转移矩阵与边缘演化
设时间 n∈Z≥0,状态空间为有限集 E={1,…,K},自然信息流为 FnX:=σ(X0,…,Xn)。随机过程 (Xn)n≥0 称为时齐有限状态离散时间马尔可夫链(FSDTMC),如果存在矩阵 Q=(Qij)K×K,使得对任意 n∈Z≥0 与 j∈E,
P(Xn+1=j∣FnX)=P(Xn+1=j∣Xn)=QXn,jP-a.s.
flowchart LR
X0["$$X_0$$"] -->|"$$Q$$"| X1["$$X_1$$"]
X1 -.-> Xnm1["$$X_{n-1}$$"]
Xnm1 -->|"$$Q$$"| Xn["$$X_n$$"]
当 P(Xn=i)>0 时,Qij=P(Xn+1=j∣Xn=i)。转移矩阵 Q 是行随机矩阵:
Qij≥0,j=1∑KQij=1,Q1=1,
其中 1=(1,…,1)⊤∈RK。
由 Markov 性,有限维联合分布为
P(X0=i0,…,Xn=in)=P(X0=i0)k=1∏nQik−1,ik.
将时刻 n 的边缘分布写成行向量 νn∈R1×K,(νn)i=P(Xn=i)。由全概率公式
P(Xn=j)=i=1∑KP(Xn−1=i)Qij,
得
νn=νn−1Q,νn=ν0Qn.
平稳分布
记概率单纯形为
ΔK−1:={ν∈R1×K:νi≥0, ν1=1}.
若行向量 π∈ΔK−1 满足
πQ=π,
则称 π 为 Q 的平稳分布。当初始分布 ν0=π 时,对任意 n≥0 有 νn=πQn=π。
可达、沟通类与周期
若存在 n≥0 使 (Qn)ij>0,称 j 由 i 可达,记作 i→j(当 i=j 时,因 (Q0)ij=Iij=0,必有 n≥1)。若 i→j 且 j→i,称 i 与 j 沟通,记作 i↔j。
命题。 沟通关系 ↔ 是 E 上的等价关系。
-
自反性:对任意 i∈E,取 n=0,有 (Q0)ii=Iii=1>0,故 i→i,从而 i↔i。
-
对称性:若 i↔j,则 i→j 且 j→i,由定义即有 j↔i。
-
传递性:设 i↔j 且 j↔k。由 i→j 与 j→k,存在 m,n≥0 使 (Qm)ij>0 且 (Qn)jk>0。由矩阵乘法及 Q 的非负性
(Qm+n)ik=ℓ=1∑K(Qm)iℓ(Qn)ℓk≥(Qm)ij(Qn)jk>0,
故 i→k。同理,由 k→j 与 j→i 可得 k→i。因此 i↔k。
综上,↔ 满足自反性、对称性与传递性,是 E 上的等价关系。□
等价关系 ↔ 将 E 划分为互不相交的等价类,称为沟通类。当 E 只有一个沟通类时,称链不可约。
沟通类 C 称为闭沟通类,如果
i∈C, j∈/C⟹Qij=0.
若存在 j∈C 使 i→j(由类内状态互通及传递性,这等价于对任意 j∈C 均有 i→j),称状态 i 可到达沟通类 C。
命题。 有限状态链至少存在一个闭沟通类,且每个状态都能到达某个闭沟通类。
任取初始状态 y0∈E,记其所在的沟通类为 C(0)。按如下方式归纳构造状态序列 y0,y1,… 及其所在的沟通类 C(0),C(1),…:
设已得到 y0,y1,…,yk 及沟通类 C(0),C(1),…,C(k)(yp∈C(p)),满足
y0→y1→⋯→yk.
