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[[马尔科夫链]]是一类特殊的随机过程,在给定当前状态下,对于未来状态的预测便不再依赖于过去状态。一般的[[马尔科夫链]]包括 <math>N</math> 个状态,所有状态之间的概率转移构成了一个转移概率矩阵 <math>P</math>,该矩阵有 <math>N</math> 行<math>N</math>列。
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[[马尔科夫链]]是一类特殊的随机过程,在给定当前状态下,对于未来状态的预测便不再依赖于过去状态。一般的[[马尔科夫链]]包括 <math>N</math> 个状态,所有状态之间的概率转移构成了一个转移概率矩阵 <math>P</math>,该矩阵有 <math>N</math> 行<math>N</math>列,且满足概率归一化条件(所有元素位于0到1之间,所有行的和为1)。本词条限定在平稳马尔科夫链上的讨论,也就是[math]P[/math]不随时间和状态而变。
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所谓的马尔科夫链的粗粒化,就是指找到一个新的马尔科夫链,它具有 <math>M<N</math> 状态,其对应的 <math>M</math> 行 <math>M</math> 列的概率转移矩阵 <math>P'</math>,可以看作是对 <math>P</math> 矩阵所描述的动力学过程的一种抽象近似描述。
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所谓的马尔科夫链的粗粒化,就是指找到一个新的马尔科夫链,它具有 <math>1<M<N</math> 个状态,其对应的 <math>M</math> 行 <math>M</math> 列的概率转移矩阵为<math>P'</math>,它同样满足概率归一化条件,它可以看作是对 <math>P</math> 矩阵所描述的动力学过程的一种抽象近似的约简。
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对马尔科夫链做粗粒化的意义是什么呢?文献中一般着重强调这三点:
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文献中一般着重强调对马尔科夫链做粗粒化的意义包括:
    
# 我们在研究一个超多状态的[[复杂系统]]时,并不会关注每一个微观的状态,在粗粒化中我们希望能过滤掉一些我们不感兴趣的噪声和异质性,而从微观尺度中总结一些中尺度或宏观尺度的规律;
 
# 我们在研究一个超多状态的[[复杂系统]]时,并不会关注每一个微观的状态,在粗粒化中我们希望能过滤掉一些我们不感兴趣的噪声和异质性,而从微观尺度中总结一些中尺度或宏观尺度的规律;
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# 在用到[[马尔科夫决策过程]]的[[强化学习]]算法中,对马尔科夫链做粗粒化可以减少[[状态空间]]的大小,提高训练过程的样本效率和任务表现<ref name=":10">Hafner, Danijar, et al. "Mastering atari with discrete world models." arXiv preprint arXiv:2010.02193 (2020).</ref>。
 
# 在用到[[马尔科夫决策过程]]的[[强化学习]]算法中,对马尔科夫链做粗粒化可以减少[[状态空间]]的大小,提高训练过程的样本效率和任务表现<ref name=":10">Hafner, Danijar, et al. "Mastering atari with discrete world models." arXiv preprint arXiv:2010.02193 (2020).</ref>。
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在粗粒化过程中,我们有很多目标。
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对任意马尔科夫链的转移概率矩阵做约简存在着无穷多可能的方法,然而在实际的粗粒化过程中,我们必须从这无穷多钟方法中做筛选,以使得约简后的矩阵[math]P'[/math]能够尽可能多地保留原矩阵的主要特征。于是,为了刻画这种原矩阵特征是否被保留的特性,人们提出了不同的标准,这些标准包括:
    
# 首先,我们想尽量'''降低'''动力学在压缩后的'''维度''';
 
# 首先,我们想尽量'''降低'''动力学在压缩后的'''维度''';
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# 最后,我们希望压缩后的过程和原本的过程尽量'''保持一致'''。
 
# 最后,我们希望压缩后的过程和原本的过程尽量'''保持一致'''。
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在这篇文章里,我们会围绕着这三个维度展开讨论,并介绍一系列针对马尔科夫链的粗粒化方法。
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在这个词条中,我们会围绕着这三个标准展开讨论,并介绍一系列针对马尔科夫链的实际可操作的粗粒化方法。
     

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