\(\newcommand{\P}{\mathbb{P}}\) \(\newcommand{\E}{\mathbb{E}}\) \(\newcommand{\R}{\mathbb{R}}\) \(\newcommand{\N}{\mathbb{N}}\) \(\newcommand{\Z}{\mathbb{Z}}\) \(\newcommand{\bs}{\boldsymbol}\) \(\newcommand{\var}{\text{var}}\)
  1. Random
  2. 15. Proses Markov
  3. 1
  4. 2
  5. 3
  6. 4
  7. 5
  8. 6
  9. 7
  10. 8
  11. 9
  12. 10
  13. 11
  14. 12
  15. 13
  16. 14
  17. 15
  18. 16
  19. 17
  20. 18
  21. 19
  22. 20
  23. 21
  24. 22
  25. 23

3. Rantai Markov Waktu Diskret

Dalam bagian ini dan beberapa bagian berikutnya, kita membahas proses Markov dengan ruang waktu diskret \( \N \) dan ruang keadaan diskret (terhitung). Ingat bahwa proses Markov dengan ruang keadaan diskret disebut rantai Markov, sehingga yang kita pelajari adalah rantai Markov waktu diskret.

Tinjauan

Kita akan meninjau definisi dan konsep dasar dalam pendahuluan umum. Ketika waktu dan ruang sama-sama diskret, banyak definisi dan konsep tersebut menjadi jauh lebih sederhana. Seperti biasa, titik awal kita adalah ruang probabilitas \( (\Omega, \mathscr{F}, \P) \), dengan \( \Omega \) sebagai ruang sampel, \( \mathscr{F} \) sebagai \( \sigma \)-aljabar kejadian, dan \( \P \) sebagai ukuran probabilitas pada \( (\Omega, \mathscr{F}) \). Misalkan \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots)\) adalah proses stokastik yang didefinisikan pada ruang probabilitas tersebut, dengan ruang waktu \( \N \) dan ruang keadaan terhitung \( S \). Dalam konteks pendahuluan umum, \( S \) dilengkapi dengan himpunan kuasa \( \mathscr{P}(S) \) sebagai \( \sigma \)-aljabarnya, sehingga semua himpunan bagian \( S \) terukur, demikian pula semua fungsi dari \( S \) ke ruang terukur lain. Ukuran pencacahan \( \# \) adalah ukuran alami pada \( S \), sehingga integral atas \( S \) hanyalah penjumlahan. Hal yang sama berlaku untuk ruang waktu \( \N \): semua himpunan bagian \( \N \) terukur dan ukuran pencacahan \( \# \) adalah ukuran alami pada \( \N \).

Ruang vektor \( \mathscr{B} \) yang terdiri atas fungsi-fungsi terbatas \( f: S \to \R \) akan memainkan peran penting. Norma yang kita gunakan adalah norma supremum yang didefinisikan oleh \[ \|f\| = \sup\{\left|f(x)\right|: x \in S\}, \quad f \in \mathscr{B} \]

Untuk \( n \in \N \), misalkan \( \mathscr{F}_n = \sigma\{X_0, X_1, \ldots, X_n\} \), yaitu \( \sigma \)-aljabar yang dibangkitkan oleh proses hingga waktu \( n \). Dengan demikian, \( \mathfrak{F} = \{\mathscr{F}_0, \mathscr{F}_1, \mathscr{F}_2, \ldots\} \) adalah filtrasi alami yang berkaitan dengan \( \bs{X} \). Kita juga menetapkan \( \mathscr{G}_n = \sigma\{X_n, X_{n+1}, \ldots\} \), yaitu \( \sigma \)-aljabar yang dibangkitkan oleh proses sejak waktu \( n \) dan seterusnya. Jadi, jika \( n \in \N \) menyatakan waktu sekarang, \( \mathscr{F}_n \) memuat kejadian-kejadian di masa lalu dan \( \mathscr{G}_n \) memuat kejadian-kejadian di masa depan.

Definisi

Kita mulai dengan definisi dasar sifat Markov: masa lalu dan masa depan independen secara bersyarat jika keadaan sekarang diketahui.

\( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) adalah rantai Markov jika \( \P(A \cap B \mid X_n) = \P(A \mid X_n) \P(B \mid X_n) \) untuk setiap \( n \in \N \), \( A \in \mathscr{F}_n \), dan \( B \in \mathscr{G}_n \).

Terdapat sejumlah perumusan yang ekuivalen untuk sifat Markov pada rantai Markov waktu diskret. Berikut beberapa di antaranya.

\( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) adalah rantai Markov jika salah satu dari syarat-syarat ekuivalen berikut dipenuhi:

  1. \( \P(X_{n+1} = x \mid \mathscr{F}_n) = \P(X_{n+1} = x \mid X_n) \) untuk setiap \( n \in \N \) dan \( x \in S \).
  2. \( \E[f(X_{n+1}) \mid \mathscr{F}_n] = \E[f(X_{n+1}) \mid X_n] \) untuk setiap \(n \in \N \) dan \( f \in \mathscr{B} \).

Bagian (a) menyatakan bahwa, untuk \( n \in \N \), fungsi kepadatan probabilitas bersyarat dari \( X_{n+1} \) jika \( \mathscr{F}_n \) diketahui sama dengan fungsi kepadatan probabilitas bersyarat dari \( X_{n+1} \) jika \( X_n \) diketahui. Dalam bentuk nilai harapan, bagian (b) juga menyatakan bahwa distribusi bersyarat dari \( X_{n+1} \) jika \( \mathscr{F}_n \) diketahui sama dengan distribusi bersyarat dari \( X_{n+1} \) jika \( X_n \) diketahui. Kedua bagian tersebut menyatakan sifat Markov untuk satu langkah ke depan. Dalam waktu diskret, sifat satu-langkah ini ekuivalen dengan sifat Markov untuk seluruh masa depan.

\( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) adalah rantai Markov jika salah satu dari syarat-syarat ekuivalen berikut dipenuhi:

  1. \( \P(X_{n+k} = x \mid \mathscr{F}_n) = \P(X_{n+k} = x \mid X_n) \) untuk setiap \( n, \, k \in \N \) dan \( x \in S \).
  2. \( \E[f(X_{n+k}) \mid \mathscr{F}_n] = \E[f(X_{n+k}) \mid X_n] \) untuk setiap \(n, \, k \in \N \) dan \( f \in \mathscr{B} \).

Bagian (a) menyatakan bahwa, untuk \( n, \, k \in \N \), fungsi kepadatan probabilitas bersyarat dari \( X_{n+k} \) jika \( \mathscr{F}_n \) diketahui sama dengan fungsi kepadatan probabilitas bersyarat dari \( X_{n+k} \) jika \( X_n \) diketahui. Dalam bentuk nilai harapan, bagian (b) juga menyatakan bahwa distribusi bersyarat dari \( X_{n+k} \) jika \( \mathscr{F}_n \) diketahui sama dengan distribusi bersyarat dari \( X_{n+k} \) jika \( X_n \) diketahui. Dalam waktu dan ruang diskret, sifat Markov juga dapat dinyatakan tanpa merujuk secara eksplisit pada \( \sigma \)-aljabar. Jika Anda belum mengenal teori ukuran, Anda dapat menggunakan pernyataan berikut sebagai definisi awal.

