《运筹学思想方法及应用》课件ch8 马尔可夫预测方法.ppt
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1、2023-4-251马尔可夫预测(Markov Forecast)也称为马尔可夫分析,作为一种企业管理的工具,已经成功地应用到许多场合.它的优点在于依靠现在资料推知未来,计算比较精确,适用于中、长期预测.因此,较多地应用于市场需求等诸多领域的预测.2023-4-2528.1 8.1 马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质8.2 8.2 遍历性定理与平衡态预测遍历性定理与平衡态预测8.3 8.3 马尔可夫预测的应用马尔可夫预测的应用8.4 8.4 WinQSB软件应用软件应用2023-4-2538.1 8.1 马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质2023-4-2548.1
2、马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质 1.1.马尔可夫及其马尔可夫过程马尔可夫及其马尔可夫过程 马尔可夫马尔可夫(A.Markov,18561922)俄国数学俄国数学家家.1878.1878年大学毕业于彼得堡大学数学系,年大学毕业于彼得堡大学数学系,18841884年获物理数学博士学位,年获物理数学博士学位,18861886年成为教授,年成为教授,18961896年当选为彼得堡院士年当选为彼得堡院士.对概率论、数理统计、数对概率论、数理统计、数论、函数逼近论、微分方程、数的几何等都有建论、函数逼近论、微分方程、数的几何等都有建树树.他开创了一种无后效性随机过程的研究,即他开创了一种
3、无后效性随机过程的研究,即在已知当前状态的情况下,过程的未来状态与其在已知当前状态的情况下,过程的未来状态与其过去状态无关,这就是现在大家熟悉的马尔可夫过去状态无关,这就是现在大家熟悉的马尔可夫过程过程.马尔可夫的工作极大的丰富了概率论的内马尔可夫的工作极大的丰富了概率论的内容,促使它成为自然科学和技术直接有关的最重容,促使它成为自然科学和技术直接有关的最重要的数学领域之一要的数学领域之一.2023-4-2558.1 马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质我们先介绍几个与马尔科夫过程相关的概念我们先介绍几个与马尔科夫过程相关的概念.随机变量与随机过程随机变量与随机过程 把随机现象的每
4、个结果对应一个数,把随机现象的每个结果对应一个数,这种对应关系称为随机变量这种对应关系称为随机变量.例如某一时间内公共汽车站例如某一时间内公共汽车站等车乘客的人数,电话交换台在一定时间内收到的呼叫次等车乘客的人数,电话交换台在一定时间内收到的呼叫次数等等,都是随机变量的实例数等等,都是随机变量的实例.随机过程随机过程 随机过程是一连串随机事件动态关系的定量描随机过程是一连串随机事件动态关系的定量描述述.马尔科夫过程与马尔科夫链马尔科夫过程与马尔科夫链 设设x(t)是一随机过程,当过是一随机过程,当过程在时刻程在时刻t t0 0所处的状态为已知时,时刻所处的状态为已知时,时刻t t(t t t
5、t0 0)所处的状)所处的状态与过程在时刻态与过程在时刻t t0 0之前的状态无关,这个特性成为无后效之前的状态无关,这个特性成为无后效性性.无后效的随机过程称为马尔科夫过程无后效的随机过程称为马尔科夫过程(Markov(Markov Process).Process).马尔科夫过程中的时间和状态既可以是连续的,马尔科夫过程中的时间和状态既可以是连续的,又可以是离散的又可以是离散的.我们称时间离散、状态离散的马尔科夫我们称时间离散、状态离散的马尔科夫过程为过程为马尔科夫链马尔科夫链.()x t()x t2023-4-2568.1 马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质为了形象说明为了
