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数字建筑:马尔科夫链探究

时间:2023-10-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:注意,根据矩阵M的定义,它自然满足概率归一化条件:另外一个比较有趣的事实是,根据流矩阵F,还可以定义另外一个马尔科夫链M',称为逆向马尔科夫链。其次,投入产出分析也与基于马尔科夫链的流网络分析方法本质相同。

数字建筑:马尔科夫链探究

(1)平衡态的流网络

对于平衡流动来说,总可以将整个流系统看作一个多粒子沿着网络流动的系统。例如,对于图4-7所示网络,当某个处于1号节点的粒子往外流动的时候,它可能会跳到2号节点,也可能会跳到3号节点。可以想到,由于1到2号节点的流量比到3号的节点大,所以这个粒子更有可能跳到2号节点。不妨假设粒子跳转到某个节点的概率是与这条边上的流量成正比的。也就是说,因此,粒子会以5/8=50/80的概率从1跳到2,而以3/8=30/80的概率从1到3。同样的道理,当粒子跳入到任何一个节点后,它都会沿着边以概率跳转。

因此,整个平衡态的流网络可以看作一个马尔可夫链,其中每个节点相当于是粒子所处的可能状态,节点之间的跳转可以看作概率转移。具体的,对于任何的处于平衡的流网络F,定义矩阵M为概率转移矩阵,其中M中的第i行第j列的元素就是粒子处于i状态下转移到j状态的概率,记为:

当粒子进入汇节点N+1,它就不会再往外跳了,因此,状态N+1就相当于马尔可夫链的吸收态。注意,根据矩阵M的定义,它自然满足概率归一化条件:

另外一个比较有趣的事实是,根据流矩阵F,还可以定义另外一个马尔科夫链M',称为逆向马尔科夫链。它刻画的是一个逆向的因果过程,也就是说如果2号节点观察到了一个新到的粒子,那么它有可能从1号节点过来也可能从3号节点过来。显然1到2的流量要比3到2的流量大得多,因此粒子从1跳过来的可能性会更大。那么,既然整个网络是平稳的,不难想到,在2号节点观测到一个粒子的条件下,它是从1号节点跳过来的概率是5/6=50/60,它从3号节点跳过来的概率是1/6=10/60。

更一般地,定义逆向马尔科夫链M',其中任意的元素m'ij定义为:观察到粒子来到了节点i的条件下,它可能是从j节点流过来的概率。它按照下式计算:

同样地道理,它也是归一化的,即:(www.xing528.com)

这个逆向马尔可夫链又可以看作逆向流矩阵FT(即原始流矩阵F的转置)所对应的正向马尔科夫矩阵,这是因为:

其中逆向流矩阵就相当于把原始流网络所有的有向边都掉转方向,并保持所有的流量不变。由于网络是平衡的,所以逆向的流网络必然也是平衡的。这似乎描绘了一个有趣的图景:在一个平衡的流网络中,所有的粒子都顺着流动从源到汇。而与此同时,如果从汇观察到粒子,并不断地询问这个粒子是从哪个节点跳转过来的,就得到一个反向的信息流动,仿佛是有假想的粒子从汇流到了源一样。

(2)投入产出分析

经济系统中存在着大量的流动:货币流以及物品流。经济学家(wikipedia:Wassily Leontief)很早就开始对流动展开了研究,只不过他们采用了非常不同的技术,这种技术就是投入产出分析(Input-output analysis)。投入产出分析是基于一种投入产出表,所谓的投入产出表就是类似下面的形式:

其中,1,2,3,...,N表示工业系统中的N个部门(Sector),例如农业林业、造纸业等等。zij表示从i部门对j部门的投入量(一般以货币来衡量)。例如,如果i表示林业,j表示造纸业,zij=350000,则表示造纸业从林业部门购买了350000人民币的原始木材。倒数第二列fi则表示第i部门到最终需求(即消费者的最终消费)的直接流量(以货币衡量)。例如,如果fj=500000,就表示人们对纸张的最终需求有500000元。最后一列xi表示行业i的总产出。投入产出表要求:

它表示第i部门的总产出应该等于其他所有工业部门对i部门的需求再加上最终消费者对i的直接需求。虽然投入产出表与流量矩阵非常相似,而上式又几乎可以看作流量平衡条件,但是,投入产出表和流网络模型还有细微的差别。必须经过特定的转换才能将投入产出表与流量网完全等价。其次,投入产出分析也与基于马尔科夫链的流网络分析方法本质相同。

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