\(\bs X=(X_0,X_1,X_2,\ldots)\) adalah rantai Markov jika, untuk setiap \(n\in\N\), \(y\in S\), dan \((x_0,\ldots,x_n)\in S^{n+1}\) dengan \[ \P(X_0=x_0,\ldots,X_n=x_n)>0, \] berlaku \[ \P(X_{n+1}=y\mid X_0=x_0,\ldots,X_n=x_n) =\P(X_{n+1}=y\mid X_n=x_n). \]

Teori rantai Markov waktu diskret menjadi jauh lebih sederhana jika kita menambahkan satu asumsi lagi.

Rantai Markov \(\bs X=(X_0,X_1,X_2,\ldots)\) homogen terhadap waktu jika terdapat keluarga matriks stokastik \(\{P_n:n\in\N\}\) sedemikian sehingga, untuk setiap \(k,n\in\N\) dan \(y\in S\), \[ \P(X_{k+n}=y\mid\mathscr F_k)=P_n(X_k,y)\quad\text{hampir pasti}, \qquad P_n(x,y)=\P_x(X_n=y). \] Rumus kedua memakai keluarga ukuran peluang Markov \((\P_x)_{x\in S}\), atau versi peluang transisi yang dipilih secara konsisten untuk semua keadaan.

Artinya, di bawah keluarga ukuran peluang Markov \((\P_x)_{x\in S}\), hukum rantai setelah waktu \(k\) hanya bergantung pada keadaan saat ini dan selang waktu berikutnya. Jadi, hukum masa depan dari keadaan \(x\) diberikan secara konsisten oleh \(\P_x\), tanpa bergantung pada cara rantai mencapai \(x\). Karena itu, distribusi awal sering tidak ditentukan dalam kajian rantai Markov—jika rantai berada pada keadaan \( x \in S \) pada suatu waktu tertentu \( k \in \N \), cara rantai tersebut mencapai keadaan \( x \) sebenarnya tidak penting; proses pada hakikatnya dimulai kembali, secara independen dari masa lalu. Sebagian sumber lama memakai istilah stasioner untuk sifat ini; di sini istilah homogen terhadap waktu dipertahankan agar tidak tertukar dengan stasioneritas distribusi proses.

Mulai sekarang, biasanya kita akan mengasumsikan bahwa rantai Markov yang dibahas bersifat homogen. Hilangnya keumuman akibat asumsi ini tidak sebesar yang mungkin Anda bayangkan. Rantai Markov tak homogen dapat diubah menjadi proses Markov homogen dengan memperbesar ruang keadaan, seperti ditunjukkan dalam pendahuluan tentang proses Markov umum, tetapi dengan konsekuensi memperbesar ruang keadaan menjadi \(S\times\N\), yang tetap terhitung jika \(S\) terhitung. Untuk rantai Markov homogen, jika \(k,n\in\N\) dan \(f\in\mathscr B\), maka, dengan \(P_nf(x)=\E_x[f(X_n)]\), \[ \E[f(X_{k+n})\mid\mathscr F_k]=P_nf(X_k)\quad\text{hampir pasti}. \]

Waktu Henti dan Sifat Markov Kuat

Pertimbangkan kembali proses stokastik \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) dengan ruang keadaan terhitung \( S \) dan filtrasi alami \( \mathfrak{F} = (\mathscr{F}_0, \mathscr{F}_1, \mathscr{F}_2, \ldots) \) sebagaimana diberikan di atas. Ingat bahwa peubah acak \( \tau \) yang mengambil nilai dalam \( \N \cup \{\infty\} \) adalah waktu henti atau waktu Markov bagi \( \bs{X} \) jika \( \{\tau = n\} \in \mathscr{F}_n \) untuk setiap \( n \in \N \). Secara intuitif, kita dapat menentukan apakah \( \tau = n \) dengan mengamati rantai hingga waktu \( n \). Dalam suatu pengertian, waktu henti adalah waktu acak yang tidak mengharuskan kita melihat ke masa depan. Hasil berikut memberikan contoh paling khas dari waktu henti.

Misalkan kembali bahwa \( \bs{X} = \{X_n: n \in \N\} \) adalah rantai Markov waktu diskret dengan ruang keadaan \( S \) sebagaimana didefinisikan di atas. Untuk \( A \subseteq S \), waktu-waktu acak berikut adalah waktu henti:

  1. \( \rho_A = \inf\{n \in \N: X_n \in A\} \), yaitu waktu masuk ke \( A \).
  2. \( \tau_A = \inf\{n \in \N_+: X_n \in A\} \), yaitu waktu pencapaian ke \( A \).
Rincian:

Dengan konvensi bahwa irisan kosong sama dengan \(\Omega\),

  1. \(\{\rho_A=n\}=\bigcap_{j=0}^{n-1}\{X_j\notin A\}\cap\{X_n\in A\}\in\mathscr F_n\) untuk \(n\in\N\).
  2. \(\{\tau_A=n\}=\bigcap_{j=1}^{n-1}\{X_j\notin A\}\cap\{X_n\in A\}\in\mathscr F_n\) untuk \(n\in\N_+\).

Contoh waktu acak yang secara umum bukan waktu henti adalah waktu terakhir proses berada di \( A \): \[\zeta_A=\sup\bigl(\{n\in\N_+:X_n\in A\}\cup\{0\}\bigr)\in\N\cup\{\infty\}.\] Kita tidak dapat menentukan \(\zeta_A\) tanpa melihat ke masa depan. Untuk \(n\in\N_+\), \[\{\zeta_A=n\}=\{X_n\in A,X_{n+1}\notin A,X_{n+2}\notin A,\ldots\},\] sedangkan \(\{\zeta_A=0\}=\{X_1\notin A,X_2\notin A,\ldots\}\).

Jika \( \tau \) adalah waktu henti bagi \( \bs{X} \), \( \sigma \)-aljabar yang berkaitan dengan \( \tau \) adalah \[\mathscr F_\tau=\{A\in\mathscr F:A\cap\{\tau=n\}\in\mathscr F_n\ \text{untuk semua }n\in\N\}.\] Secara intuitif, \( \mathscr{F}_\tau \) memuat kejadian-kejadian yang dapat dideskripsikan oleh proses hingga waktu acak \( \tau \), sebagaimana \( \mathscr{F}_n \) memuat kejadian-kejadian yang dapat dideskripsikan oleh proses hingga waktu deterministik \( n \in \N \). Untuk keterangan lebih lanjut, lihat bagian mengenai filtrasi dan waktu henti.

Sifat Markov kuat menyatakan bahwa masa depan independen dari masa lalu jika keadaan sekarang diketahui, ketika waktu sekarang merupakan waktu henti. Untuk rantai Markov waktu diskret yang homogen, sifat Markov biasa menyiratkan sifat Markov kuat.

Jika \(\bs X=(X_0,X_1,X_2,\ldots)\) adalah rantai Markov waktu diskret homogen dengan matriks transisi \(k\)-langkah \(P_k\), maka \(\bs X\) memiliki sifat Markov kuat. Jika \(\tau\) adalah waktu henti berhingga bagi \(\bs X\), maka

  1. \(\P(X_{\tau+k}=x\mid\mathscr F_\tau)=P_k(X_\tau,x)\) untuk setiap \(k\in\N\) dan \(x\in S\).
  2. \(\E[f(X_{\tau+k})\mid\mathscr F_\tau]=P_kf(X_\tau)\) untuk setiap \(k\in\N\) dan \(f\in\mathscr B\).