6、形象说明“状态状态”和和“状态的转状态的转移移”的概念,假设在一个水池中有三的概念,假设在一个水池中有三片荷叶,一只青蛙在三片荷叶之间跳片荷叶,一只青蛙在三片荷叶之间跳跃玩耍,见图跃玩耍,见图.观察青蛙的活动会发现青蛙的动作是随意的观察青蛙的活动会发现青蛙的动作是随意的.为讨论方便,我为讨论方便,我们给荷叶编号,我们关心的是在一定时间内,它从一片荷叶跳们给荷叶编号,我们关心的是在一定时间内,它从一片荷叶跳到其他两片荷叶的转移结构到其他两片荷叶的转移结构.当青蛙在第当青蛙在第1 1片荷叶上时,它下一片荷叶上时,它下一步动作跳跃到第步动作跳跃到第2 2、3 3片荷叶上或原地不动,只与现在的位置片荷
7、叶上或原地不动,只与现在的位置1 1有关,而与它以前跳过的路径无关有关,而与它以前跳过的路径无关.我们给出这只青蛙从各片我们给出这只青蛙从各片荷叶上向另一片荷叶移动的转移图,见图荷叶上向另一片荷叶移动的转移图,见图.2023-4-2578.1 马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质箭头表示跳跃的方向,数字表示跳跃的概箭头表示跳跃的方向,数字表示跳跃的概率,白环表示青蛙保持不动率,白环表示青蛙保持不动.此图表明:在一定时间内,此图表明:在一定时间内,当青蛙开始时刻在第当青蛙开始时刻在第1 1片荷叶上时,它保持不动的概率为片荷叶上时,它保持不动的概率为0.30.3,它,它跳跃到第跳跃到第
8、2 2片荷叶上的概率为片荷叶上的概率为0.60.6,跳跃到第,跳跃到第3 3片荷叶上的概率为片荷叶上的概率为0.10.1;当青蛙开始时刻在第当青蛙开始时刻在第2 2片荷叶上时,它保持不动的概率为片荷叶上时,它保持不动的概率为0.40.4,它,它跳跃到第跳跃到第1 1片荷叶上的概率为片荷叶上的概率为0.20.2,跳跃到第,跳跃到第3 3片荷叶上的概率为片荷叶上的概率为0.40.4;当青蛙开始时刻在第当青蛙开始时刻在第3 3片荷叶上时,它保持不动的概率为片荷叶上时,它保持不动的概率为0.50.5,它,它跳跃到第跳跃到第1 1片荷叶上的概率为片荷叶上的概率为0.20.2,跳跃到第,跳跃到第2 2片荷
9、叶上的概率为片荷叶上的概率为0.3.0.3.2023-4-2588.1 马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质我们以我们以x(t)表示青蛙跳跃表示青蛙跳跃t次后所处的位置次后所处的位置,x(t)的取值叫做状态,的取值叫做状态,S=1,2,3叫状态空间叫状态空间.我们称我们称x(t)(t0)为一个随机过程为一个随机过程.当从当从x(0)到到x(t)已知时,青蛙在已知时,青蛙在t+1时处在时处在x(t+1)状态上的概率仅与状态上的概率仅与t时刻状时刻状态有关,即满足以下关系式态有关,即满足以下关系式 01(1)(0),(1),.,()(1)()P x tj xixix tiP x tj
10、x ti(8.1)我们称满足(我们称满足(8.18.1)式的随机过程)式的随机过程x(t)(t0)为马尔可夫过程或马为马尔可夫过程或马尔可夫链,而把(尔可夫链,而把(8.18.1)式)式的的随机过程随机过程x(t)称为马尔可夫性,它称为马尔可夫性,它反映了前一状态反映了前一状态x(t-1)、现状态、现状态x(t)和后一状态和后一状态x(t+1)之间的链接之间的链接.因此,用马尔可夫链描述随机性状态变量的变化时,只需求在因此,用马尔可夫链描述随机性状态变量的变化时,只需求在某一点上两个相邻随机变量的条件分布就可以了某一点上两个相邻随机变量的条件分布就可以了.2023-4-259我们称我们称 为转
11、移概率为转移概率.由于这种转由于这种转移概率不依赖于时间,因此具有稳定性,我们用常数移概率不依赖于时间,因此具有稳定性,我们用常数 来表示来表示.将各个状态之间的转移概率用一个矩阵表将各个状态之间的转移概率用一个矩阵表示出来,就得到一个马尔科夫问题(有限状态稳定的示出来,就得到一个马尔科夫问题(有限状态稳定的马尔可夫过程问题)的数学模型:马尔可夫过程问题)的数学模型:(1)()P x tj x tiijp2023-4-25108.1 马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质称矩阵为称矩阵为一步概率转移矩阵一步概率转移矩阵,简称,简称转移矩阵转移矩阵.由于转移矩阵的每由于转移矩阵的每行都