- 若 C(k) 是闭沟通类,则构造终止。此时由可达关系的传递性有 y0→yk∈C(k),即 y0 可到达闭沟通类 C(k)。
- 若 C(k) 不是闭沟通类,由定义知存在 xk∈C(k) 与 yk+1∈/C(k) 使 Qxkyk+1>0(从而 xk→yk+1)。记 yk+1 所在的沟通类为 C(k+1)。因 yk,xk∈C(k),有 yk→xk,故 yk→yk+1。
下证新沟通类 C(k+1) 与已有的 C(0),…,C(k) 均不相同。若存在 0≤p≤k 使 C(k+1)=C(p),则 yk+1 与 yp 属于同一沟通类,故 yk+1→yp;结合 yp→⋯→yk 得 yk+1→yk。又已知 yk→yk+1,故 yk↔yk+1,即 yk+1∈C(k),与 yk+1∈/C(k) 的选取矛盾。
因此,构造每延续一步都会产生一个新的沟通类。由于有限集 E={1,…,K} 至多划分为 K 个互不相交的沟通类,该构造至多进行 K−1 步必终止于某个闭沟通类 C(r)(0≤r≤K−1),且 y0→yr∈C(r)。
由 y0∈E 的任意性,每个状态都能到达某个闭沟通类;特别地,因 E=∅,至少存在一个闭沟通类。□
记全部闭沟通类为 C1,…,Cm(m≥1),其余状态构成的集合
T:=E∖k=1⋃mCk
称为暂态集,T 中的状态称为暂态。
对状态 i,若返回步数集合 {n≥1:(Qn)ii>0} 非空,定义其周期为
d(i):=gcd{n≥1:(Qn)ii>0}.
d(i)=1 时称 i 非周期,d(i)>1 时称 i 为周期状态。在有限不可约链中,每个状态的返回步数集合都非空(∣E∣=1 时 Q11=1;∣E∣≥2 时取 j=i,由 i→j→i 即得正长度返回路径)。
命题。 同一沟通类中的状态具有相同的周期。
设 i↔j,且 i 的返回步数集合非空。取 r,s≥1 使 (Qr)ij>0、(Qs)ji>0。因 Q 的各次幂均为非负矩阵,由矩阵乘法 Qs+r=QsQr 并只保留求和中的 k=i 项,得
(Qs+r)jj=k=1∑K(Qs)jk(Qr)kj≥(Qs)ji(Qr)ij>0,
故 j 的返回步数集合非空,且 d(j)∣(s+r)。对任意满足 (Qn)ii>0 的 n≥1,由 Qs+n+r=QsQnQr 并只保留双重求和中的 (k,ℓ)=(i,i) 项,有
(Qs+n+r)jj=ℓ=1∑K(Qs+n)jℓ(Qr)ℓj=k=1∑Kℓ=1∑K(Qs)jk(Qn)kℓ(Qr)ℓj≥(Qs)ji(Qn)ii(Qr)ij>0,
故 d(j)∣(s+n+r)。结合 d(j)∣(s+r) 得 d(j)∣n。由 n 的任意性知 d(j)∣d(i)。交换 i,j 得 d(i)∣d(j),故 d(i)=d(j)。□
不可约链的所有状态具有共同周期 d;d=1 时称链非周期。
例如二状态交替链
Q=(0110)
不可约,周期 d=2,由 πQ=π 与 π1=1 得唯一平稳分布 π=(1/2,1/2)。对任意初始分布 ν0=(a,b)(a,b≥0,a+b=1),有
ν1=ν0Q=(a,b)(0110)=(b,a),ν2=ν1Q=(b,a)(0110)=(a,b).
一般地,ν2k=(a,b),ν2k+1=(b,a)。当 a=b 时,νn 在 (a,b) 与 (b,a) 之间交替,极限不存在。
平稳分布的存在性
命题。 每个有限状态行随机矩阵 Q 都至少有一个平稳分布。
由 Q1=1 知 det(Q−I)=0,从而 det(Q⊤−I)=0。故存在非零实向量 v∈R1×K 满足
vQ=v.
对第 j 个分量应用三角不等式及 Qij≥0:
∣vj∣=i=1∑KviQij≤i=1∑K∣vi∣Qij.
记 ∣v∣=(∣v1∣,…,∣vK∣),则逐分量有 ∣v∣≤∣v∣Q。两边右乘 1,由 Q1=1 得
∣v∣1≤∣v∣Q1=∣v∣1.
