第四章 马尔可夫链.

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1 第四章 马尔可夫链

2 4.1 马尔可夫链与转移概率 定义 设 {X(t)，t T }为随机过程，若对任意正整数n及t1< t2<< tn，P{X(t1)=x1,, X(tn-1)=xn-1}>0，且条件分布P{X(tn)xn|X(t1)=x1,, X(tn-1)=xn-1}= P{X(tn)  xn|X(tn-1)=xn-1}，则称{X(t)，t T }为马尔可夫过程。 ☆若t1,t2,,tn-2表示过去，tn-1表示现在，tn表示将来，马尔可夫过程表明：在已知现在状态的条件下，将来所处的状态与过去状态无关。

3 (1)时间、状态都是离散的，称为马尔可夫链 (2)时间连续、状态离散的，称为连续时间马尔可夫链 (3)时间、状态都是连续的，称为马尔可夫过程
4.1 马尔可夫链与转移概率 马尔可夫过程通常分为三类： (1)时间、状态都是离散的，称为马尔可夫链 (2)时间连续、状态离散的，称为连续时间马尔可夫链 (3)时间、状态都是连续的，称为马尔可夫过程

4 则称{Xn，nT }为马尔可夫链，简称马氏链。
4.1 马尔可夫链与转移概率 随机过程{Xn，nT }， 参数T={0, 1, 2, },状态空间I={i0, i1, i2, } 定义 若随机过程{Xn，nT }，对任意nT和i0,i1,,in+1 I，条件概率P{Xn+1=in+1|X0=i0,X1=i1,,Xn=in} = P{Xn+1=in+1|Xn=in}， 则称{Xn，nT }为马尔可夫链，简称马氏链。

5 =P{Xn=in|X0=i0, X1=i1, , Xn-1=in-1} P{X0=i0, X1=i1, , Xn-1=in-1}
4.1 马尔可夫链与转移概率 马尔可夫链的性质 P{X0=i0, X1=i1, , Xn=in} =P{Xn=in|X0=i0, X1=i1, , Xn-1=in-1} P{X0=i0, X1=i1, , Xn-1=in-1} = P{Xn=in|Xn-1=in-1} P{Xn-1=in-1 |X0=i0,X1=i1,,Xn-2=in-2} P{X0=i0,X1=i1,,Xn-2=in-2} =P{Xn=in|Xn-1=in-1}P{Xn-1=in-1 |Xn-2=in-2}

6 =P{Xn=in|Xn-1=in-1}P{Xn-1=in-1 |Xn-2=in-2}  P{X1=i1|X0=i0}P{X0=i0}
4.1 马尔可夫链与转移概率 = =P{Xn=in|Xn-1=in-1}P{Xn-1=in-1 |Xn-2=in-2}  P{X1=i1|X0=i0}P{X0=i0} 马尔可夫链的统计特性完全由条件概率P{Xn+1=in+1|Xn=in}确定。

7 定义 若对任意的i,jI，马尔可夫链{Xn,nT }的转移概率pij(n)与n无关，则称马尔可夫链是齐次的，并记pij(n)为pij。
4.1 马尔可夫链与转移概率 定义 称条件概率pij(n)= P{Xn+1=j|Xn=i} 为马尔可夫链{Xn，nT }在时刻n的一步转移概率，简称转移概率，其中i,jI。 定义 若对任意的i,jI，马尔可夫链{Xn,nT }的转移概率pij(n)与n无关，则称马尔可夫链是齐次的，并记pij(n)为pij。 齐次马尔可夫链具有平稳转移概率， 状态空间I={1, 2, 3, }，一步转移概率为

8 4.1 马尔可夫链与转移概率 转移概率性质 (1) (2) P称为随机矩阵

9 4.1 马尔可夫链与转移概率 定义 称条件概率 = P{Xm+n=j|Xm=i} 为马尔可夫链{Xn，nT }的n步转移概率(i,jI, m0, n1)。 n步转移矩阵 其中 P(n)也为随机矩阵

