Теория марковских случайных процессов. Понятие о марковских случайных процессах Гауссовская марковская последовательность

Теория массового обслуживания составляет один из разделов теории вероятностей. В этой теории рассматриваются вероятностные задачи и математические модели (до этого нами рассматривались детерминированные математические модели). Напомним, что:

Детерминированная математическая модель отражает поведение объекта (системы, процесса) с позицийполной определенности в настоящем и будущем.

Вероятностная математическая модель учитывает влияние случайных факторов на поведение объекта (системы, процесса) и, следовательно, оценивает будущее с позиций вероятности тех или иных событий.

Т.е. здесь как, например, в теории игр задачи рассматриваются в условиях неопределенности .

Рассмотрим сначала некоторые понятия, которые характеризуют «стохастическую неопределенность», когда неопределенные факторы, входящие в задачу, представляют собой случайные величины (или случайные функции), вероятностные характеристики которых либо известны, либо могут быть получены из опыта. Такую неопределенность называют еще «благоприятной», «доброкачественной».

Понятие случайного процесса

Строго говоря, случайные возмущения присущи любому процессу. Проще привести примеры случайного, чем «неслучайного» процесса. Даже, например, процесс хода часов (вроде бы это строгая выверенная работа – «работает как часы») подвержен случайным изменениям (уход вперед, отставание, остановка). Но до тех пор, пока эти возмущения несущественны, мало влияют на интересующие нас параметры, мы можем ими пренебречь и рассматривать процесс как детерминированный, неслучайный.

Пусть имеется некоторая система S (техническое устройство, группа таких устройств, технологическая система – станок, участок, цех, предприятие, отрасль промышленности и т.д.). В системеS протекаетслучайный процесс , если она с течением времени меняет свое состояние (переходит из одного состояния в другое), причем, заранее неизвестным случайным образом.

Примеры: 1. СистемаS – технологическая система (участок станков). Станки время от времени выходят из строя и ремонтируются. Процесс, протекающий в этой системе, случаен.

2. Система S – самолет, совершающий рейс на заданной высоте по определенному маршруту. Возмущающие факторы – метеоусловия, ошибки экипажа и т.д., последствия – «болтанка», нарушение графика полетов и т.д.

Марковский случайный процесс

Случайный процесс, протекающий в системе, называется Марковским , если для любого момента времениt 0 вероятностные характеристики процесса в будущем зависят только от его состояния в данный моментt 0 и не зависят от того, когда и как система пришла в это состояние.

Пусть в настоящий момент t 0 система находится в определенном состоянииS 0 . Мы знаем характеристики состояния системы в настоящеми все, что было приt <t 0 (предысторию процесса). Можем ли мы предугадать (предсказать) будущее, т.е. что будет приt >t 0 ? В точности – нет, но какие-то вероятностные характеристики процесса в будущем найти можно. Например, вероятность того, что через некоторое времясистемаS окажется в состоянииS 1 или останется в состоянииS 0 и т.д.

Пример . СистемаS – группа самолетов, участвующих в воздушном бою. Пустьx – количество «красных» самолетов,y – количество «синих» самолетов. К моменту времениt 0 количество сохранившихся (не сбитых) самолетов соответственно –x 0 ,y 0 . Нас интересует вероятность того, что в момент временичисленный перевес будет на стороне «красных». Эта вероятность зависит от того, в каком состоянии находилась система в момент времениt 0 , а не от того, когда и в какой последовательности погибали сбитые до моментаt 0 самолеты.

На практике Марковские процессы в чистом виде обычно не встречаются. Но имеются процессы, для которых влиянием «предистории» можно пренебречь. И при изучении таких процессов можно применять Марковские модели (в теории массового обслуживания рассматриваются и не Марковские системы массового обслуживания, но математический аппарат, их описывающий, гораздо сложнее).

В исследовании операций большое значение имеют Марковские случайные процессы с дискретными состояниями и непрерывным временем.

Процесс называется процессом с дискретным состоянием , если его возможные состоянияS 1 ,S 2 , … можно заранее определить, и переход системы из состояния в состояние происходит «скачком», практически мгновенно.

Процесс называется процессом с непрерывным временем , если моменты возможных переходов из состояния в состояние не фиксированы заранее, а неопределенны, случайны и могут произойти в любой момент.

Пример . Технологическая система (участок)S состоит из двух станков, каждый из которых в случайный момент времени может выйти из строя (отказать), после чего мгновенно начинается ремонт узла, тоже продолжающийся заранее неизвестное, случайное время. Возможны следующие состояния системы:

S 0 - оба станка исправны;

S 1 - первый станок ремонтируется, второй исправен;

S 2 - второй станок ремонтируется, первый исправен;

S 3 - оба станка ремонтируются.

Переходы системы S из состояния в состояние происходят практически мгновенно, в случайные моменты выхода из строя того или иного станка или окончания ремонта.

При анализе случайных процессов с дискретными состояниями удобно пользоваться геометрической схемой – графом состояний . Вершины графа – состояния системы. Дуги графа – возможные переходы из состояния в

Рис.1. Граф состояний системы

состояние. Для нашего примера граф состояний приведен на рис.1.

Примечание. Переход из состояния S 0 вS 3 на рисунке не обозначен, т.к. предполагается, что станки выходят из строя независимо друг от друга. Вероятностью одновременного выхода из строя обоих станков мы пренебрегаем.

Марковские случайные процессы.

