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マルコフ連鎖

マルコフ連鎖

マルコフ連鎖(Markov chain)

ある時点TTの確率変数YTY_Tの確率密度関数が、一期前の実現値yt−1y_{t-1}にのみ依存する、すなわち

f(yt∣y0,y1,⋯ ,yt−1)=f(yt∣yt−1)f(y_t|y_0,y_1,\cdots,y_{t-1}) = f(y_t|y_{t-1})

を満たす確率過程を マルコフ連鎖(Markov chain) という。

有限・離散での簡単な数値例

状態集合{A,B,C}\{A,B,C\}があるとし、それぞれに遷移する確率を行列として表す

P=(0.10.60.30.40.50.10.20.30.5)P=\left(\begin{array}{lll} 0.1 & 0.6 & 0.3 \\ 0.4 & 0.5 & 0.1 \\ 0.2 & 0.3 & 0.5 \end{array}\right)

(※実際のベイズ推定だと連続値のパラメータであり状態集合が無限で、明示的な遷移確率行列は出せない)

Source
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t=1, p=array([0.01, 0.06, 0.03])
t=2, p=array([0.031, 0.045, 0.024])
t=  1 mu: {'A': 0.01, 'B': 0.06, 'C': 0.03}
t=  2 mu: {'A': 0.031, 'B': 0.045, 'C': 0.024}
t=  5 mu: {'A': 0.026779, 'B': 0.047607, 'C': 0.025614}
t= 10 mu: {'A': 0.026829, 'B': 0.047561, 'C': 0.02561}
t= 30 mu: {'A': 0.026829, 'B': 0.047561, 'C': 0.02561}
t=100 mu: {'A': 0.026829, 'B': 0.047561, 'C': 0.02561}

定常分布π\piは

π=πP,∑iπi=1\pi=\pi P, \quad \sum_i \pi_i=1

を満たすベクトル。固有ベクトルで求めることもできる。

(ベイズ推定の場合、定常分布じゃなくサンプルがほしいのと、状態が離散じゃなく連続であり遷移確率行列が明示的に求まらないのでこの方法は使わない)

stationary pi: {'A': 0.268293, 'B': 0.47561, 'C': 0.256098}
empirical: {'A': 0.269089, 'B': 0.475783, 'C': 0.255129}
stationary: {'A': 0.268293, 'B': 0.47561, 'C': 0.256098}