10 定理4.1 设{Xn，nT }为马尔可夫链，则对任意整数n0,0l<n和i,jI，n步转移概率 具有性质
4.1 马尔可夫链与转移概率 定理4.1 设{Xn，nT }为马尔可夫链，则对任意整数n0,0l<n和i,jI，n步转移概率 具有性质 (1) (2) (3) P(n)=PP(n-1) (4) P(n)=Pn

11 4.1 马尔可夫链与转移概率 证(1)

12 (1)此为C-K方程(切普曼-柯尔莫哥洛夫) (2) n步转移概率由一步转移概率确定， n步转移概率矩阵由一步转移概率矩阵确定(n次幂)
4.1 马尔可夫链与转移概率 (2)在(1)中令l=1,k=k1,得 由此可递推出公式 (3)矩阵乘法 (4)由(3)推出 说明： (1)此为C-K方程(切普曼-柯尔莫哥洛夫) (2) n步转移概率由一步转移概率确定， n步转移概率矩阵由一步转移概率矩阵确定(n次幂)

13 4.1 马尔可夫链与转移概率 定义 初始概率 绝对概率 初始分布 绝对分布 初始概率向量 绝对概率向量

14 设{Xn，nT }为马尔可夫链，则对任意整数jI和n1 ，绝对概率pj(n)具有性质 (1) (2)
4.1 马尔可夫链与转移概率 定理4.2 设{Xn，nT }为马尔可夫链，则对任意整数jI和n1 ，绝对概率pj(n)具有性质 (1) (2) (3) PT(n)=PT(0)P(n) (4) PT(n)= PT(n-1)P

15 4.1 马尔可夫链与转移概率 证(1)

16 4.1 马尔可夫链与转移概率 (2) (3)(4)为(1)(2)的矩阵表示。

17 定理4.3 设{Xn，nT }为马尔可夫链，则对任意整数i1, i2,,inI和n1 ，有性质
4.1 马尔可夫链与转移概率 定理4.3 设{Xn，nT }为马尔可夫链，则对任意整数i1, i2,,inI和n1 ，有性质 证

18 4.1 马尔可夫链与转移概率 例4.1 无限制随机游动 q p i i i+1 一步转移概率:

19 i经过k步进入j,向右移了x步,向左移了y步 则
4.1 马尔可夫链与转移概率 n步转移概率: i经过k步进入j,向右移了x步,向左移了y步 则

20 甲有赌资a元，乙有赌资b元，赌一局输者给赢者1元，无和局。甲赢的概率为p， 乙赢的概率为q=1-p，求甲输光的概率。
4.1 马尔可夫链与转移概率 例4.2 赌徒输光问题 甲有赌资a元，乙有赌资b元，赌一局输者给赢者1元，无和局。甲赢的概率为p， 乙赢的概率为q=1-p，求甲输光的概率。 解 状态空间I={0,1,2,,c}，c=a+b q p a+b a a a+1

21 设ui表示甲从状态i出发转移到状态0的概率，求ua
4.1 马尔可夫链与转移概率 设ui表示甲从状态i出发转移到状态0的概率，求ua 显然u0 =1，uc =0(u0表示已知甲输光情形下甲输光的概率，uc表示已知乙输光情形下甲输光的概率) ui =pui+1 + qui (i=1,2,,c-1) （甲在状态i下输光：甲赢一局后输光或甲输一局后输光）

22 4.1 马尔可夫链与转移概率

23 4.1 马尔可夫链与转移概率

24 4.1 马尔可夫链与转移概率

25 4.1 马尔可夫链与转移概率

26 p00=P{R今R明| R昨R今}=P{R明| R昨R今}=0.7 p01=P{N今R明| R昨R今}=0
4.1 马尔可夫链与转移概率 例4.3 天气预报问题 RR表示连续两天有雨，记为状态0 NR表示第1天无雨第2天有雨，记为状态1 RN表示第1天有雨第2天无雨，记为状态2 NN表示连续两天无雨，记为状态3 p00=P{R今R明| R昨R今}=P{R明| R昨R今}=0.7 p01=P{N今R明| R昨R今}=0 p02=P{R今N明| R昨R今}= P{N明| R昨R今}=0.3 p03=P{N今N明| R昨R今}=0