12、是独立的分布,所有每行的元素满足下列性质:行都是独立的分布,所有每行的元素满足下列性质:111212122212.nnnnnnppppppPppp10(,1,2,.,)1(1,2,.,)ijnijjpi jnpin(8.2)(8.3)2023-4-25118.1 马尔可夫过程定义及其性质马尔可夫过程定义及其性质 2.2.马尔可夫链的基本方程马尔可夫链的基本方程 马尔可夫性质的数学描述是:对任意的时间马尔可夫性质的数学描述是:对任意的时间及任意的状态及任意的状态i,j,i1,it,都有都有由图由图8.28.2,青蛙跳跃的一步转移矩阵为,青蛙跳跃的一步转移矩阵为111213212223313233
13、0.30.60.10.20.40.40.20.30.5pppPpppppp11()(),(),()()().ttp x mLjx mix mix mip x mLjx mi+=+=L12,0,0,tm Lmmmm0,则极限,则极限 1.1.遍历性与遍历性定理遍历性与遍历性定理设齐次马尔可夫链的状态空间为 I,若对所有的,i jI转移概率()ijPn都存在极限 jnl i m()ijPnp=(不依赖于 i),则称该马尔可夫链具有遍历性遍历性.lim()ijjmpmp对任意状态对任意状态 i或或 j存在(注意:极限与起始状态存在(注意:极限与起始状态 无关)无关),同时同时,这些极限这些极限 i(
14、1,2,)jpjn是是1(1,2,.,)njijijpp pjn(8.10)2023-4-25248.2 遍历性定理与平衡态预测遍历性定理与平衡态预测(8.11)及条件及条件i 10(1,2,),1njjpjnp的唯一解(证明略)的唯一解(证明略).方程组(方程组(8.10)式用矩阵表示)式用矩阵表示,即即1112121222121212.(,.,)(,.,).nnnnnnnnppppppp ppp ppppp2023-4-25258.2 遍历性定理与平衡态预测遍历性定理与平衡态预测12(,)nupppuuP 记记(8.128.12)uPu我们称我们称为转移矩阵为转移矩阵的固有概率向量固有概率
15、向量,应满足条件(应满足条件(8.118.11)2.2.平衡预测态平衡预测态遍历性定理告诉我们遍历性定理告诉我们,如无新的外界影响改变转移概率如无新的外界影响改变转移概率,则系统则系统早晚会进入平衡状态早晚会进入平衡状态.这对管理决策十分有用这对管理决策十分有用.2023-4-25268.2 遍历性定理与平衡态预测遍历性定理与平衡态预测.设设【例例8.38.3】(例(例8.28.2续)求稳定状态时续)求稳定状态时A A、B B、C C三种洗衣粉三种洗衣粉的市场占有率的市场占有率,也就是求出最终市场占有率也就是求出最终市场占有率.解解 由遍历性定理由遍历性定理,我们只需求出方程组(我们只需求出方
16、程组(8.12)满足条件()满足条件(8.11)的唯一解的唯一解.这等价于求出转移矩阵这等价于求出转移矩阵P的满足条件(的满足条件(8.11)的固有)的固有概率向量概率向量u1212(,1),0(1,2,3)iuu uuuui=-=则由(则由(8.12)式)式 2023-4-25278.2 遍历性定理与平衡态预测遍历性定理与平衡态预测,uPu=即由即由 121212120.60.20.2(,1)0.10.70.2(,1)0.10.10.8u uuuu uuu解出解出(0.2,0.3,0.5)u=2023-4-25288.2 遍历性定理与平衡态预测遍历性定理与平衡态预测这表明A、B、C三种洗衣粉
17、的最终市场占有率分别为20%,30%,50%.如果生产A牌洗衣粉的A厂对此严峻的市场局面,决定采取竞争手段.经过分析认为,采取加强广告宣传的手段,可以改变转移概率,使得买B和C牌的顾客有一部分转而购买A牌.假设改变后的转移概率为3122233132330.2,0.6,0.2,0.2,0.1,0.7.pppppp即得新的转移矩阵即得新的转移矩阵2023-4-25298.2 遍历性定理与平衡态预测遍历性定理与平衡态预测7.01.02.02.06.02.02.02.06.01P利用上述同样方法利用上述同样方法,可求出最终市场占有率为可求出最终市场占有率为A牌占33.3%,B牌占26.7%,C牌占40
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