因 ∣v∣Q−∣v∣ 各分量非负且分量之和为 0,故
∣v∣Q=∣v∣.
由 v=0 知 S:=∣v∣1>0。令 π:=S−1∣v∣,则 π∈ΔK−1 且 πQ=π。□
任取 ν0∈ΔK−1,定义
νˉN:=N1n=0∑N−1ν0Qn∈ΔK−1.
右乘 Q 作差:
νˉNQ−νˉN=N1n=0∑N−1(ν0Qn+1−ν0Qn)=N1(ν0QN−ν0).
因 ν0QN,ν0∈ΔK−1,对每个分量 j 有
(νˉNQ−νˉN)j=N1(ν0QN)j−(ν0)j≤N1,
故 νˉNQ−νˉN→0。由于 ΔK−1 是 R1×K 中的有界闭集(紧集),序列 (νˉN) 存在收敛子列 νˉNk→π∈ΔK−1(k→∞)。沿该子列取极限,由矩阵乘法的连续性得
0=k→∞lim(νˉNkQ−νˉNk)=(k→∞limνˉNk)Q−k→∞limνˉNk=πQ−π,
即 πQ=π。□
平稳分布的唯一性
定理。 若 Q 不可约,则平稳分布 π 唯一,并且对所有 i∈E 有 πi>0。
平稳分布的存在性已由上一节命题保证。先证一个基本性质:若非负行向量 u∈R1×K(u≥0)满足 uQ=u,且存在 i∈E 使 ui>0,则对所有 j∈E 均有 uj>0。事实上,由 uQ=u 归纳可得对任意 n≥0 有 uQn=u。对任意 j∈E,由不可约性(i→j)存在 n≥0 使 (Qn)ij>0。因 u 与 Qn 的各分量均非负,只保留求和中的 k=i 项即得
uj=(uQn)j=k=1∑Kuk(Qn)kj≥ui(Qn)ij>0.
换言之,满足 u≥0 与 uQ=u 的向量要么恒为 0,要么每个分量严格为正。
-
严格正性:设 π∈ΔK−1 是平稳分布,则 π≥0 且 πQ=π。由 ∑i=1Kπi=1 知 π=0,故由上述性质得对所有 i∈E 有 πi>0。
-
唯一性:设 π,π~∈ΔK−1 均为平稳分布。由严格正性知对所有 i∈E 有 π~i>0,又 E 为有限集,故可定义
c:=i∈Emaxπ~iπi>0,u:=cπ~−π.
对任意 i∈E,由 c≥πi/π~i 及 π~i>0 知 ui=cπ~i−πi≥0,即 u≥0;且存在达到最大值的指标 j∈E 使 uj=0。同时由线性性有
uQ=(cπ~−π)Q=cπ~Q−πQ=cπ~−π=u.
若 u=0,由开头所证性质必有对所有 i∈E 成立 ui>0,这与 uj=0 矛盾。因此 u=0,即 π=cπ~。两边右乘 1,由 π1=π~1=1 得 c=1,故 π=π~。□
定理。 设闭沟通类为 C1,…,Cm,T 为暂态集。
- 每个 Ck 上的限制子矩阵 Qk 是有限不可约行随机矩阵,有唯一且处处为正的平稳分布 π(k)。将其在 Ck 外补 0,得到全空间上的平稳分布 π~(k)。
- Q 的全体平稳分布为
π=k=1∑mαkπ~(k),αk≥0,k=1∑mαk=1,
其中系数 αk=∑i∈Ckπi 由 π 唯一确定。
- 平稳分布唯一当且仅当 m=1。
按 T,C1,…,Cm 排列状态。因闭沟通类 Ck 无流出边(i∈Ck, j∈/Ck⟹Qij=0),在 Ck 所在行块中,除对角块 Qk:=(Qij)i,j∈Ck 外其余块均为 0,转移矩阵呈分块上三角形式:
Q=QTT00⋮0A1Q10⋮0A20Q2⋮0⋯⋯⋯⋱⋯Am00⋮Qm,
其中 QTT=(Qij)i,j∈T,Ak=(Qij)i∈T,j∈Ck。以下依次证明定理的三项结论:
证明结论 1: 固定 k∈{1,…,m}。
-
Qk 是行随机矩阵:对任意 i∈Ck,有 (Qk)ij=Qij≥0(∀j∈Ck);又当 j∈/Ck 时 Qij=0,故
j∈Ck∑(Qk)ij=j∈Ck∑Qij+j∈/Ck∑Qij=j∈E∑Qij=1.
