数学建模|预测——马尔可夫链

1、作用 马尔可夫是俄国著名的数学家。马尔可夫预测法是以马尔可夫的名字命名的一种特殊的预测方法。马尔可夫预测法主要用于市场预测和销售期望利润的预测。它是基于马尔可夫链,根据事件的目前状况预测其将来各个时刻(或时期)变动状况的一种预测方法。马尔可夫预测法是对地理、天气、市场、进行预测的基本方法,它是地理预测中常用的重要方法之一。
2、输入输出描述 输入:随时间序列变化的定类或定序变量
输出:马尔可夫链预测的预测结果?
3、案例示例 股价预测通过今天股票的涨跌,预测明天后天股票的涨跌;天气预报通过今天是否下雨,预测明天后天是否下雨。这些过程都是可以通过数学公式进行量化计算的。通过下雨、股票涨跌的概率,用公式就可以推导出来 N 天后的状况。
4、建模步骤 【数学建模|预测——马尔可夫链】事物的发展状态总是随着时间的推移而不断变化的。在一般情况下,人们要了解事物未来的发展状态,不但要看到事物现在的状态,还要看到事物过去的状态。马尔可夫认为,还存在另外一种情况, 人们要了解事物未来的发展状态,只须知道事物现在的状态,而与事物以前的状态毫无关系。这种情况就称为马尔可夫过程。马尔可夫过程的重要特征是无后效性。事物第n次出现的状态,只与其第n-1次的状态有关,它与以前的状态无关。所谓“无后效性”,是指过去对未来无后效,而不是指现在对未来无后效。
状态空间
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马尔可夫链节点的所有可能取值。状态空间可以视为一个以状态变数为座标轴的空间,因此系统的状态可以表示为此空间中的一个向量。
概率向量
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概率向量的每个元素都是概率,并且元素之和为1。系统的可能状态数有k个。向量中各个元素分别表示表示第n次观测时第i个状态的概率。数学建模|预测——马尔可夫链
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被称为初始状态。
转移概率矩阵
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表示这次观测前状态为i,现在观测是状态为j的概率。P矩阵元素非负。每一行的元素之和都为1
计算下一次观测的概率
根据无后效性,我们可以得出:
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即为:
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由于某一时刻状态转移的情况只依赖前一个状态,那么只要求出系统中任意两个状态之间的转移概率,这个马尔科夫链的模型就确定了。
判断是否具有唯一稳态分布(收敛)
马尔可夫链中全部状态节点需要满足以下条件:
不可约性:如果一个马尔可夫链的状态空间仅有一个连通类,即状态空间的全体成员,则该马尔可夫链是不可约的,否则马尔可夫链具有可约性。马尔可夫链的不可约性意味着在其演变过程中,随机变量可以在任意状态间转移。
常返性:若马尔可夫链在到达一个状态后,在演变中能反复回到该状态,则该状态是常返状态。
非周期性:在其演变中,马尔可夫链能够按任意>=1的周期常返回其状态。
遍历性:若马尔可夫链的一个状态是正常返的和非周期的,则该状态具有遍历性。遍历链是非周期的平稳马尔可夫链,有长时间尺度下的稳态行为,因此是被广泛研究和应用的马尔可夫链。

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