Предположим, что нам необходимо изучить некоторую «физическая систему» S (процесс функционирования которой можно описать явным образом), которая может с течением времени изменять свое состояние (переходит из одного состояния в другое) заранее неизвестным, случайным образом. Под «физической системой» можно понимать что угодно: техническое устройство, группу таких устройств, предприятие, отрасль промышленности, живой организм, популяцию и так далее.

Полагаем, что исследуемая система S может быть описана некоторым множеством возможных, заранее известных состояний системы S i , которые можно определить исходя из «физической природы» исследуемого процесса функционирования системы, т.е. .

- i -тое состояние системы зависит от k параметров.

Следует учесть, что переход из состояния S i в состояние S j носит стохастический характер. Функционирование системы начинаем рассматривать с начального состояния S 0 , которому соответствует момент времени t 0 . То есть, то, что было с системой до момента времени t 0 , относится к «прошлому оной», к предыстории.

Определение: Случайный процесс, протекающий в системе, называется марковским, если для любого момента времени t 0 вероятностные характеристики процесса в будущем зависят только от его состояния в данный момент t 0 и не зависят от того, когда и как система пришла в это состояние.

Полагаем, что состояние системы описывается функцией S (t ), аргумент этой функции, - время t непрерывно, известны моменты времени перехода системы из одного состояния в другое t : t 1 <t 2 < … <t n . Причем переход из одного состояния в другое происходит «скачком», практически мгновенно.

Пришли к тому, что процессу функционирования системы ставится в соответствие цепь дискретных состояний: S 1 ®S 2 ® … ®S n-1 ®S n (последовательный переход из одного состояния в другое, без «перескакивания» через какое-либо состояние). То есть, рассматриваемая система описывается марковским случайным процессом с дискретными состояниями и непрерывным временем.

Из теории вероятности мы знаем, что функция плотности вероятности для n -го состояния ищется как совместная функция плотности для всей «предыстории» процесса прихода системы в это состояние: .

На практике марковские процессы в чистом виде не встречаются, но нередко приходится иметь дело с процессами, для которых влияние предыстории можно пренебречь. При изучении таких процессов можно применять марковские модели.

При переходе рассмотрения процесса как марковского аналитическое описание модели упрощается, так как полагаем, что состояние системы зависит только от одного предыдущего состояния: .

Цепи Маркова задаются набором четко определенных состояний: . По тому, когда и каким образом происходят «переходы», цепи Маркова делятся на дискретные, для которых время перехода из одного состояния в другое фиксировано, и определяется вероятностью этого перехода, и непрерывные, для которых состояния дискретны, время непрерывно и переходы из одного состояния в другое происходят в случайные, заранее не известные, моменты времени.

При анализе случайных процессов с дискретными состояниями удобно пользоваться геометрической схемой – так называемым графом состояний.

Определение. Граф – это совокупность множества вершин V и множество упорядоченных пар вершин A ={(a 1 a i) (a 2 a j) … }, элементы которого называются ребрами G (V ,A ).

Состояниям системы ставятся в соответствие вершины графа, а переходам из одного состояния в другое – верви с указанием «направления протекания» процесса.

На следующем примере рассмотрим методику исследования цепей Маркова с помощью размеченного графа состояний.

Пример №1. ТЭА техническая эксплуатация автомобиля.

Упрощенная модель ТЭА подразумевает наличие хотя бы четырех следующих состояний: S 1 – диагностика состояния автомобиля, S 2 – работа на линии (автомобиль исправен), S 3 – техническое обслуживание, S 4 – устранение неисправности (ремонт).

Соответствующий данной системе размеченный граф

m ij плотность вероятности перехода из состояния S i в состояние S j (S i ®S j ), где P ij (Dt ) – вероятность того, что за промежуток времени Dt произойдет данный переход.

Для малых значений Dt справедливо следующее приближенное равенство .

Значения вероятностей переходов определяются из системы дифференциальных уравнений (Колмогорова) по следующим правилам:

1) каждой вершине ставится в соответствие соответствующее состояние, описываемое вероятностью нахождения системы в оном, поэтому количество состояний определяет количество уравнений в системе;

2) в левой части уравнения – производная вероятности соответствующего состояния;

3) в правой части столько слагаемых, сколько переходов (ветвей) в размеченном графе связано с данным состоянием;

4) каждый элемент правой части равен произведению плотности вероятности перехода на плотность вероятности того состояния, из которого осуществлялся переход;

5) в правой части со знаком «+» идут (складываются) элементы, описывающие попадание системы в данное состояние, и со знаком «-» (вычитаются) элементы, описывающие «выход» системы из данного состояния;

6) для упрощения «решаемости» в систему вводится нормирующее уравнение, описывающее полную группу событий: , где N-количество вершин в размеченном графе состояний.

Данная система уравнений будет легче решаема в случае, когда она описывает стационарный процесс работы исследуемой технической системы (обычно вхождение системы в стационарный режим функционирования занимает от 2-х до 4-х тактов).

На практике считаем, что предположение о стационарности функционирования системы правомерно, если время функционирования системы в целом на порядок выше, чем (20¸40)×тактов работы системы («последовательное» одинарное прохождение по ветвям графа).

Стационарность режима работы предполагает равенство нулю от производных по времени от вероятностей состояния, т.е. .

и его решение уже не представляет особой сложности.

Система уравнений по Колмогорову позволяет решить задачу нахождения значений вероятностей для стационарного режима (финальных вероятностей) по известным плотностям вероятностей переходов по ветвям графа, равно как и обратную ей, т.е. нахождение плотностей вероятностей при заданных финальных вероятностях.

Пример №2.