-
Qk 不可约:由分块结构归纳可知,对任意 n≥0,Qn 在 Ck×Ck 上的子块恰为 Qkn,即 (Qkn)ij=(Qn)ij(∀i,j∈Ck)。因 Ck 是沟通类,对任意 i,j∈Ck 存在 n≥0 使 (Qn)ij>0,从而 (Qkn)ij>0,故 Qk 不可约。
-
π(k) 的存在唯一性与 π~(k) 的平稳性:由不可约链的唯一性定理,有限不可约行随机矩阵 Qk 存在唯一平稳分布 π(k)∈R1×∣Ck∣,满足 π(k)Qk=π(k)、π(k)1∣Ck∣=1 且对所有 i∈Ck 有 πi(k)>0。定义补零行向量 π~(k)∈R1×K:在分块顺序 (T,C1,…,Cm) 下,其第 k 个闭类分块为 π(k),其余分块均为 0,即
π~(k):=(0,0,…,π(k),…,0).
显然 π~i(k)≥0(∀i∈E),且 π~(k)1=π(k)1∣Ck∣=1,故 π~(k)∈ΔK−1。按分块矩阵乘法计算 π~(k)Q:
- 在 T 分块上为 0QTT=0;
- 在 Cℓ(ℓ=k)分块上为 0Aℓ+0Qℓ=0;
- 在 Ck 分块上为 0Ak+π(k)Qk=π(k)。
因此 π~(k)Q=π~(k),即 π~(k) 是 Q 的平稳分布。结论 1 得证。
证明结论 2: 分“必要性(任意平稳分布均可表为凸组合)”、“充分性(任意凸组合均为平稳分布)”与“系数唯一性”三步。
-
必要性:设 π=(x,y1,…,ym)∈ΔK−1 是 Q 的任一平稳分布,其中 x=(πi)i∈T,yk=(πi)i∈Ck。展开 πQ=π 得块方程组
x=xQTT,yk=xAk+ykQk(k=1,…,m).
先证 x=0(若 T=∅ 则无需此步)。设 T=∅,由 x=xQTT 归纳可得对任意 n≥1 有 x=xQTTn。对每个 i∈T,由前文命题知 i 可到达某个闭类,设到达 Tc:=⋃k=1mCk 的最短正概率路径为 i=i0→i1→⋯→ini∈Tc。由最短性,i0,…,ini−1 均在 T 内且两两不同,故步数满足 1≤ni≤∣T∣,且
δi:=j∈/T∑(Qni)ij≥(Qni)i,ini>0.
取 N:=∣T∣。因闭类无返回 T 的边,当 j∈/T 时,第 j 行的非零元全在 Tc 中,故对任意 r≥0 有 ∑ℓ∈/T(Qr)jℓ=1。由 QN=QniQN−ni 得
ℓ∈/T∑(QN)iℓ=j∈E∑(Qni)ijℓ∈/T∑(QN−ni)jℓ≥j∈/T∑(Qni)ij=1ℓ∈/T∑(QN−ni)jℓ=δi.
由分块上三角乘法知 QN 的左上块恰为 QTTN,故 QTTN 的第 i 行和满足
(QTTN1∣T∣)i=ℓ∈T∑(QN)iℓ=1−ℓ∈/T∑(QN)iℓ≤1−δi.
令 ε:=mini∈Tδi>0,则 ∥QTTN∥∞=maxi∈T(QTTN1∣T∣)i≤1−ε<1。结合 x=xQTTN 与 x≥0,两边右乘 1∣T∣ 得
x1∣T∣=xQTTN1∣T∣=i∈T∑xi(QTTN1∣T∣)i≤(1−ε)x1∣T∣.