27 若星期一、星期二均下雨，求星期四下雨的概率
4.1 马尔可夫链与转移概率 类似地得到其他转移概率， 于是转移概率矩阵为 若星期一、星期二均下雨，求星期四下雨的概率

28 4.1 马尔可夫链与转移概率 星期四下雨的情形如右， 星期四下雨的概率 2步转移概率矩阵为 一 二 三 四 R N 1

29 例4.4 具有吸收壁和反射壁的随机游动 状态空间{1,2,3,4}，1为吸收壁，4为反射壁 状态转移图 状态转移矩阵
4.1 马尔可夫链与转移概率 例4.4 具有吸收壁和反射壁的随机游动 状态空间{1,2,3,4}，1为吸收壁，4为反射壁 状态转移图 状态转移矩阵

30 4.2 马尔可夫链的状态分类 {Xn, n0}是离散马尔可夫链，pij为转移概率，i, jI，I={0,1,2,}为状态空间，{pj,jI}为初始分布 定义 状态i的周期d： d=G.C.D{n: >0} (最大公约数greatest common divisor) 如果d>1，就称i为周期的， 如果d=1，就称i为非周期的

31 例4.6 设马尔可夫链的状态空间I={1,2,,9}，转移概率如下图
4.2 马尔可夫链的状态分类 例4.6 设马尔可夫链的状态空间I={1,2,,9}，转移概率如下图 从状态1出发再返回状态1的可能步数为T={4,6,8,10, }，T的最大公约数为2，从而状态1的周期为2

32 注(1)如果i有周期d，则对一切非零的n, n0 mod d，有 （若 ，则n=0 mod d ） (2)对充分大的n， （引理4.1）
4.2 马尔可夫链的状态分类 注(1)如果i有周期d，则对一切非零的n, n0 mod d，有 （若 ，则n=0 mod d ） (2)对充分大的n， （引理4.1） 例题中当n=1时， 当n>0时，

33 4.2 马尔可夫链的状态分类 例4.7 状态空间I={1,2,3,4}，转移概率如图， 状态2和状态3有相同的周期d=2，但状态2和状态3有显著的区别。当状态2转移到状态3后，再不能返回到状态2，状态3总能返回到状态3。这就要引入常返性概念。

34 由i出发经n步首次到达j的概率(首达概率)
4.2 马尔可夫链的状态分类 由i出发经n步首次到达j的概率(首达概率) 规定 由i出发经有限步终于到达j的概率

35 期望值 表示由i出发再返回到i的平均返回时间
4.2 马尔可夫链的状态分类 定义 若fii=1，称状态i为常返的； 若fii<1，称状态i为非常返的 i为非常返，则以概率1- fii不返回到i i为常返，则 构成一概率分布， 期望值 表示由i出发再返回到i的平均返回时间

36 若i <，则称常返态i为正常返的; 若 i =，则称常返态i为零常返的， 非周期的正常返态称为遍历状态。
4.2 马尔可夫链的状态分类 定义 若i <，则称常返态i为正常返的; 若 i =，则称常返态i为零常返的， 非周期的正常返态称为遍历状态。 首达概率 与n步转移概率 有如下关系式 定理 对任意状态i, j及1 n <，有

37 4.2 马尔可夫链的状态分类 证

38 例4.8 设马尔可夫链的状态空间I={1,2,3}，转移概率矩阵为
4.2 马尔可夫链的状态分类 引理4.2 周期的等价定义 G.C.D =G.C.D 例4.8 设马尔可夫链的状态空间I={1,2,3}，转移概率矩阵为 求从状态1出发经n 步转移首次到达各状态的概率

39 4.2 马尔可夫链的状态分类 解 状态转移图如下 ，首达概率为

40 4.2 马尔可夫链的状态分类 同理可得

41 以下讨论常返性的判别与性质 数列的母函数与卷积 {an,n0}为实数列，母函数 {bn,n0}为实数列，母函数
4.2 马尔可夫链的状态分类 以下讨论常返性的判别与性质 数列的母函数与卷积 {an,n0}为实数列，母函数 {bn,n0}为实数列，母函数 则{an}与{bn}的卷积 的母函数