Bagian (a) menyatakan bahwa fungsi kepadatan probabilitas bersyarat dari \( X_{\tau + k} \) jika \( \mathscr{F}_\tau \) diketahui sama dengan fungsi kepadatan probabilitas bersyarat dari \( X_{\tau + k} \) jika hanya \( X_\tau \) yang diketahui. Dalam bentuk nilai harapan, bagian (b) juga menyatakan bahwa distribusi bersyarat dari \( X_{\tau + k} \) jika \( \mathscr{F}_\tau \) diketahui sama dengan distribusi bersyarat dari \( X_{\tau + k} \) jika hanya \( X_\tau \) yang diketahui. Dengan mengasumsikan homogenitas seperti biasa, untuk setiap \(x\in S\), hukum masa depan rantai setelah \(\tau\), ketika \(X_\tau=x\), diberikan oleh hukum semua-keadaan \(\P_x\) dari \((X_n)_{n\in\N}\). Di bawah hukum semula, identitas bersyarat sebagai fungsi dari \(X_\tau\) berlaku hampir pasti; keluarga \((\P_x)_{x\in S}\) menetapkan versinya secara konsisten untuk semua \(x\).

Matriks Transisi

Misalkan kembali bahwa \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) adalah rantai Markov waktu diskret homogen dengan ruang keadaan \( S \). Pada ruang keadaan diskret, kernel transisi yang dipelajari dalam pendahuluan umum menjadi matriks transisi, dengan baris dan kolom yang diindeks oleh \( S \) (sehingga ukurannya mungkin tak hingga). Operasi kernel menjadi operasi matriks yang sudah dikenal. Hasil-hasil pada bagian ini merupakan kasus khusus dari hasil-hasil umum, tetapi kadang-kadang kita memberikan bukti mandiri demi kelengkapan dan karena buktinya lebih sederhana. Anda mungkin perlu meninjau bagian mengenai kernel dalam bab mengenai nilai harapan.

Untuk \(n\in\N\), misalkan \[ P_n(x,y)=\P_x(X_n=y),\qquad(x,y)\in S\times S. \] Matriks \(P_n\) adalah matriks probabilitas transisi \(n\) langkah bagi \(\bs X\).

Dengan demikian, \(y\mapsto P_n(x,y)\) adalah fungsi kepadatan probabilitas \(X_n\) di bawah \(\P_x\). Secara khusus, \(P_n\) adalah matriks probabilitas (atau matriks stokastik) karena \(P_n(x,y)\ge0\) untuk \((x,y)\in S^2\) dan \(\sum_{y\in S}P_n(x,y)=1\) untuk \(x\in S\). Seperti setiap matriks nonnegatif pada \(S\), \(P_n\) mendefinisikan kernel pada \(S\) untuk \(n\in\N\): \[ P_n(x,A)=\sum_{y\in A}P_n(x,y)=\P_x(X_n\in A), \qquad x\in S,\ A\subseteq S. \] Jadi, \(A\mapsto P_n(x,A)\) adalah distribusi probabilitas \(X_n\) di bawah \(\P_x\). Hasil berikut adalah persamaan Chapman–Kolmogorov, yang dinamai menurut Sydney Chapman dan Andrei Kolmogorov. Persamaan ini memberikan hubungan dasar antara matriks-matriks transisi.

Jika \( m, \, n \in \N \), maka \( P_m P_n = P_{m+n} \)

Rincian:

Ambil \(x,z\in S\). Di bawah \(\P_x\), sifat Markov dan homogenitas waktu memberikan \[ \P_x(X_{m+n}=z\mid\mathscr F_m)=P_n(X_m,z) \quad\text{hampir pasti}. \] Karena itu, sifat menara menghasilkan \[ \begin{aligned} P_{m+n}(x,z) &=\E_x\!\left[P_n(X_m,z)\right]\\ &=\sum_{y\in S}P_m(x,y)P_n(y,z) =(P_mP_n)(x,z). \end{aligned} \]

Segera diperoleh bahwa matriks-matriks transisi hanyalah pangkat matriks dari matriks transisi satu langkah. Artinya, dengan menetapkan \( P = P_1 \), kita memperoleh \( P_n = P^n \) untuk semua \( n \in \N \). Perhatikan bahwa \( P^0 = I \), yaitu matriks identitas pada \( S \) yang diberikan oleh \( I(x, y) = 1 \) jika \( x = y \), dan 0 jika tidak. Operator kanan yang berkaitan dengan \( P^n \) menghasilkan suatu nilai harapan.

Misalkan \(n\in\N\) dan \(f:S\to\R\). Jika nilai harapannya ada, maka \[ P^nf(x)=\sum_{y\in S}P^n(x,y)f(y)=\E_x[f(X_n)], \qquad x\in S. \]

Rincian:

Hal ini langsung mengikuti dari definisi: \[ P^nf(x)=\sum_{y\in S}\P_x(X_n=y)f(y)=\E_x[f(X_n)], \qquad x\in S. \]

Keberadaan nilai harapan hanya menjadi persoalan jika \( S \) tak hingga. Secara khusus, hasil tersebut berlaku jika \( f \) nonnegatif atau jika \( f \in \mathscr{B} \) (yang selalu terpenuhi apabila \( S \) berhingga). Bahkan, \( P^n \) adalah operator kontraksi linear pada ruang \( \mathscr{B} \) untuk \( n \in \N \). Artinya, jika \( f \in \mathscr{B} \), maka \( P^n f \in \mathscr{B} \) dan \( \|P^n f\| \le \|f\| \). Operator kiri yang berkaitan dengan \( P^n \) didefinisikan dengan cara serupa. Untuk \( f: S \to \R \), \[ f P^n(y) = \sum_{x \in S} f(x) P^n(x, y), \quad y \in S \] dengan kembali mengasumsikan bahwa penjumlahannya bermakna (seperti sebelumnya, hal ini hanya menjadi persoalan ketika \( S \) tak hingga). Operator kiri sering dibatasi pada fungsi nonnegatif, dan fungsi semacam itu sering kita pandang sebagai fungsi kepadatan (terhadap \( \# \)) dari suatu ukuran positif pada \( S \). Dalam pengertian ini, operator kiri memetakan suatu fungsi kepadatan ke fungsi kepadatan lainnya.

Fungsi \( f: S \to \R \) bersifat invarian terhadap \( P \) (atau terhadap rantai \( \bs{X} \)) jika \( f P = f \).

Jelas bahwa jika \( f \) invarian, sehingga \( f P = f \), maka \( f P^n = f \) untuk semua \( n \in \N \). Jika \( f \) adalah fungsi kepadatan probabilitas, maka \( f P \) juga merupakan fungsi kepadatan probabilitas.

Jika \( X_0 \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f \), maka \( X_n \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f P^n \) untuk \( n \in \N \).

Rincian:

Sekali lagi, hal ini langsung mengikuti dari identitas operator transisi dan hukum probabilitas total. \[ \P(X_n=y)=\sum_{x\in S}f(x)P^n(x,y)=fP^n(y), \qquad y\in S. \]

Secara khusus, jika \( X_0 \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f \), dan \( f \) invarian terhadap \( \bs{X} \), maka \( X_n \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f \) untuk semua \( n \in \N \), sehingga barisan peubah \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) berdistribusi identik. Dengan menggabungkan dua hasil di atas, misalkan \( X_0 \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f \) dan \( g: S \to \R \). Dengan mengasumsikan nilai harapannya ada, \( \E[g(X_n)] = f P^n g \). Secara eksplisit, \[ \E[g(X_n)] = \sum_{x \in S} \sum_{y \in S} f(x) P^n(x, y) g(y) \] Selain itu, dari hasil sebelumnya diperoleh bahwa distribusi \( X_0 \) (distribusi awal) dan matriks transisi satu langkah menentukan distribusi \( X_n \) untuk setiap \( n \in \N \). Bahkan, besaran-besaran dasar ini menentukan distribusi berdimensi hingga dari proses, suatu hasil yang lebih kuat.

