Класифікація станів і ланцюгів Маркова
Властивості ланцюга Маркова та відповідно способи розв’язання пов’язаних з його аналізом задач істотно залежать від того, з яких саме станів він складається. У зв’язку з цим наведемо тут прийняту класифікацію станів скінченого ланцюга Маркова та обумовлену нею класифікацію самих ланцюгів Маркова.
Означення. Кажуть, що стан досягається зі стану
якщо існує таке число кроків
, що
, тобто з додатною ймовірністю ланцюг Маркова за
кроків переходить із стану
в стан
(включаючи випадок
).
У термінах ймовірностей першого досягнення той факт, що стан досягається зі стану
може бути визначений умовою
. Повертаючись до наших прикладів, можна легко переконатися в тому, що в прикладах 7, 9 всі стани розглядуваних там ланцюгів Маркова є досяжними з будь-яких станів, а в прикладі 8 всі стани досягаються зі станів
.
Означення. Множина станів називається поглинаючою (або замкненою), якщо кожний стан, який не входить в
, є недосяжний з жодного стану, який належить
, тобто, коли
для всіх
та
таких, що
належить
, а
не належить.
Звідси, зокрема, випливає, що окремий розгляд станів, які входять у замкнену множину, знову приводить до ланцюга Маркова, який можна вивчати незалежно.
Якщо один стан утворює замкнену множину, то він називається поглинаючим станом. Наприклад, стани та
у прикладі 8 є поглинаючими.
Означення. Стан і називається зворотним, якщо ймовірність повернення для нього дорівнює одиниці, тобто , і незворотним, якщо ця ймовірність менша від одиниці, тобто
.
Можна показати, що стан ланцюга Маркова є зворотним тоді і тільки тоді, коли середнє число повернень в нього нескінченне, і що з будь-якого зворотного стану не можна досягнути жодного незворотного стану. Крім цього, для того, щоби стан був незворотним необхідно і достатньо, щоб
.
Означення. Стан називається періодичним з періодом
, якщо
, коли
не є кратним
, і
– найбільше ціле число з цією властивістю (тобто система не може повернутися в стан
за час, відмінний від
. Стан
називається неперіодичним, якщо такого
не існує.
Означення. Стан і називається ергодичним, якщо він зворотний і неперіодичний.
Наведені означення різних типів станів марковського ланцюга становлять основу класифікації самих ланцюгів Маркова.
Означення. Ланцюг Маркова називається незвідним, якщо він не містить замкнених множин станів, відмінних від множини всіх станів.
З даного означення випливає, що незвідний скінченний ланцюг Маркова складається лише із зворотних станів, кожний з яких досягається з будь-якого іншого стану ланцюга. Отже, виходячи з означення замкненої (поглинаючої) множини станів, робимо висновок, що будь-яка така множина може розглядатися як незвідний скінченний ланцюг Маркова.
Означення. Ланцюг Маркова називається ергодичним, якщо він незвідний і всі його стани є ергодичними.
Властивість ергодичності для однорідного ланцюга Маркова в термінах перехідних ймовірностей означає, що існує таке ціле число
, що всі елементи матриці
є додатними.
Зауважимо, що при аналізі структури ланцюга Маркова слід розрізняти визначене вище поняття поглинаючої (замкненої) множини станів від множини поглинаючих станів. Очевидно, в останньому випадку ланцюг Маркова вже не може бути незвідним, оскільки не всі стани є взаємодосяжними (з поглинаючого стану жодний інший стан не досягається). Зрозуміло також, що такий ланцюг мусить містити незворотні стани, бо якщо поглинаючий стан є досяжним для деякого стану , то система вже не може повернутися в стан з ймовірністю одиниця (а тому стан
незворотний). Якщо в склад складного ланцюга Маркова входять і замкнені множини станів, то, як вже відзначалося, їх можна окремо аналізувати як незвідний ланцюг Маркова. У зв’язку з цим важливим є розгляд марковських ланцюгів, які містять лише поглинаючі та незворотні стани.
Означення. Ланцюг Маркова називається поглинаючим (ланцюгом з поглинанням), якщо він складається лише з поглинаючих та незворотних станів.