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马尔科夫链的粗粒化可以分成Hard partitioning和Soft partitioning。Hard partitioning是指把若干个微观状态分成一个宏观状态类,且一个微观状态不能同时属于多个宏观状态类,而soft partitioning则会有可能出现这种情况。
 
马尔科夫链的粗粒化可以分成Hard partitioning和Soft partitioning。Hard partitioning是指把若干个微观状态分成一个宏观状态类,且一个微观状态不能同时属于多个宏观状态类,而soft partitioning则会有可能出现这种情况。
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我们这里主要讨论hard partitioning,主要参考的是Anru Zhang and Mengdi Wang的Spectral State Compression of Markov Processes。
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我们这里主要讨论hard partitioning,主要参考的是Anru Zhang和Mengdi Wang的Spectral State Compression of Markov Processes<ref name=":0">Zhang, Anru, and Mengdi Wang. "Spectral state compression of markov processes." ''IEEE transactions on information theory'' 66.5 (2019): 3202-3231.</ref>。
    
首先讨论的是一个马尔科夫矩阵的rank秩。
 
首先讨论的是一个马尔科夫矩阵的rank秩。
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Pr_{\pi}[f_1 \in A_j | f_0 \in A_i]
 
Pr_{\pi}[f_1 \in A_j | f_0 \in A_i]
 
Pr_{\pi}[f_n \in A_t |f_{n-1} \in A_s  f_0 \in A_i]
 
Pr_{\pi}[f_n \in A_t |f_{n-1} \in A_s  f_0 \in A_i]
[math]
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[/math]
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[[文件:Lump fig1.png|缩略图|398x398像素|图1:Zhang<ref name=":0" /> 文章中的示意图。图中左面四个矩阵都是lumpable马尔科夫矩阵,而右面的P_2是一个噪声矩阵,(P_1)^T P_2 = 0]]
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同时,作者提出了判断一个马尔科夫链对给定partition [math]A=\{A1, A2, ... ,Ar\}[/math]是否lumpable的充分必要条件为
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作者提出了判断一个马尔科夫链对给定partition [math]A=\{A1, A2, ... ,Ar\}[/math]是否lumpable的充分必要条件为
    
对于任意一对[math]A_i, A_j[/math],每一个属于[math]A_i[/math]的状态[math]s_k[/math]的[math]p_{kA_j}[/math]都是一样的。
 
对于任意一对[math]A_i, A_j[/math],每一个属于[math]A_i[/math]的状态[math]s_k[/math]的[math]p_{kA_j}[/math]都是一样的。
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也就是说[math]p_{k A_j} = \sum_{s_m \in A_j} p_{k m} = p_{A_i A_j} = p_{k A_j}, k \in A_i[/math]
 
也就是说[math]p_{k A_j} = \sum_{s_m \in A_j} p_{k m} = p_{A_i A_j} = p_{k A_j}, k \in A_i[/math]
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直观上来说,当马尔科夫矩阵存在block结构,或者状态明显可被分成几种partition的时候,该矩阵就会lumpable,如图一中的[math]\bar{P}[/math]所示。
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但是,有时候有些lumpable的矩阵的状态排序被打乱了(如图一中的[math]P_1[/math]),或者矩阵包含了如[math]P_2[/math]的噪声(如图一中的[math]P[/math],[math]P = P_1 + P_2, P_1^TP_2 = 0[/math])。
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我们在实际问题中很多时候要面对的是像[math]P[/math]这样的矩阵,我们既无法确定它是否lumpable,也无法决定它的partition,我们甚至不知道它的马尔科夫秩。
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在这种情况下,Anru Zhang<ref name=":0" />的文章中提供了一种寻找最优partition的方法,通过此方法我们能找到最优的partition,代入这个partition我们就能通过上面的充分必要条件来决定一个马尔科夫矩阵是否lumpable。具体步骤如下:
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#先获取一个n*n维的马尔科夫矩阵P,或者是马尔科夫链的频率采样;
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#获取r<n 的马尔科夫秩,或指定一个r;
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#对P进行SVD分解,[math]P = U \Sigma V^T[/math],其中U为左奇异向量,V为右奇异向量。
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#<br />
    
(未完待续)
 
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<references />
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