Misalkan \( X_0 \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f_0 \). Untuk setiap barisan keadaan \((x_0,x_1,\ldots,x_n)\in S^{n+1}\), \[ \begin{aligned} &\P(X_0=x_0,X_1=x_1,\ldots,X_n=x_n)\\ &\qquad=f_0(x_0)P(x_0,x_1)P(x_1,x_2)\cdots P(x_{n-1},x_n). \end{aligned} \]

Rincian:

Hal ini langsung mengikuti dari sifat Markov dan aturan perkalian probabilitas bersyarat: Kasus \(n=0\) langsung. Untuk \(n\in\N_+\), tetapkan \(A_j=\{X_j=x_j\}\). Sifat menara dan sifat Markov memberikan \[ \begin{aligned} \P(A_0\cap\cdots\cap A_n) &=\E\!\left[\bs1_{A_0\cap\cdots\cap A_{n-1}} \E(\bs1_{A_n}\mid\mathscr F_{n-1})\right]\\ &=\E\!\left[\bs1_{A_0\cap\cdots\cap A_{n-1}} P(X_{n-1},x_n)\right]. \end{aligned} \] Dengan mengulangi langkah ini diperoleh \[ \P(A_0\cap\cdots\cap A_n) =f_0(x_0)\prod_{j=1}^{n}P(x_{j-1},x_j). \]

Perhitungan semacam ini merupakan alasan digunakannya istilah rantai dalam nama rantai Markov. Dari hasil ini diperoleh bahwa, jika diberikan matriks probabilitas \( P \) pada \( S \) dan fungsi kepadatan probabilitas \( f \) pada \( S \), kita dapat mengonstruksi rantai Markov \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) sedemikian sehingga \( X_0 \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f \) dan rantai tersebut memiliki matriks transisi satu langkah \( P \). Dalam masalah terapan, matriks transisi satu langkah \( P \) sering diketahui berdasarkan pertimbangan pemodelan, dan sekali lagi distribusi awal sering tidak ditentukan.

Terdapat graf alami (dalam pengertian kombinatorika) yang berkaitan dengan rantai Markov waktu diskret homogen.

Misalkan kembali bahwa \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) adalah rantai Markov dengan ruang keadaan \( S \) dan matriks probabilitas transisi \( P \). Graf keadaan dari \( \bs{X} \) adalah graf berarah dengan himpunan simpul \( S \) dan himpunan sisi \( E = \{(x, y) \in S^2: P(x, y) \gt 0\} \).

Artinya, terdapat sisi berarah dari \( x \) ke \( y \) jika dan hanya jika keadaan \( x \) menuju keadaan \( y \) dalam satu langkah. Perhatikan bahwa graf tersebut mungkin saja memiliki gelang, karena suatu keadaan tentu dapat kembali ke dirinya sendiri dalam satu langkah. Secara lebih umum, kita memiliki hasil berikut:

Misalkan kembali bahwa \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) adalah rantai Markov dengan ruang keadaan \( S \) dan matriks probabilitas transisi \( P \). Untuk \( x, \, y \in S \) dan \( n \in \N_+ \), terdapat lintasan berarah sepanjang \( n \) dalam graf keadaan dari \( x \) ke \( y \) jika dan hanya jika \( P^n(x, y) \gt 0 \).

Rincian:

Hal ini mengikuti karena \( P^n(x, y) \gt 0 \) jika dan hanya jika terdapat barisan keadaan \( (x_1, x_2, \ldots, x_{n-1}) \) dengan \( P(x, x_1) \gt 0, P(x_1, x_2) \gt 0, \ldots, P(x_{n-1}, y) \gt 0\). Ini juga tepat merupakan syarat bagi keberadaan lintasan berarah \( (x, x_1, \ldots, x_{n-1}, y) \) sepanjang \( n \) dari \( x \) ke \( y \) dalam graf keadaan.

Matriks Potensial

Untuk \( \alpha \in (0, 1] \), matriks potensial-\( \alpha \) \( R_\alpha \) dari \( \bs{X} \) adalah \[R_\alpha(x,y)=\sum_{n=0}^\infty\alpha^nP^n(x,y),\qquad(x,y)\in S^2.\]

  1. \( R = R_1 \) adalah matriks potensial dari \( \bs{X} \).
  2. \( R(x, y) \) adalah nilai harapan banyaknya kunjungan \( \bs{X} \) ke \( y \in S \), dimulai dari \( x \in S \).
Rincian:

Pertama, definisi \( R_\alpha \) sebagai deret matriks tak hingga bermakna karena \( P^n \) merupakan matriks nonnegatif untuk setiap \( n \). Penafsiran \( R(x, y) \) untuk \( (x, y) \in S^2 \) diperoleh dengan menukar urutan penjumlahan dan nilai harapan, yang sekali lagi dapat dibenarkan karena suku-sukunya nonnegatif. \[ \begin{aligned} R(x,y) &=\sum_{n=0}^\infty P^n(x,y) =\sum_{n=0}^\infty\E_x[\bs1(X_n=y)]\\ &=\E_x\!\left[\sum_{n=0}^\infty\bs1(X_n=y)\right] =\E_x[\#\{n\in\N:X_n=y\}]. \end{aligned} \]

Perhatikan bahwa sangat mungkin \( R(x, y) = \infty \) untuk suatu \( (x, y) \in S^2 \). Bahkan, mengetahui kapan hal ini terjadi sangat penting dalam kajian rekurensi dan transiens, yang akan kita pelajari pada bagian berikutnya. Seperti setiap matriks nonnegatif, matriks potensial-\( \alpha \) mendefinisikan suatu kernel serta operator kiri dan kanan. Untuk kernelnya, \[ R_\alpha(x, A) = \sum_{y \in A} R_\alpha(x, y) = \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^n(x, A), \quad x \in S, A \subseteq S \] Secara khusus, \( R(x, A) \) adalah nilai harapan banyaknya kunjungan rantai ke \( A \) ketika dimulai dari \( x \): \[ R(x, A) = \sum_{y \in A} R(x, y) = \sum_{n=0}^\infty P^n(x, A) = \E_x\left[\sum_{n=0}^\infty\bs{1}(X_n\in A)\right], \quad x \in S, \, A \subseteq S \]

Jika \( \alpha \in (0, 1) \), maka \( R_\alpha(x, S) = \frac{1}{1 - \alpha} \) untuk semua \( x \in S \).

Rincian:

Dengan menggunakan deret geometri, \[ R_\alpha(x, S) = \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^n(x, S) = \sum_{n=0}^\infty \alpha^n = \frac{1}{1 - \alpha} \]

Karena itu, \( R_\alpha \) adalah matriks terbatas untuk \( \alpha \in (0, 1) \), dan \( (1 - \alpha) R_\alpha \) adalah matriks probabilitas. Matriks ini memiliki penafsiran sederhana.

Jika \(\alpha\in(0,1)\), maka \[ (1-\alpha)R_\alpha(x,y)=\P_x(X_N=y),\qquad(x,y)\in S^2, \] dengan \(N\) independen dari \(\bs X\) di bawah setiap \(\P_x\) dan berdistribusi geometrik pada \(\N\) dengan parameter \(1-\alpha\).

Rincian:

Ambil \((x,y)\in S^2\). Dengan mengondisikan pada \(N\) dan memakai independensi, \[ \P_x(X_N=y)=\sum_{n=0}^\infty\P(N=n)\P_x(X_N=y\mid N=n) =\sum_{n=0}^\infty\P(N=n)\P_x(X_n=y). \] Karena \(\P(N=n)=(1-\alpha)\alpha^n\), diperoleh \[ \P_x(X_N=y)=\sum_{n=0}^\infty(1-\alpha)\alpha^nP^n(x,y) =(1-\alpha)R_\alpha(x,y). \]

Jadi, \( (1 - \alpha) R_\alpha \) dapat dipandang sebagai matriks transisi, sama seperti \( P^n \), tetapi berkaitan dengan waktu acak \( N \) (dengan \( \alpha \) sebagai parameter), bukan waktu deterministik \( n \). Matriks potensial \( R_\alpha \) untuk \( \alpha \in (0, 1) \) juga dapat ditafsirkan secara ekonomi. Misalkan kita menerima satu unit uang setiap kali rantai mengunjungi keadaan tetap \( y \in S\). Maka \( R(x, y) \) adalah nilai harapan imbalan total ketika dimulai dari keadaan \( x \in S \). Namun, uang yang akan kita terima jauh di masa depan biasanya kurang bernilai bagi kita sekarang daripada uang yang akan segera kita terima. Secara khusus, misalkan satu unit uang pada waktu \( n \in \N \) memiliki nilai kini sebesar \( \alpha^n \), sehingga \(\alpha\) adalah faktor diskonto. Maka \( R_\alpha (x, y) \) memberikan nilai harapan imbalan total terdiskonto ketika dimulai dari \( x \in S \).

Kernel-kernel potensial \( \bs{R} = \{R_\alpha: \alpha \in (0, 1)\} \) sepenuhnya menentukan kernel-kernel transisi \( \bs{P} = \{P_n: n \in \N\} \).

Rincian:

Perhatikan bahwa untuk \( (x, y) \in S^2 \), fungsi \( \alpha \mapsto R_\alpha(x, y) \) adalah deret pangkat dalam \( \alpha \) dengan koefisien \(n \mapsto P^n(x, y) \). Dalam bahasa kombinatorika, \( \alpha \mapsto R_\alpha(x, y) \) adalah fungsi pembangkit biasa dari barisan \( n \mapsto P^n(x, y) \). Seperti dicatat di atas, deret pangkat ini memiliki jari-jari konvergensi setidaknya 1, sehingga kita dapat memperluas domainnya ke \( \alpha \in (-1, 1) \). Dengan demikian, jika matriks-matriks potensial diketahui, kita dapat memperoleh kembali matriks-matriks transisi dengan menurunkan dan mengevaluasinya di 0: \[ P^n(x, y) = \frac{1}{n!}\left[\frac{d^n}{d\alpha^n} R_\alpha(x, y) \right]_{\alpha = 0} \]

Tentu saja, sebenarnya kita hanya perlu menentukan \( P \), yaitu kernel transisi satu langkah, karena kernel-kernel transisi lainnya merupakan pangkat dari \( P \). Bagaimanapun, dapat disimpulkan bahwa matriks-matriks \( \bs{R} = \{R_\alpha: \alpha \in (0, 1)\} \), bersama distribusi awal, sepenuhnya menentukan distribusi berdimensi hingga dari rantai Markov \( \bs{X} \). Matriks-matriks potensial komutatif satu sama lain dan dengan matriks-matriks transisi.

Jika \( \alpha, \, \beta \in (0, 1] \) dan \( k \in \N \), maka

  1. \( P^k R_\alpha = R_\alpha P^k = \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^{n+k} \)
  2. \( R_\alpha R_\beta = R_\beta R_\alpha = \sum_{m=0}^\infty \sum_{n=0}^\infty \alpha^m \beta^n P^{m+n} \)
Rincian:

Perkalian matriks bersifat distributif terhadap penjumlahan matriks; karena semua matriks ini nonnegatif, pendistribusian melalui deret tak hingga tersebut sah.

  1. Secara langsung, \[ R_\alpha P^k = \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^n P^k = \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^{n+k}\] Arah sebaliknya memerlukan pertukaran urutan. \[ P^k R_\alpha = P^k \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^n = \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^k P^n = \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^{n+k}\]
  2. Pertama, \[ \begin{aligned} R_\alpha R_\beta &=\sum_{m=0}^\infty\alpha^mP^mR_\beta =\sum_{m=0}^\infty\alpha^mP^m\!\left(\sum_{n=0}^\infty\beta^nP^n\right)\\ &=\sum_{m=0}^\infty\sum_{n=0}^\infty\alpha^m\beta^nP^mP^n =\sum_{m=0}^\infty\sum_{n=0}^\infty\alpha^m\beta^nP^{m+n}. \end{aligned} \] Arah sebaliknya serupa.

Persamaan mendasar yang menghubungkan matriks-matriks potensial diberikan berikut ini.

Jika \( \alpha, \, \beta \in (0, 1] \) dengan \( \alpha \ge \beta \), maka \[ \alpha R_\alpha = \beta R_\beta + (\alpha - \beta) R_\alpha R_\beta \]

Rincian:

Jika \( \alpha = \beta \), persamaan tersebut trivial, jadi anggap \( \alpha \gt \beta \). Dari hasil sebelumnya, \[ R_\alpha R_\beta = \sum_{j=0}^\infty \sum_{k=0}^\infty \alpha^j\beta^kP^{j+k} \] Dengan mengganti variabel agar penjumlahan dilakukan atas \( n = j + k \) dan \( k \), diperoleh \[ \begin{aligned} R_\alpha R_\beta &=\sum_{n=0}^\infty\sum_{k=0}^n\alpha^{n-k}\beta^kP^n\\ &=\sum_{n=0}^\infty\sum_{k=0}^n \left(\frac{\beta}{\alpha}\right)^k\alpha^nP^n\\ &=\sum_{n=0}^\infty \frac{1-(\beta/\alpha)^{n+1}}{1-\beta/\alpha}\alpha^nP^n. \end{aligned} \] Dengan menyederhanakan, diperoleh \[ R_\alpha R_\beta = \frac{1}{\alpha - \beta} \left[\alpha R_\alpha - \beta R_\beta \right]\] Perhatikan bahwa karena \( \beta \lt 1 \), matriks \( R_\beta \) memiliki nilai-nilai berhingga, sehingga bentuk tak tentu \( \infty - \infty \) tidak muncul.

Jika \( \alpha \in (0, 1] \), maka \( I + \alpha R_\alpha P = I + \alpha P R_\alpha = R_\alpha \).

Rincian:

Dari definisi matriks potensial, \[ I + \alpha R_\alpha P = I + \alpha P R_\alpha = I + \sum_{n=0}^\infty \alpha^{n+1} P^{n+1} = \sum_{n = 0}^\infty \alpha^n P^n = R_\alpha \]

Hal ini mengarah pada hasil penting: jika \( \alpha \in (0, 1) \), terdapat hubungan invers antara \( P \) dan \( R_\alpha \).

