前置

信息流与转移核

设 为概率空间, 为状态空间, 为取值于 的随机过程。它的自然信息流为

映射

称为一个 Markov 转移核,如果:

  1. 对每个 , 是 上的概率测度;
  2. 对每个 , 是 -可测函数。

若存在一族转移核 ,使得对任意 ,

则称 为离散时间马尔可夫链。这表示:给定当前状态以后,下一步的条件分布不再依赖更早的历史。

用核而不是点事件条件概率作定义有两个好处。第一,它适用于连续状态空间,此时通常有 ;第二,即使某个状态在时刻 的概率为零, 仍可作为链的转移机制在整个状态空间上定义。若只从给定过程提取条件分布,则正则条件概率一般需要 为标准 Borel 空间等假设,并且只在 的分布几乎处处意义下唯一。

对任意有界可测函数 ,记

Markov 性等价地写成

时齐链与多步转移

若所有 都等于同一个核 ,则称链是时齐的。核的复合定义为

反复使用塔式性质可得,对 ,

这就是离散时间的 Chapman—Kolmogorov 结构。

给定初始分布 和转移核 ,链的有限维分布由

确定。在标准的可测空间条件下,这些有限维分布构成一个过程的概率律。

有限状态链与行向量约定

现在令 ,。转移核等价于矩阵

是行随机矩阵:

其中 。本文始终把概率分布写成行向量;若 的分布为 ,则

中第二个等式只在 时可直接解释为点事件条件概率。

当 时, 这一比值式条件概率没有定义,不能据此定义或检验第 行。正确的对象是预先定义在所有状态上的核 (或矩阵 );Markov 条件只要求随机变量 与条件分布几乎处处相等。特别地,从一条固定初始分布下观察到的过程律,未必能识别永远不可达状态对应的矩阵行。

矩阵乘法给出多步转移:

这正是有限状态情形的 Chapman—Kolmogorov 方程。

平稳分布的存在性、唯一性与收敛条件见
平稳分布与遍历性。