详解机器学习中的马尔可夫链

一、概念

马尔可夫链(Markov Chain, MC)是具有 "无后效性" 的随机过程 ,核心是 "未来状态的概率仅依赖于当前状态,与更早期的状态无关"。它是时间序列分析、强化学习、蒙特卡洛方法(MCMC)等领域的基础数学模型,广泛用于描述状态随时间随机转移的系统(如天气变化、股票波动、用户行为序列等)。

二、原理

马尔可夫链的本质是马尔可夫性(Markov Property) ,其数学定义为:对于任意时刻 t,系统的下一个状态的条件概率,仅由当前状态决定,与历史状态无关。即:

三、构成要素

一个完整的马尔可夫链由3个核心要素构成,缺一不可。

1、状态空间S

系统所有可能的 "状态" 集合,可分为离散状态空间 (有限或无限)和连续状态空间(通常称为 "马尔可夫过程")。

  • 离散有限集合:如天气,S={晴,雨,阴};
  • 离散无限集合:如随机游走,S={...,-2,-1,0,1,2,...},状态为整数位置;
  • 连续集合:如温度,S={-50,50},状态为温度值,连续,此时为马尔可夫过程。

2、转移概率矩阵P

描述 "从一个状态转移到另一个状态的概率",是马尔可夫链的 "动态核心"。对于离散状态空间,转移概率矩阵 P 是一个 n × n 的矩阵,其中元素表示"当前状态为时,下一个状态为的概率",即:

转移概率矩阵具有如下几个关键性质:

  • 每行元素之和为1(概率的归一性):,从任意状态出发,下一个状态必属于S;
  • 元素非负:大于等于0,因为概率不能为负数。

3、初始状态分布

系统在初始时刻 t=0 的状态概率分布,即,满足,且。例如,当天气的初始时刻(t=0)为晴的概率是0.5,雨的概率是0.3,阴的概率是0.2,则有:

四、关键性质(离散有限状态)

马尔可夫链的长期行为由其结构决定,核心性质包括:

1、齐次性(时间齐次性)

转移概率不随时间变化,即从状态的概率,在任意时刻t都相同,数学表达式为:

大多数场景下默认讨论 "齐次马尔可夫链"(如天气转移概率不随季节变化),非齐次链(转移概率随时间变)需额外标注。

2、不可约性

对于任意两个状态,存在某个时刻,使得从出发经过k步转移到的概率大于0。即系统可以从任意一个状态到达其他任意状态,不存在孤立的子状态集合。

为了直观理解,我们可以举一个反例,若状态空间分为{晴,阴}和{雨},且 "晴 / 阴无法转移到雨,雨也无法转移到晴 / 阴",则该链是 "可约的"。

3、遍历性

若马尔可夫链不可约且 "非周期"(状态的返回周期为 1,即不会陷入 "晴→阴→晴→阴" 的固定周期循环),则存在平稳分布,满足。且无论初始分布如何,当转移步数时,k步转移概率矩阵的每行都会收敛到

简单来说,就是系统长期运行后,状态分布会稳定在一个固定的平稳分布上,与初始状态无关。例如天气链长期运行后,晴、雨、阴的概率会稳定在某个值,不再变化。

五、示例

这里,我们用矩阵表示马尔可夫链状态转移,并计算平稳分布。设有三个状态S={s1,s2,s3},则其状态转移概率矩阵P定义为:

其中,表示从状态转移到的概率,且每行元素之和为1,满足概率归一性。这里,我们设定每个状态的具体数值,有:

下面我们计算平稳分布,根据定义,平稳分布需要满足以下条件:

  • 转移后分布不变:
  • 概率归一性:
  • 非负性:

我们将展开为方程组有:

解方程得,验证得,满足平稳分布条件。

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