Jika \( \alpha \in (0, 1) \), maka

  1. \( R_\alpha = (I - \alpha P)^{-1} \)
  2. \( P = \frac{1}{\alpha}\left(I - R_\alpha^{-1}\right) \)
Rincian:

Matriks-matriks tersebut memiliki nilai berhingga, sehingga kita dapat melakukan pengurangan. Identitas \( I + \alpha R_\alpha P = R_\alpha \) menghasilkan \( R_\alpha(I - \alpha P) = I \), dan identitas \( I + \alpha P R_\alpha = R_\alpha \) menghasilkan \( (I - \alpha P) R_\alpha = I \). Karena itu, (a) berlaku. Bagian (b) mengikuti dari (a).

Hasil sebelumnya sekali lagi menunjukkan bahwa matriks potensial \( R_\alpha \) menentukan operator transisi \( P \).

Pengambilan Sampel dalam Waktu

Jika kita mengambil sampel suatu rantai Markov pada kelipatan waktu tetap \( k \), kita memperoleh rantai lain yang juga homogen.

Misalkan \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) adalah rantai Markov dengan ruang keadaan \( S \) dan matriks probabilitas transisi \( P \). Untuk \( k \in \N_+ \) yang tetap, barisan \(\bs{X}_k = (X_0, X_k, X_{2 k}, \ldots) \) adalah rantai Markov pada \( S \) dengan matriks probabilitas transisi \( P^k \).

Jika kita mengambil sampel suatu rantai Markov pada barisan umum titik waktu yang menaik \(0=n_0\lt n_1\lt n_2\lt\cdots\) dalam \(\N\), proses stokastik yang dihasilkan \( \bs{Y} = (Y_0, Y_1, Y_2, \ldots)\), dengan \( Y_k = X_{n_k} \) untuk \( k \in \N \), tetap merupakan rantai Markov, tetapi secara umum tidak homogen terhadap waktu.

Ingat bahwa jika \( A \) adalah himpunan bagian tak kosong dari \( S \), maka \( P_A \) adalah matriks \( P \) yang dibatasi pada \( A \times A \). Jadi, \( P_A \) adalah matriks pembatasan substokastik karena jumlah barisnya mungkin kurang dari 1. Ingat pula bahwa \( P_A^n \) berarti \( (P_A)^n \), bukan \( (P^n)_A \); secara umum, kedua matriks ini berbeda.

Jika \(A\) adalah himpunan bagian tak kosong dari \(S\), maka \(P_A^0=I_A\), dan untuk \(n\in\N_+\), dengan irisan kosong ditafsirkan sebagai \(\Omega\), \[ P_A^n(x,y)=\P_x\!\left(\bigcap_{j=1}^{n-1}\{X_j\in A\}\cap\{X_n=y\}\right), \qquad(x,y)\in A\times A. \]

Artinya, \( P_A^n(x, y) \) adalah probabilitas berpindah dari keadaan \( x \) ke \( y \) dalam \( n \) langkah sambil tetap berada di \( A \) sepanjang waktu. Dalam graf keadaan dari \( \bs{X} \), ini adalah jumlah hasil kali probabilitas di sepanjang lintasan-lintasan sepanjang \( n \) dari \( x \) ke \( y \) yang tetap berada di dalam \( A \).

Contoh dan Penerapan

Latihan Komputasi

Misalkan \( \bs{X} = (X_0, X_1, \ldots) \) adalah rantai Markov pada \( S = \{a, b, c\} \) dengan matriks transisi \[ P = \left[\begin{matrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & 0 \\ \frac{1}{4} & 0 & \frac{3}{4} \\ 1 & 0 & 0 \end{matrix} \right] \]

Untuk rantai Markov \( \bs{X} \),

  1. Gambarkan graf keadaan.
  2. Tentukan \(\P_a(X_1=a,X_2=b,X_3=c)\)
  3. Tentukan \( P^2 \)
  4. Misalkan \( g: S \to \R \) diberikan oleh \( g(a) = 1 \), \( g(b) = 2 \), dan \( g(c) = 3 \). Tentukan \(\E_x[g(X_2)]\) untuk \( x \in S \).
  5. Misalkan \( X_0 \) memiliki distribusi seragam pada \( S \). Tentukan fungsi kepadatan probabilitas dari \( X_2 \).
Rincian:
  1. Himpunan sisinya adalah \(E = \{(a, a), (a, b), (b, a), (b, c), (c, a)\} \)
  2. \( P(a, a) P(a, b) P(b, c) = \frac{3}{16} \)
  3. Dengan perkalian matriks biasa, \[ P^2 = \left[\begin{matrix} \frac{3}{8} & \frac{1}{4} & \frac{3}{8} \\ \frac{7}{8} & \frac{1}{8} & 0 \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & 0 \end{matrix} \right] \]
  4. Dalam bentuk matriks, \[ g = \left[\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{matrix}\right], \quad P^2 g = \left[\begin{matrix} 2 \\ \frac{9}{8} \\ \frac{3}{2} \end{matrix} \right] \]
  5. Dalam bentuk matriks, \( X_0 \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f = \left[\begin{matrix} \frac{1}{3} & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{matrix} \right] \), dan \( X_2 \) memiliki fungsi kepadatan probabilitas \( f P^2 = \left[\begin{matrix} \frac{7}{12} & \frac{7}{24} & \frac{1}{8} \end{matrix} \right] \).

Misalkan \( A = \{a, b\} \). Tentukan masing-masing berikut ini:

  1. \( P_A \)
  2. \( P_A^2 \)
  3. \( (P^2)_A \)
Rincian:
  1. \( P_A = \left[\begin{matrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{4} & 0 \end{matrix}\right] \)
  2. \( P_A^2 = \left[\begin{matrix} \frac{3}{8} & \frac{1}{4} \\ \frac{1}{8} & \frac{1}{8} \end{matrix}\right]\)
  3. \( (P^2)_A = \left[\begin{matrix} \frac{3}{8} & \frac{1}{4} \\ \frac{7}{8} & \frac{1}{8} \end{matrix}\right]\)

Tentukan fungsi kepadatan probabilitas invarian dari \( \bs{X} \).

Rincian:

Menyelesaikan \( f P = f \) dengan syarat bahwa \( f \) adalah fungsi kepadatan probabilitas memberikan \( f = \left[\begin{matrix} \frac{8}{15} & \frac{4}{15} & \frac{3}{15} \end{matrix}\right] \)

Hitung matriks potensial-\( \alpha \), \( R_\alpha \), untuk \( \alpha \in (0, 1) \).

Rincian:

Perhitungan \( R_\alpha = (I - \alpha P)^{-1} \) memberikan \[ R_\alpha = \frac{1}{(1 - \alpha)(8 + 4 \alpha + 3 \alpha^2)}\left[\begin{matrix} 8 & 4 \alpha & 3 \alpha^2 \\ 2 \alpha + 6 \alpha^2 & 8 - 4 \alpha & 6 \alpha - 3 \alpha^2 \\ 8 \alpha & 4 \alpha^2 & 8 - 4 \alpha - \alpha^2 \end{matrix}\right] \] Sebagai pemeriksaan atas perhitungan kita, perhatikan bahwa jumlah setiap baris adalah \( \frac{1}{1 - \alpha} \).

