вероятности начального состояния Sm, равной единице.

Найдем вероятности состояний после первого шага. Мы знаем, что перед первым шагом система заведомо находится в состоянии Sm. Значит, за первый шаг она перейдет в состояния S1, S2, ... , Sm, ... , Sn с вероятностями

Pm1, Pm2, ... , Pmm, ... , Pmn ,

находящимися в m-ой строке матрицы переходных вероятностей.

Таким образом, вероятности состояний после первого шага будут:

Найдем вероятности состояний после второго шага:

Вычислим их по формуле полной вероятности с гипотезами:

· после первого шага система была в состоянии S1;

· после первого шага система была в состоянии S2;

· после первого шага система была в состоянии Si;

· после первого шага система была в состоянии Sn.

Вероятности гипотез известны (6), условные вероятности перехода в состояние Si - при каждой гипотезе тоже известны и записаны в матрице переходных вероятностей. По формуле полной вероятности получим:

или

Данное выражение может быть записано в векторно-матричной форме:

Таким образом, вероятности состояний после второго шага известны. Очевидно, после третьего шага они определяются аналогично:

И вообще после k-то шага:

Или в матричной форме

Например, пусть требуется найти вероятность перехода системы из состояния S1 в состояние S2 за 3 шага для графа на рис. 9.

Рис. 9. Пример ГСП

Вероятности состояния после второго шага:

где

где

pi, i=1, … n есть вероятность того, что в начальный момент система находится в состоянии Si.

Тогда для нахождения вектора вероятностей состояния системы после m шагов можно воспользоваться формулой:

находим: