平穩(不變)分布(stationary / invariant distribution)
假設你找到一種把機率攤在各狀態上的方式,使得在鏈走一步之後,這個攤法看起來與之前一模一樣。淨流動為零;即使個別棋子仍在移動,畫面卻凍結了。這個自我複製的分布就是平穩分布 —— 鏈的平衡,也就是它運行夠久後「想要」呈現的分布樣貌。
若列向量 pi(元素非負且加總為 1)滿足 pi P = pi,則它是平穩的:施加一步後它不變。寫開來,對每個 j 有 pi(j) = 對所有 i 加總 pi(i) P(i, j) —— 流「入」每個狀態 j 的機率,恰好等於已在那裡的機率。要找 pi,你解這個線性系統:平衡方程 pi P = pi 連同歸一化條件 sum of pi(i) = 1。這是一個特徵向量問題 —— pi 是 P 對應特徵值 1 的左特徵向量 —— 一點線性代數便能破解。
對不可約且正常返的鏈,平穩分布存在且唯一,且 pi(i) 等於回到 i 的期望返回時間的倒數 —— 你回得越快的狀態,承載越多的平衡權重。關鍵在於,平穩「不等於」極限:每個極限分布都是平穩的,但週期鏈有個完全合用的平穩 pi 卻永不收斂於它。平穩分布是 PageRank 的骨幹、是排隊分析的核心,也是每一個馬可夫鏈蒙地卡羅方法的基礎 —— 那些方法刻意打造一條鏈,使它的平衡恰好是你想抽樣的分布。
天氣 P 的兩列為 (0.8, 0.2) 與 (0.4, 0.6)。以 pi = (a, b) 解 pi P = pi:a = 0.8a + 0.4b 且 a + b = 1。第一式給出 0.2a = 0.4b,故 a = 2b;配合 a + b = 1 得 pi = (2/3, 1/3)。驗算:(2/3, 1/3) P = (2/3, 1/3)。所以長期下來,三分之二的日子是晴天。
解 pi P = pi 並令各元素加總為 1;答案就是鏈的長期平衡。
平穩分布可能存在卻不是極限。存在與唯一需要不可約加正常返;「收斂到」它還額外需要非週期性。別以為「平穩」就代表「鏈會收斂到它」。