Rantai Dua Keadaan

Mungkin rantai Markov tak trivial yang paling sederhana memiliki dua keadaan, misalkan \( S = \{0, 1\} \), dan matriks probabilitas transisi yang diberikan di bawah ini, dengan \( p \in (0, 1) \) dan \( q \in (0, 1) \) sebagai parameter. \[ P = \left[ \begin{matrix} 1 - p & p \\ q & 1 - q \end{matrix} \right] \]

Untuk \( n \in \N \), \[ P^n = \frac{1}{p + q} \left[ \begin{matrix} q + p(1 - p - q)^n & p - p(1 - p - q)^n \\ q - q(1 - p - q)^n & p + q(1 - p - q)^n \end{matrix} \right] \]

Rincian:

Nilai eigen dari \( P \) adalah 1 dan \( 1 - p - q \). Selanjutnya, \( B^{-1} P B = D \), dengan \[ B = \left[ \begin{matrix} 1 & - p \\ 1 & q \end{matrix} \right], \quad D = \left[ \begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 - p - q \end{matrix} \right] \] Karena itu, \( P^n = B D^n B^{-1} \), yang memberikan pernyataan di atas.

Ketika \( n \to \infty \), \[ P^n \to \frac{1}{p + q} \left[ \begin{matrix} q & p \\ q & p \end{matrix} \right] \]

Rincian:

Perhatikan bahwa \( 0 \lt p + q \lt 2 \), sehingga \(-1 \lt 1 - (p + q) \lt 1\). Karena itu, \( (1 - p - q)^n \to 0 \) ketika \( n \to \infty \).

Buka simulasi rantai Markov waktu diskret dua keadaan. Untuk berbagai nilai \( p \) dan \( q \), serta keadaan awal yang berbeda-beda, jalankan simulasi sebanyak 1000 kali. Bandingkan distribusi frekuensi relatif dengan distribusi limit, dan khususnya perhatikan laju konvergensinya. Pastikan Anda mencoba kasus \( p = q = 0.01 \)

Satu-satunya fungsi kepadatan probabilitas invarian bagi rantai tersebut adalah \[ f = \left[\begin{matrix} \frac{q}{p + q} & \frac{p}{p + q} \end{matrix} \right] \]

Rincian:

Misalkan \( f = \left[\begin{matrix} a & b \end{matrix}\right] \). Persamaan matriks \( f P = f \) menghasilkan \( -p a + q b = 0 \), sehingga \( b = a \frac{p}{q} \). Syarat \( a + b = 1 \) agar \( f \) menjadi fungsi kepadatan probabilitas kemudian memberikan \( a = \frac{q}{p + q} \), \( b = \frac{p}{p + q} \)

Untuk \( \alpha \in (0, 1) \), matriks potensial-\( \alpha \) adalah \[ R_\alpha= \frac{1}{(p+q)(1-\alpha)} \begin{bmatrix}q&p\\q&p\end{bmatrix} + \frac{1}{(p+q)\,[1-\alpha(1-p-q)]} \begin{bmatrix}p&-p\\-q&q\end{bmatrix}. \]

Rincian:

Dalam kasus ini, \( R_\alpha \) dapat dihitung langsung sebagai \( \sum_{n=0}^\infty \alpha^n P^n \) dengan menggunakan deret geometri.

Meskipun sederhana, rantai dua keadaan menggambarkan beberapa perilaku limit dasar dan kaitannya dengan distribusi invarian yang akan kita pelajari secara umum pada bagian selanjutnya.

Peubah Independen dan Gerak Acak

Misalkan \( \bs{X} = (X_0, X_1, X_2, \ldots) \) adalah barisan peubah acak independen yang mengambil nilai dalam himpunan terhitung \( S \), dan \( (X_1, X_2, \ldots) \) berdistribusi identik dengan fungsi kepadatan probabilitas (diskret) \( f \).

\( \bs{X} \) adalah rantai Markov pada \( S \) dengan matriks probabilitas transisi \( P \) yang diberikan oleh \( P(x, y) = f(y) \) untuk \( (x, y) \in S \times S \). Selain itu, \( f \) invarian terhadap \( P \).

Rincian:

Seperti biasa, misalkan \( \mathscr{F}_n = \sigma\{X_0, X_1 \ldots, X_n\} \) untuk \( n \in \N \). Karena barisan \( \bs{X} \) independen, \[ \P(X_{n+1} = y \mid \mathscr{F}_n) = \P(X_{n+1} = y) = f(y), \quad y \in S \] Selain itu, \[ f P(y) = \sum_{x \in S} f(x) P(x, y) = \sum_{x \in S} f(x) f(y) = f(y), \quad y \in S \]

Sebagai rantai Markov, proses \( \bs{X} \) tidak terlalu menarik, meskipun tentu saja proses ini sangat menarik dalam berbagai hal lain. Sekarang, misalkan \( S = \Z \), yaitu himpunan bilangan bulat, dan pertimbangkan proses jumlah parsial (atau gerak acak) \( \bs{Y} \) yang berkaitan dengan \( \bs{X} \): \[ Y_n = \sum_{i=0}^n X_i, \quad n \in \N \]

\( \bs{Y} \) adalah rantai Markov pada \( \Z \) dengan matriks probabilitas transisi \( Q \) yang diberikan oleh \( Q(x, y) = f(y - x) \) untuk \( (x, y) \in \Z \times \Z \).

Rincian:

Sekali lagi, misalkan \(\mathscr F_n=\sigma\{X_0,X_1,\ldots,X_n\}=\sigma\{Y_0,Y_1,\ldots,Y_n\}\). Karena \(X_{n+1}\) independen dari \(\mathscr F_n\), untuk \(y\in\Z\), \[ \P(Y_{n+1}=y\mid\mathscr F_n) =\P(X_{n+1}=y-Y_n\mid\mathscr F_n) =f(y-Y_n)=Q(Y_n,y) \quad\text{hampir pasti}, \] dengan kernel yang dipilih untuk semua \((x,y)\in\Z^2\) oleh \(Q(x,y)=f(y-x)\).

Dengan demikian, fungsi kepadatan probabilitas \( f \) menentukan distribusi setiap langkah pejalan acak pada \( \Z \).

Pertimbangkan kasus khusus gerak acak pada \( \Z \) dengan \( f(1) = p \) dan \( f(-1) = 1 - p \), dengan \( p \in (0, 1) \).

  1. Nyatakan matriks transisi \( Q \) secara eksplisit.
  2. Nyatakan \( Q^n \) secara eksplisit untuk \( n \in \N \).
Rincian:
  1. \( Q(x, x - 1) = 1 - p \), \( Q(x, x + 1) = p \) untuk \(x\in\Z\).
  2. Untuk \( k \in \{0, 1, \ldots, n\} \), \[ Q^n(x, x + 2 k - n) = \binom{n}{k} p^k (1 - p)^{n-k} \] Ini berkaitan dengan \( k \) langkah ke kanan dan \( n - k \) langkah ke kiri.

Kasus khusus ini adalah gerak acak sederhana pada \( \Z \). Ketika \( p = \frac{1}{2} \), kita memperoleh gerak acak sederhana simetris. Gerak acak sederhana pada \( \Z \) dipelajari lebih terperinci pada bagian selanjutnya dalam bab ini. Gerak acak sederhana simetris dipelajari lebih terperinci dalam bab mengenai percobaan Bernoulli.

Matriks Stokastik Ganda

Matriks \( P \) pada \( S \) disebut stokastik ganda jika matriks tersebut nonnegatif dan jumlah baris serta jumlah kolomnya sama dengan 1: \[ \sum_{u \in S} P(x, u) = 1, \; \sum_{u\in S}P(u,y) = 1, \quad (x, y) \in S \times S \]

Misalkan \( \bs{X} \) adalah rantai Markov pada ruang keadaan berhingga \( S \) dengan matriks transisi stokastik ganda \( P \). Maka distribusi seragam pada \( S \) bersifat invarian.