Рассмотрим техническую систему S , состоящую из двух параллельно работающих узлов (два поста на СТО, два заправочных автомата на АЗС). Будем полагать, что переходы системы из одного состояния в другое происходят мгновенно, в случайные моменты времени. Как только узел выходит из строя, он «мгновенно» поступает на ремонт и после приведения его в рабочее состояние он также «мгновенно» начинает эксплуатироваться.

Полагаем, что данная система полностью описывается всего четырьмя состояниями: S 0 – оба узла исправны; S 1 – первый узел ремонтируется, второй исправен; S 2 – второй узел ремонтируется, первый исправен; S 3 – ремонтируются оба узла.

l 1 , l 2 – плотность вероятности выхода из строя первого и второго поста, m 1 , m 2 – плотность вероятности восстановления первого и второго узла соответственно.

Составим систему дифференциальных уравнений по Колмогорову для вероятностей состояний данной системы.

Чтобы решить уравнения Колмогорова и найти численные значения для вероятностей соответствующих состояний, необходимо задаться начальными условиями.

Будем полагать, что в начальный момент времени оба узла исследуемой системы исправны, система находится в состоянии S 0 , т.е. P 0 (t =0)=1, а все остальные начальные вероятности равны нулю: P 1 (0)=P 2 (0)=P 3 (0)=0.

Данная система уравнений легко решается в случае, если система функционирует в установившемся режиме и все процессы, протекающие в ней, стационарные.

Стационарность режима работы предполагает равенство нулю от производных по времени от вероятностей состояния, т.е., i =1, 2, … , n , , где n – количество возможных состояний. А с учётом полной группы событий добавляется уравнение

Последнее, так называемое нормировочное условие, позволяет исключить из системы одно из уравнений…

Решим данную систему при следующих данных: l 1 =1, l 2 =2, m 1 =2, m 2 =3. Запишем систему без четвертого уравнения.

Решая их, получим: P 0 =0,4; P 1 =0,2; P 2 @0,27; P 3 @0,13.

Т.е. в стационарном режиме работы наша система в среднем 40% времени будет находиться в состоянии S 0 – оба узла исправны, и т.д..

Значения этих финальных вероятностей могут помочь оценить среднюю эффективность работы системы и загрузку ремонтных органов. Предположим, что система S в состоянии S 0 приносит доход 8 условных единиц (у.е.) в единицу времени, в состоянии S 1 3у.е., в S 2 5у.е., а в состоянии S 3 не приносит дохода.

Потоком событий называют последовательность однородных собы­тий, появляющихся одно за другим в случайные моменты времени. При­меры: поток вызовов на телефонной станции; поток сбоев ЭВМ; поток заявок на проведение расчетов в вычислительном центре и т.п.

Поток событий наглядно изображается рядом точек с абсциссами Q 1, Q 2 , ..., Q n , ... (рис. 6.15) с интервалами между ними: Т 1 = Q 2 - Q 1, T 2 = Q 3 -Q 2 , ..., Т п = Q n +1 - Q n . При его вероятностном описании поток событий может быть представлен как последовательность случайных ве­личин:

Q 1 ; Q 2 = Q 1 + T 1 ; Q 3 = Q 1 + T 1 + T 2 ; и т.д.

На рисунке в виде ряда точек изображен не сам поток событий (он случаен), а только одна его конкретная реа­лизация.

Поток событий называется стационар­ным, если его вероятностные характеристики не зависят от выбора начала отсчета или, более конкретно, если вероятность попадания того или другого числа событий на любой интервал времени зависит только от длины этого интервала и не зависит от того, где именно на оси 0-t он расположен.

Рисунок 6.15 – Реализация потока событий

Поток событий называется ординарным, если вероятность попадания на элементарный интервал времени двух или более событий пренебре­жимо мала по сравнению с вероятностью попадания одного события.

Рисунок 6.16 – Поток событий как случайный процесс

Ординарный поток событий можно интерпретировать как случайный процесс Х(t) - число событий, появившихся до момента t(рис. 6.16). Случайный процесс Х(t) скачкообразно возрастает на одну единицу в точках Q ,Q 2 ,...,Q n .

Поток событий называется потоком без последействия, если число собы­тий, попадающих на любой интервал времени , не зависит от того, сколь­ко событий попало на любой другой не пересекающийся с ним интервал. Практически отсутствие последействия в потоке означает, что события, образующие поток, появляются в те или другие моменты времени незави­симо друг от друга.

Поток событий называется простейшим, если он стационарен, ордина­рен и не имеет последействия. Интервал времени T между двумя соседними событиями простейшего потока имеет показательное распределение

(при t>0 ); (6.21)

где / М [Т] -величина, обратная среднему значению интервала Т.

Ординарный поток событий без последействия называется пуассоновским. Простейший поток является частным случаем стационарного пуассоновского потока. Интенсивностью потока событий называется среднее число событий, приходящееся на единицу времени. Для стационарного потока ; для нестационарного потока она в общем случае зависит от времени: .

Марковские случайные процессы . Случайный процесс называют марковским , если он обладает следующим свойством: для любого момента времени t 0 вероят­ность любого состояния системы в будущем (при t >t 0 ) зависит только от ее состояния в настоящем (при t =t 0 ) и не зависит от того, каким обра­зом система пришла в это состояние.

В данной главе будем рассматривать только марковские процессы c дискретными состояниями S 1, S 2 , ...,S n . Такие процессы удобно иллюст­рировать с помощью графа состояний (рис. 5.4), где прямоугольниками (или кружками) обозначены состояния S 1 , S 2 , … системы S, а стрелками - возможные переходы из состояния в состояние (на графе отме­чаются только непосредственные переходы, а не переходы через другие состояния).