因 ε>0 且 x1∣T∣≥0,必有 x1∣T∣=0,故 x=0。
将 x=0 代入块方程组,得 yk=ykQk(k=1,…,m)。对每个 k,定义
αk:=yk1∣Ck∣=i∈Ck∑πi≥0.
- 若 αk=0,由 yk≥0 知 yk=0=αkπ(k);
- 若 αk>0,令 y^k:=αk−1yk,则 y^k≥0、y^k1∣Ck∣=1 且 y^kQk=y^k,即 y^k 是 Qk 的平稳分布。由结论 1 中 π(k) 的唯一性得 y^k=π(k),故亦有 yk=αkπ(k)。
因此
π=(0,α1π(1),…,αmπ(m))=k=1∑mαkπ~(k),
且由 π1=1 与 x=0 得
k=1∑mαk=k=1∑mi∈Ck∑πi+i∈T∑πi=i∈E∑πi=1.
-
充分性:任取满足 αk≥0 与 ∑k=1mαk=1 的系数,令 π:=∑k=1mαkπ~(k)。由 π~(k)≥0 及 αk≥0 知 π≥0;同时
π1=k=1∑mαk(π~(k)1)=k=1∑mαk=1,πQ=k=1∑mαk(π~(k)Q)=k=1∑mαkπ~(k)=π,
故 π 是 Q 的平稳分布。
-
系数唯一性:设 π=∑ℓ=1mαℓπ~(ℓ)。因当 i∈Ck 时,对所有 ℓ=k 有 π~i(ℓ)=0,而 π~i(k)=πi(k),故在 Ck 上对分量求和得
i∈Ck∑πi=ℓ=1∑mαℓi∈Ck∑π~i(ℓ)=αki∈Ck∑πi(k)=αk.
因此系数 αk=∑i∈Ckπi 由 π 唯一确定。结论 2 得证。
证明结论 3:
- 充分性(m=1⟹ 平稳分布唯一):若 m=1,由结论 2 知任意平稳分布 π 必满足 π=α1π~(1) 且 α1=1,故 Q 有唯一平稳分布 π~(1)。
- 必要性(平稳分布唯一 ⟹m=1):若 m≥2,由结论 1 知 π~(1) 与 π~(2) 均为 Q 的平稳分布。取 i∈C1,因 C1∩C2=∅,有 π~i(1)=πi(1)>0 而 π~i(2)=0,故 π~(1)=π~(2),平稳分布不唯一(事实上,对任意 α∈[0,1],απ~(1)+(1−α)π~(2) 均为互不相同的平稳分布)。
因此平稳分布唯一当且仅当 m=1。结论 3 得证。□
当 m=1 且 T=∅ 时,平稳分布唯一但在暂态上取 0。例如
Q=(1100)
中,C1={1},T={2},唯一平稳分布为 (1,0)。而
Q=(1001)
有两个闭类 C1={1}、C2={2},平稳分布全体为 (α,1−α)(0≤α≤1)。
分布的收敛
非负方阵 Q 称为本原矩阵,如果存在整数 m≥1 使 Qm 的所有元素严格为正(记作 Qm>0)。
引理。 有限不可约非周期行随机矩阵是本原矩阵。
固定 i∈E,令 G:={n≥1:(Qn)ii>0}。由有限不可约性知 G 非空,且对加法封闭(a,b∈G⟹a+b∈G)。由非周期性知 gcd(G)=1,故存在有限个 g1,…,gℓ∈G 使 gcd(g1,…,gℓ)=1,从而存在整数 z1,…,zℓ 使 ∑s=1ℓzsgs=1。令
G+:=zs>0∑zsgs,G−:=zs<0∑(−zs)gs,
则 G+=G−+1≥1。
若 G−=0,则 1∈G,从而一切正整数均属于 G。若 G−≥1,则 G+,G−∈G 且 G+≡1(modG−)。对任意整数 n≥max{1,(G−−1)G+},取 r=nmodG−∈{0,…,G−−1},则 rG+≡n(modG−),且
n−rG+≥n−(G−−1)G+≥0.