Rincian:

Fungsi konstan bersifat invarian kiri. Misalkan \( f(x) = c \) untuk \( x \in S \). Maka \[ f P(y) = \sum_{x \in S} f(x) P(x, y) = c \sum_{x \in S} P(x, y) = c, \quad y \in S \] Karena itu, jika \( S \) berhingga, fungsi kepadatan probabilitas seragam \( f \) yang diberikan oleh \( f(x) = 1 \big/ \#(S) \) untuk \( x \in S \) bersifat invarian.

Jika \( P \) dan \( Q \) adalah matriks stokastik ganda pada \( S \), maka \( P Q \) juga demikian.

Rincian:

Untuk \( y \in S \), \[ \sum_{x \in S} P Q(x, y) = \sum_{x \in S} \sum_{z \in S} P(x, z) Q(z, y) = \sum_{z \in S} Q(z, y) \sum_{x \in S} P(x, z) = \sum_{z \in S} Q(z, y) = 1 \] Pertukaran urutan penjumlahan sah karena suku-sukunya nonnegatif.

Diperoleh bahwa jika \( P \) stokastik ganda, maka \( P^n \) juga stokastik ganda untuk \( n \in \N \).

Misalkan \( \bs{X} = (X_0, X_1, \ldots)\) adalah rantai Markov dengan ruang keadaan \( S = \{-1, 0, 1\} \) dan matriks transisi \[ P = \left[\begin{matrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & 0 \\ 0 & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & 0 & \frac{1}{2} \end{matrix} \right] \]

  1. Gambarkan graf keadaan.
  2. Tunjukkan bahwa \( P \) stokastik ganda.
  3. Tentukan \( P^2 \).
  4. Tunjukkan bahwa distribusi seragam pada \( S \) adalah satu-satunya distribusi invarian bagi \( \bs{X} \).
  5. Misalkan \( X_0 \) memiliki distribusi seragam pada \( S \). Untuk \( n \in \N \), tentukan \( \E(X_n) \) dan \( \var(X_n) \).
  6. Tentukan matriks potensial-\( \alpha \), \( R_\alpha \), untuk \( \alpha \in (0, 1) \).
Rincian:
  1. Himpunan sisinya adalah \( E = \{(-1, -1), (-1, 0), (0, 0), (0, 1), (1, -1), (1, 1)\} \)
  2. Cukup perhatikan bahwa jumlah baris dan jumlah kolom sama dengan 1.
  3. Dengan perkalian matriks, \[ P^2 = \left[\begin{matrix} \frac{1}{4} & \frac{1}{2} & \frac{1}{4} \\ \frac{1}{4} & \frac{1}{4} & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{4} & \frac{1}{4} \end{matrix} \right]\]
  4. Misalkan \( f = \left[\begin{matrix} p & q & r\end{matrix}\right] \). Menyelesaikan persamaan \( f P = f \) memberikan \( p = q = r \). Syarat bahwa \( f \) harus menjadi fungsi kepadatan probabilitas kemudian memaksa nilai bersama tersebut sama dengan \( \frac{1}{3} \).
  5. Jika \( X_0 \) memiliki distribusi seragam pada \( S \), maka demikian pula \( X_n \) untuk setiap \( n \in \N \), sehingga \( \E(X_n) = 0 \) dan \( \var(X_n) = \E\left(X_0^2\right) = \frac{2}{3} \).
  6. \[ R_\alpha = (I - \alpha P)^{-1} = \frac{1}{(1 - \alpha)(4 - 2 \alpha + \alpha^2)}\left[\begin{matrix} 4-4\alpha+\alpha^2 & 2\alpha-\alpha^2 & \alpha^2 \\ \alpha^2 & 4-4\alpha+\alpha^2 & 2\alpha-\alpha^2 \\ 2\alpha-\alpha^2 & \alpha^2 & 4-4\alpha+\alpha^2 \end{matrix}\right] \]

Ingat bahwa matriks \( M \) yang diindeks oleh himpunan terhitung \( S \) disebut simetris jika \( M(x, y) = M(y, x) \) untuk semua \( x, \, y \in S \).

Jika \( P \) adalah matriks stokastik simetris, maka \( P \) stokastik ganda.

Rincian:

Hal ini trivial karena \[ \sum_{x \in S} P(x, y) = \sum_{x \in S} P(y, x) = 1, \quad y \in S \]

Kebalikannya tidak benar. Matriks stokastik ganda dalam latihan sebelumnya tidak simetris. Namun, karena matriks stokastik simetris pada ruang keadaan berhingga bersifat stokastik ganda, distribusi seragam bersifat invarian.

Misalkan \( \bs{X} = (X_0, X_1, \ldots)\) adalah rantai Markov dengan ruang keadaan \( S = \{-1, 0, 1\} \) dan matriks transisi \[ P = \left[\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{4} & \frac{3}{4} \\ 0 & \frac{3}{4} & \frac{1}{4} \end{matrix} \right] \]

  1. Gambarkan graf keadaan.
  2. Tunjukkan bahwa \( P \) simetris.
  3. Tentukan \( P^2 \).
  4. Tentukan semua fungsi kepadatan probabilitas invarian bagi \( \bs{X} \).
  5. Tentukan matriks potensial-\( \alpha \), \( R_\alpha \), untuk \( \alpha \in (0, 1) \).
Rincian:
  1. Himpunan sisinya adalah \( E = \{(-1, -1), (0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1)\} \)
  2. Cukup perhatikan bahwa \( P \) simetris terhadap diagonal utama.
  3. Dengan perkalian matriks, \[ P^2 = \left[\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{5}{8} & \frac{3}{8} \\ 0 & \frac{3}{8} & \frac{5}{8} \end{matrix} \right]\]
  4. Misalkan \( f = \left[\begin{matrix} p & q & r\end{matrix}\right] \). Menyelesaikan persamaan \( f P = f \) hanya memberikan \( r = q \). Syarat bahwa \( f \) harus menjadi fungsi kepadatan probabilitas memaksa \( p = 1 - 2 q \). Jadi, fungsi-fungsi kepadatan probabilitas invarian adalah \( f = \left[\begin{matrix} 1 - 2 q & q & q \end{matrix}\right] \), dengan \( q \in \left[0, \frac{1}{2}\right] \). Kasus khusus \( q = \frac{1}{3} \) memberikan distribusi seragam pada \( S \).
  5. \[ R_\alpha = (I - \alpha P)^{-1} = \frac{1}{2 (1 - \alpha)^2 (2 + \alpha)}\left[\begin{matrix} 4 - 2 \alpha - 2 \alpha^2 & 0 & 0 \\ 0 & 4 - 5 \alpha + \alpha^2 & 3 \alpha - 3 \alpha^2 \\ 0 & 3 \alpha - 3 \alpha^2 & 4 - 5 \alpha + \alpha^2 \end{matrix}\right] \]

Model Khusus

Rantai-rantai Markov berikut memodelkan proses menarik yang dipelajari dalam bagian-bagian tersendiri.

  1. Rantai Ehrenfest
  2. Rantai Bernoulli–Laplace.
  3. Rantai reliabilitas.
  4. Rantai percabangan.
  5. Rantai antrean.
  6. Gerak acak pada graf.
  7. Rantai kelahiran–kematian.