Рисунок 5.4 – Граф состояний случайного процесса

Иногда на графе состояний отмечают не только возможные пере­ходы из состояния в состояние, но и возможные задержки в прежнем состоянии; это изображается стрелкой («петлей»), направленной из данного состояния в него же, но можно обходиться и без этого. Число состояний системы может быть как конечным, так и бесконечным (но счетным).

Марковский случайный процесс с дискретными состояниями и дис­кретным временем обычно называют марковской цепью. Для такого про­цесса моменты t 1 , t 2 ..., когда система S может менять свое состояние, удобно рассматривать как последовательные шаги процесса, а в качестве аргумента, от которого зависит процесс, рассматривать не время t, а номер шага: 1, 2, . . ., k;…. Случайный процесс в этом случае характеризуется последовательностью состояний

если S(0) - начальное состояние системы (перед первым шагом); S(1) - состояние системы непосредственно после первого шага; ...; S(k) - со­стояние системы непосредственно после k-го шага....

Событие S i , (i= 1,2,...) является случайным событием, поэтому последо­вательность состояний (5.6) можно рассматривать как последователь­ность случайных событий. Начальное состояние S(0) может быть как заданным заранее, так и случайным. О событиях последовательности (5.6) говорят, что они образуют марковскую цепь.

Рассмотрим процесс с n возможными состояниями S 1, S 2 , ..., S n . Если обозначить через Х(t) номер состояния, в котором находится система S в мо­мент t, то процесс описывается целочисленной случай­ной функцией Х(t)>0 , возможные значения которой равны 1, 2,...,n . Эта функция совершает скачки от одного целочисленного значения к другому в заданные моменты t 1 , t 2 , ... (рис. 5.5) и является непрерывной слева, что отмечено точками на рис. 5.5.

Рисунок 5.5 – График случайного процесса

Рассмотрим одномерный закон распределения случайной функции Х(t). Обозначим через вероятность того, что после k -го шага [и до (k+1 )-го] система S будет в состоянии S i (i=1,2,...,n) . Веро­ятности р i (k) называются вероятностями состояний цепи Маркова. Очевидно, для любого k

. (5.7)

Распределение вероятностей состояний в начале процесса

p 1 (0) ,p 2 (0),…,p i (0),…,p n (0) (5.8)

называется начальным распределением вероятностей марковской цепи. В частности, если начальное состояние S(0) системы S в точности извест­но, например S(0)=S i , то начальная вероятность P i (0) = 1, а все остальные равны нулю.

Вероятностью перехода на k -м шаге из состояния S i в состояние S j называется условная вероятность того, что система после k -го шага окажется в состоянии S j при условии, что непосредственно перед этим (после k - 1 шагов) она находилась в состоянии S i . Вероятности перехода иногда называются также «переходными вероятностями».

Марковская цепь называется однородной, если переходные вероятности не зависят от номера шага, а зависят только от того, из какого состоя­ния и в какое осуществляется переход:

Переходные вероятности однородной марковской цепи Р ij образуют квадратную таблицу (матрицу) размером n * n :

(5.10)

. (5.11)

Матрицу, обладающую таким свойством, называют стохастической. Вероятность Р ij есть не что иное, как вероятность того, что система, при­шедшая к данному шагу в состояние S j , в нем же и задержится на очеред­ном шаге.

Если для однородной цепи Маркова заданы начальное распределение вероятностей (5.8) и матрица переходных вероятностей (5.10), то вероятности состояний системы могут быть опреде­лены по рекуррентной формуле

(5.12)

Для неоднородной цепи Маркова вероятности перехода в матрице (5.10) и формуле (5.12) зависят от номера шага k .

Для однородной цепи Маркова, если все состояния являются сущест­венными, а число состояний конечно, существует предел определяемый из системы уравнений и Сумма переходных вероятностей в любой строке матрицы равна единице.

При фактических вычислениях по формуле (5.12) надо в ней учитывать не все состояния S j , а только те, для которых переходные вероятности отличны от нуля, т.е. те, из которых на графе состояний ведут стрелки в состояние S i .

Марковский случайный процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем иногда называют «непрерывной цепью Маркова» . Для такого процесса вероятность перехода из состояния S i в S j для любого момента времени равна нулю. Вместо вероятности перехода p ij рассматривают плотность вероятности перехода которая определяется как предел отношения вероятности перехода из состояния S i в состояние S j за малый промежуток времени , примыкающий к моменту t, к длине этого промежутка, когда она стремится к нулю. Плотность вероятности перехо­да может быть как постоянной (), так и зависящей от времени . В первом случае марковский случайный процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем называется однородным. Типичный пример такого процесса - случайный процесс Х(t), представ­ляющий собой число появившихся до момента t событий в простейшем потоке (рис. 5.2).

При рассмотрении случайных процессов с дискретными состояниями и непрерывным временем удобно представлять переходы системы S из состояния в состояние как происходящие под влиянием некоторых по­токов событий. При этом плотности вероятностей перехода получают смысл интенсивностей соответствующих потоков событий (как только происходит первое событие в потоке с интенсивностью , система из со­стояния S i скачком переходит в Sj) . Если все эти потоки пуассоновские, то процесс, протекающий в системе S, будет мар­ковским.