记 s:=(n−rG+)/G−≥0,则 n=rG++sG−∈G。
因此存在 Ni≥1,使一切 n≥Ni 均满足 (Qn)ii>0。对每个 j∈E,取 rj≥0 使 (Qrj)ij>0(其中 ri=0),令 Ri:=maxj∈Erj。当 m≥Ni+Ri 时,对任意 j∈E 有 m−rj≥Ni,故
(Qm)ij≥(Qm−rj)ii(Qrj)ij>0.
取 m:=maxi∈E(Ni+Ri),即得 Qm>0。□
定理。 设 Q 恰好有一个闭沟通类,且该闭类非周期,π 为唯一平稳分布。则
Qn⟶1π.
从而对任意初始分布 ν0∈ΔK−1,都有 ν0Qn→π。
先设 Q 不可约且非周期(即 T=∅)。由上引理知 Q 为本原矩阵。由 Q1=1 及 ∥Q∥∞=1 知谱半径 ρ(Q)=1。由本原非负矩阵的 Perron—Frobenius 定理,特征值 1 的代数重数为 1,且其余特征值均满足 ∣λ∣<1。特征值 1 的右特征向量为 1,左特征向量为 π,且 π1=1,故对应的谱投影为 1π。对任一满足 ∣λ∣<1 的 r 阶 Jordan 块 J=λI+N(Nr=0),有
Jn=s=0∑r−1(sn)λn−sNs⟶0(n→∞),
故 Qn→1π。左乘 ν0 得 ν0Qn→ν01π=π。
再设唯一闭沟通类 C1 非周期,而 T 可能非空。限制矩阵 Q1 不可约且非周期,故对每个 j∈C1,
δn:=i∈C1max(Q1n)ij−πj(1)⟶0.
由前面暂态逃逸的估计,存在 N≥1 与 ε∈(0,1] 使 ∥QTTN∥∞≤1−ε,故 ∥QTTkN∥∞≤(1−ε)k,从而 QTTn→0。当 j∈T 时,πj=0,且对任意 i∈E 有 (Qn)ij≤Pi(Xn∈T)→0=πj。
当 j∈C1 时,若 i∈C1,则 (Qn)ij=(Q1n)ij→πj。若 i∈T,记进入 C1 的首达时为 σ,则
Pi(Xn=j)=t=1∑na∈C1∑Pi(σ=t,Xt=a)(Q1n−t)aj.
因 {σ>n}={Xn∈T},有 Pi(σ>kN)≤(1−ε)k,故 Pi(σ>n)→0。又
Pi(Xn=j)−πjPi(σ≤n)≤t=1∑nPi(σ=t)δn−t.
对任意 η>0,取 M 使 n≥M 时 δn<η,再取 n>M 使 Pi(σ>n−M)<η。由于 δn−t≤1,将和式按 t≤n−M 与 t>n−M 拆开可得上式右端小于 2η,且 πjPi(σ>n)<η。故当 n 充分大时 (Qn)ij−πj<3η,即 (Qn)ij→πj。因此 Qn→1π。□
算例:均匀重置链
设 E={1,…,K},α∈(0,1)。每一步以概率 1−α 留在当前状态,以概率 α 从 E 中均匀抽取下一状态:
Qij={1−α+α/Kα/Kj=i,j=i.
令 J:=K111⊤,则 Q=(1−α)I+αJ。由 1⊤1=K 知 J2=J,(I−J)2=I−J,且 J(I−J)=(I−J)J=0。将 Q 写为互补投影之和
Q=J+(1−α)(I−J),
则对任意 n≥1,
Qn=(J+(1−α)(I−J))n=Jn+(1−α)n(I−J)n=J+(1−α)n(I−J).
均匀分布 π=K11⊤ 满足 πJ=π,故 πQ=(1−α)π+απ=π。对任意初始分布 ν0∈ΔK−1,由 ν01=1 得
ν0J=K1(ν01)1⊤=π,ν0(I−J)=ν0−π,
从而
νn=ν0Qn=π+(1−α)n(ν0−π)n→∞π.
