马尔科夫链常返性的判断

马尔科夫链常返性判据

设 fij(n) 为 t=0 时质点处于 i 处,t=n 时质点处于 j 处且 t<n 时质点不处于 i 处的概率(首次到达概率)。则马尔科夫链的某处 i 是否常返即问

∑n=1∞fii(n)=1

是否成立。

记 pij(n) 为 t=0 时质点处于 i 处,t=n 时质点处于 j 处的概率(不用首次)。则有关系:

pij(n)=∑m=0n−1pij(m)fjj(n−m)

规定 fjj(0)=0,取 i=j,可得:

(#)pii(n)=∑m=0npii(m)fii(n−m),      n≥1

注意该式只对 n≥1 成立。这其实是一个卷积。

利用:

∑n=0∞sn∑m=0nbmcn−m=(∑n=0∞bnsn)(∑n=0∞cnsn)

对 (#) 式 ×sn 并从 n=1 开始求和。

LHS=∑n=1∞pii(n)sn=∑n=0∞pii(n)sn−1RHS=∑n=1∞sn∑m=0∞pii(m)fii(n−m)        =∑n=0∞sn∑m=0∞pii(m)fii(n−m)               =(∑n=0∞pii(n)sn)(∑n=0∞fii(n)sn)⇒∑n=0∞pii(n)sn=11−∑n=0∞fii(n)sn

取 s→1,则得

∑n=0∞pii(n)=11−∑n=0∞fii(n)

故若常返,则有 ∑n=0∞pii(n) 发散。此为常返性的判据。

利用它可以判别随机游走的常返性。