Рассматривая марковские случайные процессы с дискретными со­стояниями и непрерывным временем, удобно пользоваться гра­фом состояний, на котором против каждой стрелки, ведущей из состоя­ния S i , в S j проставлена интенсивность потока событий, переводящего систему по данной стрелке (рис.5.6). Такой граф состояний называ­ют размеченным.

Вероятность того, что система S, находящаяся в состоянии S i , за эле­ментарный промежуток времени () перейдет в состояние S j (эле­мент вероятности перехода из S i в S j ), есть вероятность того, что за это время dt появится хотя бы одно событие потока, переводящего систему S из S i в S j . С точностью до бесконечно малых высших порядков эта вероятность равна .

Потоком вероятности перехода из состояния Si в Sj называется вели­чина (здесь интенсивность может быть как зависящей, так и не­зависящей от времени).

Рассмотрим случай, когда система S имеет конечное число состояний S 1, S 2 ,..., S п. Для описания случайного процесса, протекающего в этой системе, применяются вероятности состояний

(5.13)

где р i (t) - вероятность того, что система S в момент t находится в состоя­нии S i:

. (5.14)

Очевидно, для любого t

Для нахождения вероятностей (5.13) нужно решить систему диф­ференциальных уравнений (уравнений Колмогорова), имеющих вид

(i=1,2,…,n),

или, опуская аргумент t у переменных р i ,

(i=1,2,…,n ). (5.16)

Напомним, что интенсивности потоков ij могут зависеть от времени .

Уравнения (5.16) удобно составлять, пользуясь размеченным гра­фом состояний системы и следующим мнемоническим правилом: произ­водная вероятности каждого состояния равна сумме всех потоков веро­ятности, переводящих из других состояний в данное, минус сумма всех потоков вероятности, переводящих из данного состояния в другие. Напри­мер, для системы S, размеченный граф состояний которой дан на рис. 10.6, система уравнений Колмогорова имеет вид

(5.17)

Так как для любого t выполняется условие (5.15), можно любую из вероятностей (5.13) выразить через остальные и таким образом уменьшить число уравнений на одно.

Чтобы решить систему дифференциальных уравнений (5.16) для вероятностей состояний р 1 (t) p 2 (t ), …, p n (t ), нужно задать начальное распределение вероятностей

p 1 (0),p 2 (0), …,p i (0), …,p n (0 ), (5.18)

сумма которых равна единице.

Если, в частности, в начальный момент t = 0 состояние системы S в точности известно, например, S(0) =S i , и р i (0) = 1, то остальные вероятноcти выражения (5.18) равны нулю.

Во многих случаях, когда процесс, протекающий в системе, длится достаточно долго, возникает вопрос о предельном поведении ве­роятностей р i (t) при . Если все потоки событий, переводящие систему из состояния в состояние, являются простейшими (т.е. стацио­нарными пуассоновскими с постоянными интенсивностями ), в неко­торых случаях существуют финальные (или предельные) вероятности со­стояний

, (5.19)

независящие от того, в каком состоянии система S находилась в началь­ный момент. Это означает, что с течением времени в системе S устанавли­вается предельный стационарный режим, в ходе которого она переходит из состояния в состояние, но вероятности состояний уже не меняются. В этом предельном режиме каждая финальная вероятность может быть истолкована как среднее относительное время пребывания системы в дан­ном состоянии.

Систему, в которой существуют финальные вероятности, называют эргодической. Если система S имеет конечное число состояний S 1 , S 2 , . . . , S n , то для су­ществования финальных вероятностей достаточно, чтобы из любого со­стояния системы можно было (за какое-то число шагов) перейти в любое другое. Если число состояний S 1 , S 2 , . . . , S n , бесконечно, то это условие перестает быть достаточным, и существование финальных вероятностей зависит не только от графа состояний, но и от интенсивностей .

Финальные вероятности состояний (если они существуют) могут быть получены решением системы линейных алгебраических уравнений, они получаются из дифференциальных уравнений Колмогорова, если по­ложить в них левые части (производные) равными нулю. Однако удобнее составлять эти уравнения непосредственно по графу состояний, пользу­ясь мнемоническим правилом: для каждого состояния суммарный выхо­дящий поток вероятности равен суммарному входящему. Например, для системы S, размеченный граф состояний которой дан на р ис. 5.7, уравнения для финальных вероятностей состояний имеют вид

(5.20)

Таким образом, получается (для системы S с п состояниями) система n однород­ных линейных алгебраических уравнений с n неизвест­ными р 1, р 2 , ..., р п. Из этой системы можно найти неизвестные р 1 , р 2 , . . . , р п с точностью до произвольного множителя. Чтобы найти точные значения р 1 ,..., р п, к уравнениям добавляют нормировочное условие p 1 + p 2 + … + p п =1, пользуясь которым можно выразить любую из ве­роятностей p i через другие (и соответственно отбросить одно из уравне­ний).

Вопросы для повторения

1 Что называют случайной функцией, случайным процессом, сечением случайного процесса, его реализацией?

2 Как различаются случайные процессы по своей структуре и характеру протекания во времени?

3 Какие законы распределения случайной функции применяют для описания случайной функции?

4 Что представляет собой функция математического ожидания случайной функции, в чем ее геометрический смысл?

5 Что представляет собой функция дисперсии случайной функции, в чем ее геометрический смысл?

6 Что представляет собой корреляционная функция случайного процесса, и что она характеризует?

7 Каковы свойства корреляционной функции случайного процесса?

8 Для чего введено понятие нормированной корреляционной функции?

9 Объясните как по опытным данным получить оценки функций характеристик случайного процесса?

