应用:数据、图与动力系统

随机(马尔可夫)矩阵

随机矩阵编码状态间的随机跳转。每个元素都是一个概率,整列(或按惯例整行)之和为 1,因为从任一状态出发系统总得去往某处。把一个概率向量乘以这个矩阵,就得到一步之后的概率分布。

精确地说,一个列随机矩阵 P 满足 P_ij >= 0,且每一列 j 满足对 i 求和等于 1;元素 P_ij 是从状态 j 转到状态 i 的概率。分布按 p_{k+1} = P p_k 演化,故 k 步后的分布是 P^k p_0。马尔可夫性内置其中:下一状态只依赖当前状态,与到达它的路径无关。

数字 1 永远是一个特征值(由于各列和为 1,全一向量是左特征向量),且每个特征值满足 |lambda| <= 1,这使概率保持有界。特征值 1 对应的特征向量是稳态的候选。当链不可约且非周期时,佩龙-弗罗贝尼乌斯定理使该稳态唯一且全局吸引。

为何重要:马尔可夫矩阵能建模网页浏览、语言、排队、棋盘游戏与群体遗传学。警示在于真实系统只是近似无记忆,而周期或可约的链可能无法收敛到单一极限,会随起点不同而振荡或分裂。

P = [0.9, 0.5; 0.1, 0.5] (columns sum to 1); p_{k+1} = P p_k

两个状态;每列都是一个概率分布,故列和等于 1。

列随机与行随机只是转置约定之别:列形式下状态向量右乘(p -> P p);行形式下状态向量左乘(p^T -> p^T P)。选定一种并保持一致。

又称
transition matrixprobability matrix