42 4.2 马尔可夫链的状态分类 定理4.5 状态i常返的充要条件为 如i非常返，则 证: 规定 ，则由定理4.4

43 4.2 马尔可夫链的状态分类

44 4.2 马尔可夫链的状态分类 对0s<1

45 4.2 马尔可夫链的状态分类

46 其中i为i的平均返回时间，当i=时 推论 设i常返，则 (1) i零常返 (2) i遍历
4.2 马尔可夫链的状态分类 定理4.7 设i常返且有周期为d，则 其中i为i的平均返回时间，当i=时 推论 设i常返，则 (1) i零常返 (2) i遍历

47 4.2 马尔可夫链的状态分类 证(1) i零常返， i=，由定理4.7知， 对d的非整数倍数的n，  从而子序列 i是零常返的

48 4.2 马尔可夫链的状态分类 (2)  子序列 所以d=1，从而i为非周期的，i是遍历的 i是遍历的，d=1，i<，

49 状态i可达状态j，ij：存在n>0,使 状态i与状态j互通，ij：ij且ji
4.2 马尔可夫链的状态分类 状态的可达与互通 状态i可达状态j，ij：存在n>0,使 状态i与状态j互通，ij：ij且ji 定理 可达关系与互通关系都具有传递性，即 (1)若ij ，jk，则ik (2)若i  j ，j  k，则i  k

50 证 (1)ij ，存在l >0，使 jk，存在m >0，使 由C-K方程 所以ik (2)由(1)直接推出
4.2 马尔可夫链的状态分类 证 (1)ij ，存在l >0，使 jk，存在m >0，使 由C-K方程 所以ik (2)由(1)直接推出

51 (1) i与j同为常返或非常返，如为常返，则它们同为正常返或零常返 (2) i与j有相同的周期
4.2 马尔可夫链的状态分类 定理 如ij，则 (1) i与j同为常返或非常返，如为常返，则它们同为正常返或零常返 (2) i与j有相同的周期

52 4.2 马尔可夫链的状态分类 例4.9 设马氏链{Xn}的状态空间为 I={0,1,2,}，转移概率为 考察状态0的类型

53 可得出0为正常返的 由于 ，所以0的周期为d=1 0为非周期的，从而为遍历状态 对于其它状态i,由于i0,所以也是遍历的
4.2 马尔可夫链的状态分类 可得出0为正常返的 由于 ，所以0的周期为d=1 0为非周期的，从而为遍历状态 对于其它状态i,由于i0,所以也是遍历的

54 4.2 马尔可夫链的状态分类 例 对无限制随机游动 由斯特林近似公式 可推出 (1)当且仅当p=q=1/2时，4pq=1

55 4.2 马尔可夫链的状态分类 状态i是常返的 状态i是零常返的

56 4.2 马尔可夫链的状态分类 (2)当且仅当pq，4pq<1 状态i是非常返的

57 4.3 状态空间的分解 周期性di 常返性fii 正常返μi<∞ 周期di>1 非周期di=1 遍历 非常返fii<1
4.3 状态空间的分解 周期性di 常返性fii 正常返μi<∞ 周期di>1 非周期di=1 遍历 非常返fii<1 零常返μi=∞ 常返fii=1

58 定义 状态空间I 的子集C称为闭集，如对任意iC及kC都有pik=0; 闭集C称为不可约的，如C的状态互通；
4.3 状态空间的分解 定义 状态空间I 的子集C称为闭集，如对任意iC及kC都有pik=0; 闭集C称为不可约的，如C的状态互通； 马氏链{Xn}称为不可约的，如其状态空间不可约 引理 C是闭集的充要条件为对iC及kC都有

59 注：如pii=1，称状态i为吸收的，等价于 单点集{i}为闭集。
4.3 状态空间的分解 证 充分性显然成立 必要性（数学归纳法） 设C为闭集，由定义当n=1时结论成立 设n=m时， ，iC及kC ，则 注：如pii=1，称状态i为吸收的，等价于 单点集{i}为闭集。

