Stochastic Process

HW5

如有错误,烦请指正.

1

证明 C-K 方程

pij(n)=kIpik(l)pkj(nl).

记事件

A={Xm+n=j},B={Xm=i},Ck={Xm+l=k},

pij(n)=P(Xm+n=j|Xm=i)=P(A|B),pik(l)=P(Xm+l=k|Xm=i)=P(Ck|B),pkj(nl)=P(Xm+n=j|Xm+l=k)=P(A|Ck).

根据全概率公式,对随机事件 A,Bk,其中 {Bk} 构成一个划分,

P(A)=kP(A|Bk)P(Bk)=kP(ABk).

所以,

pij(n)=P(A|B)=kIP(ACk|B)=kIP(ABCk)P(B)=kIP(ABCk)P(BCk)P(BCk)P(B)=kIP(A|BCk)P(Ck|B)=kIP(Xm+n=j|Xm=i,Xm+l=k)P(Xm+l=k|Xm=i)=kIP(Xm+n=j|Xm+l=k)P(Xm+l=k|Xm=i)=kIpkj(nl)pik(l)=kIpik(l)pkj(nl).

2

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(1)

Xn+1=max{Z1,Z2,,Zn,Zn+1}=max{max{Z1,Z2,,Zn},Zn+1}=max{Xn,Zn+1}=max{Xn,Z1}.

所以

P(Xn+1=in+1|X0=i0,X1=i1,,Xn=in)=P(max{Xn,Z1}=in+1|X0=i0,X1=i1,,Xn=in)=P(max{Xn,Z1}=in+1,X0=i0,X1=i1,,Xn=in)P(X0=i0,X1=i1,,Xn=in)=P(max{Xn,Z1}=in+1,Xn=in)P(X0=i0,X1=i1,,Xn1=in1)P(X0=i0,X1=i1,,Xn1=in1)P(Xn=in)=P(max{Xn,Z1}=in+1,Xn=in)P(Xn=in)=P(max{Xn,Z1}=in+1|Xn=in)=P(Xn+1=in+1|Xn=in).

根据马尔可夫链的定义,{Xn,n0} 为马尔可夫链.

其转移概率为 pij(n)=P(Xn+1=j|Xn=i).

j>i 时,

pij(n)=P(Xn+1=j|Xn=i)=P(max{Xn,Z1}=j|Xn=i)=P(Z1=j|Xn=i)=P(Z1=j)=pj;

j<i 时,

pij(n)=P(Xn+1=j|Xn=i)=P(max{Xn,Z1}=j|Xn=i)=0.

j=i 时,

pij(n)=P(Xn+1=j|Xn=i)=P(max{Xn,Z1}=j|Xn=i)=P(Z1j|Xn=i)=P(Z1j)=k=0jpk.

所以,

pij(n)=P(Xn+1=j|Xn=i)={pj,j>i,k=0jpk,j=i,0,j<i=pij.

转移概率矩阵为

P=(p00p01p02p10p11p12p20p21p22)=(p0p1p20p0+p1p200p0+p1+p2).

(2)

因为

Xn+1=i=1n+1Zi=i=1nZi+Zi+1=Xn+Zn+1=Xn+Z1,

所以

P(Xn+1=in+1|X0=i0,X1=i1,,Xn=in)=P(Xn+Z1=in+1|X0=i0,X1=i1,,Xn=in)=P(Xn+Z1=in+1,X0=i0,X1=i1,,Xn=in)P(X0=i0,X1=i1,,Xn=in)=P(Xn+Z1=in+1,Xn=in)P(X0=i0,X1=i1,,Xn1=in1)P(X0=i0,X1=i1,,Xn1=in1)P(Xn=in)=P(Xn+Z1=in+1,Xn=in)P(Xn=in)=P(Xn+Z1=in+1|Xn=in)=P(Xn+1=in+1|Xn=in).

根据马尔可夫链的定义,{Xn,n0} 为马尔可夫链.

其转移概率为

pij(n)=P(Xn+1=j|Xn=i)=P(Xn+Z1=j|Xn=i)=P(Xn+Z1=j,Xn=i)P(Xn=i)=P(Z1=ji,Xn=i)P(Xn=i)=P(Z1=ji)P(Xn=i)P(Xn=i)=P(Z1=ji)={0,j<ipji,ji.=pij.

状态转移矩阵为

P=(p00p01p02p10p11p12p20p21p22)=(p0p1p20p0p100p00000p0).

3

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pij(n)=P(Xn+1=j|Xn=i).

状态转移矩阵为

P=(p00p01p02p10p11p12p20p21p22)=(piN+q(Ni)Np(Ni)N00qiNpiN+q(Ni)Np(Ni)N00qiNpiN+q(Ni)N00000piN+q(Ni)N).