10 В чем отличие взаимной корреляционной функции от автокорреляционной функции?

11 Какой случайный процесс относят к стационарным процессам в узком смысле и в широком?

12 В чем заключается свойство эргодичности стационарного случайного процесса?

13 Что понимают под спектральным разложением стационарного случайного процесса и в чем его необходимость?

14 Какова связь между корреляционной функцией и спектральной плотностью стационарной случайной функции?

15 Что называют простейшим потоком событий?

16 Какой случайный процесс называют марковской цепью? В чем заключается методика расчета ее состояний?

17 Что представляет собой марковский случайный процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем?

M(U)=10, D(U)=0.2 .

6.5 Найти нормированную взаимную корреляционную функцию случайных функций X(t)=t*U и Y(t)=(t+1)U , где U – случайная величина, причем дисперсия D(U)=10 .

Марковские процессы были выведены учеными в 1907 году. Ведущие математики того времени развивали эту теорию, некоторые совершенствуют ее до сих пор. Эта система распространяется и в других научных областях. Практические цепи Маркова применяются в различных сферах, где человеку необходимо прибывать в состоянии ожидания. Но, чтобы четко понимать систему, нужно владеть знаниями о терминах и положениях. Главным фактором, который определяет Марковский процесс, считаются случайности. Правда, он не схож с понятием неопределенности. Для него присущи определенные условия и переменные.

Особенности фактора случайности

Это условие подчиняется статической устойчивости, точнее, ее закономерностям, которые не учитываются при неопределенности. В свою очередь, данный критерий позволяет использовать математические методы в теории Марковских процессов, как отмечал ученый, изучавший динамику вероятностей. Созданная им работа касалась непосредственно этих переменных. В свою очередь, изученный и развившийся случайный процесс, имеющий понятия состояния и перехода, а также применяемый в стохастических и математических задачах, при этом дает возможность этим моделям функционировать. Кроме всего прочего, он дает возможность совершенствоваться другим важным прикладным теоретическим и практическим наукам:

• диффузионная теория;
• теория массового обслуживания;
• теория надежности и прочего;
• химия;
• физика;
• механика.

Сущностные особенности не запланированного фактора

Этот Марковский процесс обусловлен случайной функцией, то есть любое значение аргумента считается данной величиной или той, что принимает заранее заготовленный вид. Примерами служат:

• колебания в цепи;
• скорость движения;
• шероховатость поверхности на заданном участке.

Также принято считать, что фактом случайной функции выступает время, то есть происходит индексация. Классификация имеет вид состояния и аргумент. Этот процесс может быть с дискретными, а также непрерывными состояниями или временем. Причем случаи разные: все происходит или в одном, или в другом виде, или одновременно.

Детальный разбор понятия случайности

Построить математическую модель с необходимыми показателями эффективности в явно аналитическом виде было достаточно сложно. В дальнейшем реализовать данную задачу стало возможно, ведь возник Марковский случайный процесс. Разбирая детально это понятие, необходимо вывести некоторую теорему. Марковский процесс - это физическая система, изменившая свое положение и состояние, которые заранее не были запрограммированы. Таким образом, выходит, что в ней протекает случайный процесс. Например: космическая орбита и корабль, который выводится на нее. Результат достигнут лишь благодаря каким-то неточностям и корректировкам, без этого не реализуется заданный режим. Большинству происходящих процессов присущи случайность, неопределенность.

По существу вопроса, практически любой вариант, который можно рассмотреть, будет подвержен этому фактору. Самолет, техническое устройство, столовая, часы - все это подвержено случайным изменениям. Причем данная функция присуща любому происходящему процессу в реальном мире. Однако пока это не касается индивидуально настроенных параметров, происходящие возмущения воспринимаются как детерминированные.

Понятие Марковского случайного процесса

Проектировка какого-либо технического или механического прибора, устройства вынуждает создателя учитывать различные факторы, в частности неопределенности. Вычисление случайных колебаний и возмущений возникает в момент личной заинтересованности, например, при реализации автопилота. Некоторые процессы, изучаемые в науках вроде физики и механики, являются таковыми.

Но обращать на них внимание и проводить скрупулезные исследования следует начинать в тот момент, когда это непосредственно нужно. Марковский случайный процесс имеет следующее определение: характеристика вероятности будущего вида зависит от состояния, в котором он находится в данный момент времени, и не имеет отношения к тому, как выглядела система. Итак, данное понятие указывает на то, что результат можно предсказать, учитывая лишь вероятность и забыв про предысторию.

Подробное токование понятия

В настоящий момент система находится в определенном состоянии, она переходит и меняется, предсказать, что будет дальше, по сути, невозможно. Но, учитывая вероятность, можно сказать, что процесс будет завершен в определенном виде или сохранит предыдущий. То есть будущее возникает из настоящего, забывая о прошлом. Когда система или процесс переходит в новое состояние, то предысторию обычно опускают. Вероятность в Марковских процессах играет немаловажную роль.

Например, счетчик Гейгера показывает число частиц, которое зависит от определенного показателя, а не от того, в какой именно момент оно пришло. Здесь главным выступает вышеуказанный критерий. В практическом применении могут рассматриваться не только Марковские процессы, но и подобные им, к примеру: самолеты участвуют в бою системы, каждая из которых обозначена каким-либо цветом. В данном случае главным критерием вновь выступает вероятность. В какой момент произойдет перевес в числе, и для какого цвета, неизвестно. То есть этот фактор зависит от состояния системы, а не от последовательности гибели самолетов.