60 例4.11 设马氏链{Xn}的状态空间为 I={1, 2, 3, 4, 5}，转移概率矩阵为
4.3 状态空间的分解 例4.11 设马氏链{Xn}的状态空间为 I={1, 2, 3, 4, 5}，转移概率矩阵为 状态3是吸收的，故{3}是闭集，{1,4}，{1,3,4}，{1,2,3,4}都是闭集，其中{3}，{1,4}是不可约的。I含有闭子集，故{Xn}不是不可约的链。

61 例4.12 无限制随机游动为不可约马氏链，各状态的周期为2，当p=q=1/2时，是零常返的，当pq时，是非常返的。
4.3 状态空间的分解 例 无限制随机游动为不可约马氏链，各状态的周期为2，当p=q=1/2时，是零常返的，当pq时，是非常返的。

62 定理4.10 任一马氏链的状态空间I，可唯一地分解成有限个或可列个互不相交的子集D,C1,C2,之和，使得：
4.3 状态空间的分解 定理 任一马氏链的状态空间I，可唯一地分解成有限个或可列个互不相交的子集D,C1,C2,之和，使得： (1)每一Cn是常返态组成的不可约闭集； (2)Cn中的状态同类型，或全是正常返，或全是零常返，它们有相同的周期，且fij=1，i,jCn； (3)D由全体非常返态组成，自Cn中状态不能到达D中的状态。

63 例4.13 马氏链的状态空间I ={1,2,3,4,5,6},状态转移矩阵为
4.3 状态空间的分解 例4.13 马氏链的状态空间I ={1,2,3,4,5,6},状态转移矩阵为 分解此链并指出各状态的常返性及周期性。

64 可见1为正常返状态且周期为3，含1的基本常返闭集为 C1={k:1k}={1,3,5}，从而状态3及5也为正常返状态且周期为3。
4.3 状态空间的分解 解 由状态转移图知 可见1为正常返状态且周期为3，含1的基本常返闭集为 C1={k:1k}={1,3,5}，从而状态3及5也为正常返状态且周期为3。 同理可知6为正常返状态，6=3/2，周期为1。含6的基本常返闭集为 C2={k:6k} ={2,6}，可见2，6为遍历状态。

65 于是I可分解为 I=D∪C1∪C2 ={4}∪{1,3,5}∪{2,6} 定义4.10 称矩阵A=(aij)为随机矩阵，若
4.3 状态空间的分解 于是I可分解为 I=D∪C1∪C2 ={4}∪{1,3,5}∪{2,6} 定义4.10 称矩阵A=(aij)为随机矩阵，若 显然k步转移矩阵 为随机矩阵。

66 G是C上所得的k步转移子矩阵，则G仍是随机矩阵。 证 任取iC，由引理4.4有 从而 且 ，故 是随机矩阵。
4.3 状态空间的分解 引理 设C为闭集， G是C上所得的k步转移子矩阵，则G仍是随机矩阵。 证 任取iC，由引理4.4有 从而 且 ，故 是随机矩阵。

67 4.3 状态空间的分解 注：对I的一个闭子集，可考虑C上的原马氏链的子马氏链，其状态空间为C，转移矩阵为G=(pij)，i,jC是原马氏链的转移矩阵为P=(pij)，i,jI的子矩阵。

68 定理4.11 周期为d的不可约马氏链，其状态空间C可唯一地分解为d个互不相交的子集之和，即
4.3 状态空间的分解 定理 周期为d的不可约马氏链，其状态空间C可唯一地分解为d个互不相交的子集之和，即 且使得自Gr中任一状态出发，经一步转移必进入Gr+1中(Gd = G0)。 注：任取一状态i，对每一r=0,1,,d-1定义集

69 例4.14 设不可约马氏链的状态空间为C={1, 2, 3, 4, 5, 6}，转移矩阵为
4.3 状态空间的分解 例 设不可约马氏链的状态空间为C={1, 2, 3, 4, 5, 6}，转移矩阵为

