Марковские случайные процессы. Уравнения Колмогорова для вероятностей состояний.
Наиболее полное исследование процесса функционирования систем получается, если известны явные математические зависимости, связывающие искомые показатели с начальными условиями, параметрами и переменными исследуемой системы. Для многих современных систем, являющихся объектами моделирования, такие математические зависимости отсутствуют или малопригодны, и следует применять другое моделирование, как правило, имитационное.
Большой класс случайных процессов составляют процессы без последействия, которые в математике называют марковскими процессами в честь Андрея Андреевича Маркова - старшего (1856 - 1922), выдающегося русского математика, разработавшего основы теории таких процессов.
Случайный процесс называется марковским, если вероятность перехода системы в новое состояние зависит только от состояния системы в настоящий момент и не зависит от того, когда и каким образом система перешла в это состояние.
Практически любой случайный процесс является марковским или может быть сведен к марковскому. В последнем случае достаточно в понятие состояния включить всю предысторию смен состояний системы.
Марковские процессы делятся на два класса:
· дискретные марковские процессы (марковские цепи);
· непрерывные марковские процессы.
Дискретной марковской цепьюназывается случайный процесс, при котором смена дискретных состояний происходит в определенные моменты времени.
Непрерывным марковским процессомназывается случайный процесс, при котором смена дискретных состояний происходит в случайные моменты времени.
.
Рассмотрим ситуацию, когда моделируемый процесс обладает следующими особенностями.
Система имеет возможных состояний: , ..., . Вообще говоря, число состояний может быть бесконечным. Однако модель, как правило, строится для конечного числа состояний.
Смена состояний происходит, будем считать, мгновенно и в строго определенные моменты времени . В дальнейшем будем называть временные точки шагами.
Известны вероятности перехода системы за один шаг из состояния в состояние .
Цель моделирования: определить вероятности состояний системы после -го шага.
Обозначим эти вероятности (не путать с вероятностями ).
Если в системе отсутствует последействие, то есть вероятности не зависят от предыстории нахождения системы в состоянии , а определяются только этим состоянием, то описанная ситуация соответствует модели дискретной марковской цепи.
Марковская цепь называется однородной, если переходные вероятности от времени не зависят, то есть от шага к шагу не меняются. В противном случае, то есть если переходные вероятности зависят от времени, марковская цепь называется неоднородной.
Значения обычно сводятся в матрицу переходных вероятностей:
Значения могут также указываться на графе состояний системы. На рис. показан размеченный граф для четырех состояний системы. Обычно вероятности переходов «в себя» - , и т. д. на графе состояний можно не проставлять, так как их значения дополняют до 1 сумму переходных вероятностей, указанных на ребрах (стрелках), выходящих из данного состояния.
Не указываются также нулевые вероятности переходов. Например, на рис. это вероятности , и др.
Математической моделью нахождения вероятностей состояний однородной марковской цепи является рекуррентная зависимость
где - вероятность -го состояния системы после -го шага, ;
- вероятность -го состояния системы после -го шага, ;
- число состояний системы;
-переходные вероятности.
Рис.Размеченный граф состояний системы
Для неоднородной марковской цепи вероятности состояний системы находятся по формуле:
где - значения переходных вероятностей для -го шага.
Сформулируем методику моделирования по схеме дискретных марковских процессов (марковских цепей).
1. Зафиксировать исследуемое свойство системы.
Определение свойства зависит от цели исследования. Например, если исследуется объект с целью получения характеристик надежности, то в качестве свойства следует выбрать исправность. Если исследуется загрузка системы, то - занятость. Если состояния объектов, то - поражен или непоражен.
2. Определить конечное число возможных состояний системы и убедиться в правомерности моделирования по схеме дискретных марковских процессов.
3. Составить и разметить граф состояний.
4. Определить начальное состояние.
5. По рекуррентной зависимости определить искомые вероятности.
В рамках изложенной методики моделирования исчерпывающей характеристикой поведения системы является совокупность вероятностей .
При моделировании состояния систем с непрерывными марковскими процессами мы уже не можем воспользоваться переходными вероятностями , так как вероятность «перескока» системы из одного состояния в другое точно в момент времени равна нулю (как вероятность любого отдельного значения непрерывной случайной величины).
Поэтому вместо переходных вероятностей вводятся в рассмотрение плотности вероятностей переходов :
где - вероятность того, что система, находившаяся в момент времени в состоянии за время перейдет в состояние .
С точностью до бесконечно малых второго порядка из приведенной формулы можно представить:
Непрерывный марковский процесс называется однородным,если плотности вероятностей переходов не зависят от времени (от момента начала промежутка ). В противном случае непрерывный марковский процесс называется неоднородным.
Целью моделирования,как и в случае дискретных процессов, является определение вероятностей состояний системы Эти вероятности находятся интегрированием системы дифференциальных уравнений Колмогорова.
Сформулируем методику моделирования по схеме непрерывных марковских процессов.
1. Определить состояния системы и плотности вероятностей переходов .
2. Составить и разметить граф состояний.
3. Составить систему дифференциальных уравнений Колмогорова. Число уравнений в системе равно числу состояний. Каждое уравнение формируется следующим образом.
4. B левой части уравнения записывается производная вероятности -го состоянии
5. В правой части записывается алгебраическая сумма произведений и . Число произведений столько, сколько стрелок связано с данным состоянием. Если стрелка графа направлена в данное состояние, то соответствующее произведение имеет знак плюс, если из данного состояния - минус.
6. Определить начальные условия и решить систему дифференциальных уравнений.
Пример. Составить систему дифференциальных уравнений Колмогорова для нахождения вероятностей состояний системы, размеченный граф состояний которой представлен на рисунке.
Рис. Размеченный граф состояний
Решение:
Очевидно, .
Поэтому любое из первых трех уравнений можно исключить, как линейно зависимое.
Для решения уравнений Колмогорова необходимо задать начальные условия. Для рассмотренного примера можно задать такие начальные условия: , .
Дата добавления: 2015-04-03; просмотров: 9515;