Структурный разбор процессов

Марковским процессом называется любое состояние системы без вероятностного последствия и без учета предыстории. То есть, если включить будущее в настоящее и опустить прошлое. Перенасыщение данного времени предысторией приведет к многомерности и выведет сложные построения цепей. Поэтому лучше эти системы изучать простыми схемами с минимальными числовыми параметрами. В результате эти переменные считаются определяющими и обусловленными какими-либо факторами.

Пример Марковских процессов: работающий технический прибор, который в этот момент исправен. В данном положении вещей интерес представляет вероятность того, что устройство будет функционировать еще длительный период времени. Но если воспринимать оборудование как отлаженное, то этот вариант уже не будет принадлежать к рассматриваемому процессу ввиду того, что нет сведений о том, сколько аппарат работал до этого и производился ли ремонт. Однако если дополнить эти две переменные времени и включить их в систему, то ее состояние можно отнести к Марковскому.

Описание дискретного состояния и непрерывности времени

Модели Марковских процессов применяются в тот момент, когда необходимо пренебречь предысторией. Для исследования в практике наиболее часто встречаются дискретные, непрерывные состояния. Примерами такой ситуации являются: в структуру оборудования входят узлы, которые в условиях рабочего времени могут выйти из строя, причем происходит это как незапланированное, случайное действие. В результате состояние системы подвергается ремонту одного или другого элемента, в этот момент какой-то из них будет исправен или они оба будут отлаживаться, или наоборот, являются полностью налаженными.

Дискретный Марковский процесс основан на теории вероятности, а также является переходом системы из одного состояния в другое. Причем данный фактор происходит мгновенно, даже если происходят случайные поломки и ремонтные работы. Чтобы провести анализ такого процесса, лучше использовать графы состояний, то есть геометрические схемы. Системные состояния в таком случае обозначены различными фигурами: треугольниками, прямоугольниками, точками, стрелками.

Моделирование данного процесса

Марковские процессы с дискретными состояниями - возможные видоизменения систем в результате перехода, осуществляющегося мгновенно, и которые можно пронумеровать. Для примера можно построить график состояния из стрелок для узлов, где каждая будет указывать путь различно направленных факторов выхода из строя, рабочего состояния и т. д. В дальнейшем могут возникать любые вопросы: вроде того, что не все геометрические элементы указывают верное направление, ведь в процессе способен испортиться каждый узел. При работе важно учитывать и замыкания.

Марковский процесс с непрерывным временем происходит тогда, когда данные заранее не фиксируются, они происходят случайно. Переходы ранее были не запланированы и происходят скачками, в любой момент. В данном случае вновь главную роль играет вероятность. Однако, если сложившаяся ситуация относится к указанной выше, то для описания потребуется разработать математическую модель, но важно разбираться в теории возможности.

Вероятностные теории

Данные теории рассматривают вероятностные, имеющие характерные признаки вроде случайного порядка, движения и факторов, математические задачи, а не детерминированные, которые являются определенными сейчас и потом. Управляемый Марковский процесс имеет фактор возможности и основан на нем. Причем данная система способна переходить в любое состояние мгновенно в различных условиях и временном промежутке.

Чтобы применять эту теорию на практике, необходимо владеть важными знаниями вероятности и ее применения. В большинстве случаев каждый пребывает в состоянии ожидания, которое в общем смысле и есть рассматриваемая теория.

Примеры теории вероятности

Примерами Марковских процессов в данной ситуации могут выступать:

• кафе;
• билетные кассы;
• ремонтных цеха;
• станции различного назначения и пр.

Как правило, люди ежедневно сталкиваются с этой системой, сегодня она носит название массового обслуживания. На объектах, где присутствует подобная услуга, есть возможность требования различных запросов, которые в процессе удовлетворяются.

Скрытые модели процесса

Такие модели являются статическими и копируют работу оригинального процесса. В данном случае основной особенностью является функция наблюдения за неизвестными параметрами, которые должны быть разгаданы. В результате эти элементы могут использоваться в анализе, практике или для распознавания различных объектов. Обычные Марковские процессы основаны на видимых переходах и на вероятности, в скрытой модели наблюдаются только неизвестные переменные, на которые оказывает влияние состояние.

Сущностное раскрытие скрытых Марковских моделей

Также она имеет распределение вероятности среди других значений, в результате исследователь увидит последовательность символов и состояний. Каждое действие имеет распределение по вероятности среди других значений, ввиду этого скрытая модель дает информацию о сгенерированных последовательных состояниях. Первые заметки и упоминания о них появились в конце шестидесятых годов прошлого столетия.

Затем их стали применять для распознавания речи и в качестве анализаторов биологических данных. Кроме того, скрытые модели распространились в письме, движениях, информатике. Также эти элементы имитируют работу основного процесса и пребывают в статике, однако, несмотря на это, отличительных особенностей значительно больше. В особенности данный факт касается непосредственного наблюдения и генерирования последовательности.

Стационарный Марковский процесс

Данное условие существует при однородной переходной функции, а также при стационарном распределении, считающимся основным и, по определению, случайным действием. Фазовым пространством для данного процесса является конечное множество, но при таком положении вещей начальная дифференциация существует всегда. Переходные вероятности в данном процессе рассматриваются при условиях времени или дополнительных элементах.

