馬可夫鏈

馬可夫性質(Markov property)

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想像一隻青蛙在荷葉間跳躍。要預測牠下一跳落在哪裡,你需要牠的整本旅行日記 —— 牠曾坐過的每一片荷葉 —— 還是只需要牠此刻所在的那片荷葉?馬可夫性質就是這樣的假設:當下這片荷葉是唯一重要的事;一旦你知道青蛙現在在哪裡,整個過去對你預測未來毫無幫助。在這個精確的意義下,這個過程沒有記憶。

嚴格地說,過程 X_0, X_1, X_2, ... 具有馬可夫性質,是指 P(X_(n+1) = j given X_n = i「而且」X_(n-1), ..., X_0) = P(X_(n+1) = j given X_n = i)。用白話說:以整段歷史為條件,得到的答案與只以最近一個狀態為條件完全相同。當前狀態扮演一份完整摘要,是一個足以替代之前所有事情的充分代表。一旦把現在固定住,過去與未來便彼此獨立。

這是一個建模假設,而非自然律,它正是讓龐大隨機系統變得可處理的關鍵:你不必追蹤越積越長的歷史,只需攜帶當前狀態。許多真實系統並不嚴格滿足馬可夫性,但巧妙地選擇狀態往往能讓它們滿足 —— 若昨天的值也重要,就把它折進狀態裡,讓狀態變成(今天、昨天)這一對。機率建模的訣竅,就是選一個夠豐富的狀態,使未來真的只依賴於現在。

一個以擲骰決定移動格數的桌遊,對「你所在的格子」而言是馬可夫的:你下一格只取決於你現在站在哪裡加上骰子點數,與你走到此處的路徑無關。但一個打出的牌就消失的紙牌遊戲,單以「桌上那張牌」來看「並非」馬可夫 —— 牌堆的歷史很重要 —— 除非你把狀態擴大到包含哪些牌還剩著。

一個過程是否為馬可夫,取決於你如何選擇它的狀態;把狀態擴充得夠豐富,記憶便會消失。

無記憶並不表示未來與過去獨立 —— 只是說「一旦」知道現在,過去就再添不了任何資訊。給定現在後,過去與未來是條件獨立,而非無條件獨立。

又称
memorylessnessthe Markov assumption無記憶性馬可夫假設