算例:环上惰性随机游走
设 K≥3,α∈(0,1),状态空间取环 E=ZK={0,1,…,K−1}。每一步以概率 1−α 停留原地,以概率 α/2 移至左邻或右邻:
Qij=⎩⎨⎧1−αα/20j=i,j≡i±1(modK),其他.
Q 由首行 (1−α,α/2,0,…,0,α/2) 循环生成,故为双随机矩阵(行和与列和均为 1),均匀分布 π=K11⊤ 满足 πQ=π。沿环逐步转移可到达任意状态,故链不可约;又 Qii=1−α>0,故周期 d=1。由收敛定理知 Qn→1π,对任意初始分布 ν0 均有 νn→π。
Cesàro 平均收敛
当唯一闭沟通类有周期时,νn=ν0Qn 未必逐时刻收敛,但其 Cesàro 平均仍然收敛。
定理。 若 π 是 Q 的唯一平稳分布,则对任意 ν0∈ΔK−1,
N1n=0∑N−1ν0Qn⟶π.
记 νˉN:=N−1∑n=0N−1ν0Qn∈ΔK−1。由存在性证明二知 ∥νˉNQ−νˉN∥∞≤1/N。对 νˉN 的任一收敛子列 νˉNk→μ,有 μ∈ΔK−1 且 μQ=μ;由平稳分布唯一性得 μ=π。
若 νˉN 不收敛于 π,则存在 ε>0 及子列使 ∥νˉNk−π∥∞≥ε。因 ΔK−1 紧,该子列存在收敛子列,其极限与 π 的距离至少为 ε,矛盾。故 νˉN→π。□
从谱上看,周期链在单位圆上除 1 外的特征值 λ(∣λ∣=1, λ=1)满足
N1n=0∑N−1λn=N(1−λ)1−λN⟶0,
Cesàro 平均消去了单位圆上非 1 特征值对应的振荡分量。
样本路径的时间平均
定理(遍历定理)。 设链有限且不可约,π 为唯一平稳分布。则对任意函数 f:E→R 和任意初始分布 ν0,
N1n=0∑N−1f(Xn)a.s.N→∞i=1∑Kπif(i).
特别地,取 f=1{j},得状态 j 的长期访问频率:
N1n=0∑N−11{Xn=j}a.s.N→∞πj.
记 Pi、Ei 为从 X0=i 出发的概率与期望。固定状态 r∈E,定义首次正返回时
τ:=inf{n≥1:Xn=r}.
先证 Er[τ]<∞。由不可约性,对每个 i=r 存在步数 ni≤K−1 使 Pi(Xni=r)>0;对 r 存在最短正返回路径,步数 nr≤K,满足 Pr(τ≤nr)>0。取 ℓ:=maxi∈Eni≤K,并令
ε:=min({Pr(τ≤ℓ)}∪{Pi(Xni=r):i=r})>0,
则对任意 i=r,由 1≤ni≤ℓ 知 Pi(∃m∈{1,…,ℓ}, Xm=r)≥Pi(Xni=r)≥ε。因 {τ>n}={X1=r,…,Xn=r}∈FnX,且在事件 {τ>kℓ}(k≥1)上有 Xkℓ=r,由 Markov 性知在该事件上
Pr(τ>(k+1)ℓFkℓX)≤1−ε.
两边取期望并结合 k=0 时的 Pr(τ>ℓ)≤1−ε,归纳得 Pr(τ>kℓ)≤(1−ε)k(∀k≥0)。故 Pr(τ<∞)=1,且
Er[τ]=n=0∑∞Pr(τ>n)≤k=0∑∞ℓPr(τ>kℓ)≤εℓ<∞.
定义单循环内各状态的期望访问次数 m=(m1,…,mK):
mj:=Er[n=0∑τ−11{Xn=j}]=n=0∑∞Pr(Xn=j,τ>n).
显然 mr=1,且 ∑j=1Kmj=Er[τ]。由 {τ>n}∈FnX 及 Markov 性,
Pr(Xn=i,τ>n,Xn+1=j)=Pr(Xn=i,τ>n)Qij.
对 i 与 n 求和得
i=1∑KmiQij=n=0∑∞Pr(τ>n,Xn+1=j)=n=1∑∞Pr(τ≥n,Xn=j).