70 4.3 状态空间的分解

71 由状态转移图可知各状态的周期d=3, 固定状态i=1，令 故C=G0∪G1∪G2 ={1,4,6}∪{3,5}∪{2}
4.3 状态空间的分解 由状态转移图可知各状态的周期d=3, 固定状态i=1，令 故C=G0∪G1∪G2 ={1,4,6}∪{3,5}∪{2} 此在C中的运动如下图所示。

72 定理4.12 设{Xn,n0}是周期为d的不可约马氏链，则在定理4.11的结论下有
4.3 状态空间的分解 定理 设{Xn,n0}是周期为d的不可约马氏链，则在定理4.11的结论下有 (1)如只在0,d,2d,上考虑{Xn}，即得一新马氏链{Xnd} ，其转移矩阵 ，对此新链，每一Gr是不可约闭集，且Gr中的状态是非周期的； (2)如原马氏链{Xn}常返，则新马氏链{Xnd}也常返。

73 例4.15 设{Xn}为例4.14中的马氏链，已知d=3，则{Xnd, n0}的转移矩阵为
4.3 状态空间的分解 例 设{Xn}为例4.14中的马氏链，已知d=3，则{Xnd, n0}的转移矩阵为

74 4.3 状态空间的分解 由子链 {X3n}的状态转移图可知 G0={1,4,6}，G1={3,5}，G2={2} 各形成不可约闭集，周期为1

75 G0={1,4,6} G1={3,5} G3={2} {Xn} d=3 {Xnd} 非周期, 不可约闭集

76 从而 4.4 渐近性质与平稳分布 考虑 渐近性质 定理4.13 如j非常返或零常返，则 证 若j非常返，则由定理4.5，
4.4 渐近性质与平稳分布 考虑 渐近性质 定理4.13 如j非常返或零常返，则 证 若j非常返，则由定理4.5， 从而 若j零常返，则由定理4.7推论，

77 4.4 渐近性质与平稳分布 由定理4.4，对N<n，有 固定N，先令n，则

78 4.4 渐近性质与平稳分布

79 推论1 有限状态的马氏链，不可能全是非常返状态，也不可能含有零常返状态，从而不可约的有限状态的马氏链必为正常返的。
4.4 渐近性质与平稳分布 推论1 有限状态的马氏链，不可能全是非常返状态，也不可能含有零常返状态，从而不可约的有限状态的马氏链必为正常返的。 证 设I={0, 1, , N}，如I全是非常返状态，则对任意i, jI，由定理4.13知 故 矛盾。

80 如I含有零常返状态i，则C={j:ij}是有限不可约闭集，由定理4.10知，C中均为零常返状态，由定理4.13知，
4.4 渐近性质与平稳分布 如I含有零常返状态i，则C={j:ij}是有限不可约闭集，由定理4.10知，C中均为零常返状态，由定理4.13知， 由引理4.5知 所以

81 推论2 如马氏链有一个零常返状态，则必有无限多个零常返状态。
4.4 渐近性质与平稳分布 推论2 如马氏链有一个零常返状态，则必有无限多个零常返状态。 证 设i为零常返状态，则C={j:ij}是不可约闭集，C中均为零常返状态，故C不能是有限集。否则，

82 当j是正常返状态时， 不一定存在，即使存在也可能与i有关。我们考虑
4.4 渐近性质与平稳分布 当j是正常返状态时， 不一定存在，即使存在也可能与i有关。我们考虑

83 定理4.14 如j是正常返状态，周期为d，则对任意i及0 r d-1，有
4.4 渐近性质与平稳分布 定理 如j是正常返状态，周期为d，则对任意i及0 r d-1，有 证 对d的非正整数倍数的n， (定理4.4，及设v-r=md，则v=md+r)

84 固定N，先令n，再令N，由定理4.7可得
4.4 渐近性质与平稳分布 于是，对1Nn有 固定N，先令n，再令N，由定理4.7可得 从而

85 推论 设不可约、正常返、周期为d的马氏链，其状态空间为C，则对一切i, jC有
4.4 渐近性质与平稳分布 推论 设不可约、正常返、周期为d的马氏链，其状态空间为C，则对一切i, jC有 其中 为定理4.11中所给出 当d=1时，则对一切i, j有

86 推论 如{Xn}不可约、常返，则对任意 i, j有
4.4 渐近性质与平稳分布 定理 对任意状态i, j有 推论 如{Xn}不可约、常返，则对任意 i, j有

87 j常返 j非常返 零常返 正常返

88 设是{Xn, n0}齐次马尔可夫链，状态空间为I，转移概率为pij
4.4 渐近性质与平稳分布 下面考虑平稳分布 设是{Xn, n0}齐次马尔可夫链，状态空间为I，转移概率为pij 定义 称概率分布{j , jI}为马尔可夫链的平稳分布，若

89 (1)若初始概率分布{pj , jI}是平稳分布，则 pj = pj(1)= pj(2) =  = pj(n)
4.4 渐近性质与平稳分布 注： (1)若初始概率分布{pj , jI}是平稳分布，则 pj = pj(1)= pj(2) =  = pj(n) (2)对平稳分布{j , jI}，有 矩阵形式  = P(n) 其中 =(j)，P(n) =( )

90 定理4.16 不可约非周期马尔可夫链是正常返的充要条件是存在平稳分布，且此平稳分布就是极限分布
4.4 渐近性质与平稳分布 定理 不可约非周期马尔可夫链是正常返的充要条件是存在平稳分布，且此平稳分布就是极限分布 推论1 有限状态的不可约非周期马尔可夫链必存在平稳分布。 推论2 若不可约马尔可夫链的所有状态是非常返或零常返，则不存在平稳分布。

91 推论3 若{j , jI}是马尔可夫链的平稳分布，则
4.4 渐近性质与平稳分布 推论3 若{j , jI}是马尔可夫链的平稳分布，则 例 设马尔可夫链的转移概率矩阵为 求马尔可夫链的平稳分布及各状态的平均返回时间。

92 解 因为马尔可夫链是不可约非周期有限状态的，所以平稳分布存在，设 =(1, 2, 3 )，则 =  P，1+2+3=1即
4.4 渐近性质与平稳分布 解 因为马尔可夫链是不可约非周期有限状态的，所以平稳分布存在，设 =(1, 2, 3 )，则 =  P，1+2+3=1即 各状态的平均返回时间为

93 4.4 渐近性质与平稳分布 例 设马尔可夫链具有状态空间I={0,1,2,}，转移概率为pi,i+1=pi , pii=ri , pi,i-1=qi (i  0)，其中q0=0, pi , qi >0, pi +ri+qi=1。此马尔可夫链为生灭链，它是不可约的。记a0=1， 证此马尔可夫链存在平稳分布的充要条件为

94 4.4 渐近性质与平稳分布 证 设{j , jI}是平稳分布

95 4.4 渐近性质与平稳分布

96 4.4 渐近性质与平稳分布 例 设马尔可夫链转移概率矩阵为 求每一个不可约闭集的平稳分布。

97 4.4 渐近性质与平稳分布 解 从状态转移图看出，状态空间可分解为两个不可约常返闭集C1={2,3,4}和C2={5,6,7}，一个非常返集N={1}。在常返集上求平稳分布。

98 在C1上，对应的转移概率矩阵为 C1上的平稳分布为{0, 0.4, 0.2, 0.4, 0, 0, 0} 同理可求得C2上的平稳分布为
4.4 渐近性质与平稳分布 在C1上，对应的转移概率矩阵为 C1上的平稳分布为{0, 0.4, 0.2, 0.4, 0, 0, 0} 同理可求得C2上的平稳分布为 {0, 0, 0, 0, 1/3, 1/3, 1/3}

99 马尔可夫过程 （无后效性） 马尔可夫链（状态、时间离散） 齐次马尔可夫链（转移概率与时间无关）
马尔可夫过程 （无后效性） 马尔可夫链（状态、时间离散） 齐次马尔可夫链（转移概率与时间无关） 有限状态 不可约性 周期性 常返性 结 论 零常返 存在无限个零常返状态  正常返 × 存在平稳分布 零常返、非常返 不存在平稳分布