当 j=r 时,Xn=j 蕴含 τ=n,且 X0=r=j,故右端等于 ∑n=0∞Pr(τ>n,Xn=j)=mj;当 j=r 时,n≥1 且 Xn=r 蕴含 τ≤n,故 {τ≥n,Xn=r}={τ=n},右端等于
n=1∑∞Pr(τ=n)=Pr(τ<∞)=1=mr.
因此 mQ=m。由平稳分布唯一性及 m1=Er[τ],得
mj=πjEr[τ].
令 R:=∑n=0τ−1f(Xn),则 Er∣R∣≤∥f∥∞Er[τ]<∞,且
Er[R]=j=1∑Kf(j)mj=Er[τ]j=1∑Kπjf(j).
设 X0=r,定义依次返回 r 的停时列 τ0:=0,τk+1:=inf{n>τk:Xn=r},以及循环长度 Lk:=τk−τk−1、循环累计和 Rk:=∑n=τk−1τk−1f(Xn)。由强 Markov 性,(Lk,Rk)k≥1 在 Pr 下独立同分布,且与 (τ,R) 同分布。由强大数定律,在 Pr 下几乎必然有
M1k=1∑MRk⟶Er[R],M1k=1∑MLk⟶Er[τ],
从而
∑k=1MLk∑k=1MRk⟶j=1∑Kπjf(j).
对时刻 N,令 M(N):=max{M≥0:τM≤N},SM:=∑k=1MLk=τM。则 SM(N)≤N<SM(N)+1,M(N)→∞(Pr-a.s.),且
n=0∑N−1f(Xn)=k=1∑M(N)Rk+ρN,∣ρN∣≤∥f∥∞LM(N)+1.
由 SM/M→Er[τ] 及 SM(N)≤N<SM(N)+1 得 N/M(N)→Er[τ],SM(N)/N→1。又 LM/M=SM/M−SM−1/M→0,故
N∣ρN∣≤∥f∥∞M(N)+1LM(N)+1⋅NM(N)+1⟶0.
于是
N1n=0∑N−1f(Xn)=NSM(N)⋅SM(N)∑k=1M(N)Rk+NρNPr-a.s.N→∞j=1∑Kπjf(j).
若 X0=i=r,令首达时 σ:=inf{n≥0:Xn=r},同样有 Pi(σ>kℓ)≤(1−ε)k,故 σ<∞(Pi-a.s.)。σ 之前的有限和满足 ∑n=0σ−1f(Xn)/N≤∥f∥∞σ/N→0;对 N>σ,
N1n=σ∑N−1f(Xn)=NN−σ⋅N−σ1t=0∑N−σ−1f(Xσ+t)Pi-a.s.N→∞j=1∑Kπjf(j).
对一般初始分布 ν0,由 Pν0=∑i=1K(ν0)iPi 即得结论。□
若链恰有一个闭沟通类 C1(允许暂态集 T=∅),由于从任意状态进入 C1 的首达时几乎必然有限,且唯一平稳分布 π 在 T 上为 0,上述遍历定理对任意初始分布仍然成立。
条件汇总
对有限状态离散时间时齐马尔可夫链(转移矩阵 Q 行随机):
- 平稳分布存在:无额外条件。每个闭沟通类 Ck 对应唯一一个支撑在 Ck 上的平稳分布 π~(k),全体平稳分布为其凸组合,暂态上的平稳概率恒为 0。
- 平稳分布唯一:当且仅当闭沟通类恰好有一个(m=1)。若链不可约(m=1 且 T=∅),则唯一平稳分布满足 πi>0(∀i∈E)。
- Cesàro 平均与样本时间平均收敛:当 m=1 时,对任意初始分布 ν0 有 N1∑n=0N−1ν0Qn→π,且对任意 f:E→R 有 N1∑n=0N−1f(Xn)a.s.∑i=1Kπif(i)(无需非周期)。
- 逐时刻分布收敛:当 m=1 且该唯一闭沟通类非周期时,Qn→1π,从而对任意初始分布 ν0 有 ν0Qn→π。