Детальное изучение Марковских моделей и процессов выявляет вопрос об удовлетворении равновесия в различных сферах жизни и деятельности общества. С учетом того, что данная отрасль затрагивает науку и массовое обслуживание, ситуацию можно исправить, проанализировав и спрогнозировав исход каких-либо событий или действий тех же неисправных часов или техники. Чтобы полностью использовать возможности Марковского процесса, стоит детально в них разбираться. Ведь этот аппарат нашел широкое применение не только в науке, но и в играх. Эта система в чистом виде обычно не рассматривается, а если и используется, то только на основе вышеупомянутых моделей и схем.

Многие операции, которые приходится анализировать при выборе оптимального решения, развиваются как случайные процессы, зависящие от ряда случайных факторов.

Для математического описания многих операций, развивающихся в форме случайного процесса, может быть с успехом применен математический аппарат, разработанный в теории вероятностей для так называемых марковских случайных процессов.

Поясним понятие марковского случайного процесса.

Пусть имеется некоторая система S, состояние которой меняется с течением времени (под системой S может пониматься все что угодно: промышленное предприятие, техническое устройство, ремонтная мастерская и т. д.). Если состояние системы S меняется во времени случайным, заранее непредсказуемым образом, говорят, что в системе S протекает случайный процесс.

Примеры случайных процессов:

флуктуации цен на фондовом рынке;

обслуживание клиентов в парикмахерской или ремонтной мастерской;

выполнение плана снабжения группы предприятий и т. д.

Конкретное протекание каждого из этих процессов зависит от ряда случайных, заранее непредсказуемых факторов, таких как:

поступление на фондовый рынок непредсказуемых известий о политических изменениях;

случайный характер потока заявок (требований), поступающих со стороны клиентов;

случайные перебои в выполнении плана снабжения и т. д.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Случайный процесс, протекающий в системе, называется марковским (или процессом без последствия ), если он обладает следующим свойством: для каждого момента времени t 0 вероятность любого состояния системы в будущем (при t > t 0) зависит только от ее состояния в настоящем (при t = t 0) и не зависит от того, когда и каким образом система пришла в это состояние (т. е. как развивался процесс в прошлом).

Другими словами, в марковском случайном процессе будущее развитие его зависит только от настоящего состояния и не зависит от “предыстории” процесса.

Рассмотрим пример. Пусть система S представляет собой фондовый рынок, который уже существует какое-то время. Нас интересует, как будет работать система в будущем. Ясно, по крайней мере в первом приближении, что характеристики работы в будущем (вероятности падения цен конкретных акций через неделю) зависят от состояния системы в настоящий момент (здесь могут вмешаться самые различные факторы типа решений правительства или результатов выборов) и не зависят от того, когда и как система достигла своего настоящего состояния (не зависят от характера движения цен на эти акции в прошлом).

На практике часто встречаются случайные процессы, которые, с той или другой степенью приближения можно считать марковскими.

Теория марковских случайных процессов имеет широкий спектр различных приложений. Нас будет интересовать главным образом применение теории марковских случайных процессов к построению математических моделей операций, ход и исход которых существенно зависит от случайных факторов.

Марковские случайные процессы подразделяются на классы в зависимости от того, как и в какие моменты времени система S" может менять свои состояния.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Случайный процесс называется процессом с дискретными состояниями, если возможные состояния системы s x , s 2 , s v ... можно перечислить (пронумеровать) одно за другим, а сам процесс состоит в том, что время от времени система S скачком (мгновенно) перескакивает из одного состояния в другое.

Например, разработку проекта S осуществляют совместно два отдела, каждый из которых может совершить ошибку. Возможны следующие состояния системы:

5, - оба отдела работают нормально;

s 2 - первый отдел совершил ошибку, второй работает нормально;

s 3 - второй отдел совершил ошибку, первый работает нормально;

s 4 - оба отдела совершили ошибку.

Процесс, протекающий в системе, состоит в том, что она случайным образом в какие-то моменты времени переходит («перескакивает») из состояния в состояние. Всего у системы четыре возможных состояния. Перед нами - процесс с дискретными состояниями.

Кроме процессов с дискретными состояниями существуют случайные процессы с непрерывными состояниями : для этих процессов характерен постепенный, плавный переход из состояния в состояние. Например, процесс изменения напряжения в осветительной сети представляет собой случайный процесс с непрерывными состояниями.

Мы будем рассматривать только случайные процессы с дискретными состояниями.

При анализе случайных процессов с дискретными состояниями очень удобно пользоваться геометрической схемой - так называемым графом состояний. Граф состояний геометрически изображает возможные состояния системы и ее возможные переходы из состояния в состояние.

Пусть имеется система S с дискретными состояниями:

Каждое состояние будем изображать прямоугольником, а возможные переходы (“перескоки”) из состояния в состояние - стрелками, соединяющими эти прямоугольники. Пример графа состояния приведен на рис. 4.1.

Заметим, что стрелками отмечаются только непосредственные переходы из состояния в состояние; если система может перейти из состояния s 2 в 5 3 только через s y то стрелками отмечаются только переходы s 2 -> и л, 1 -> 5 3 , но не s 2 -» s y Рассмотрим несколько примеров:

1. Система S - фирма, которая может находиться в одном из пяти возможных состояний: s ] - работает с прибылью;

s 2 - утратила перспективу развития и перестала приносить прибыль;

5 3 - стала объектом для потенциального поглощения;

s 4 - находится под внешним управлением;

s 5 - имущество ликвидируемой фирмы продается на торгах.

Граф состояний фирмы показан на рис. 4.2.

Рис. 4.2

• 2. Система S - банк, имеющий два отделения. Возможны следующие состояния системы:
• 5, - оба отделения работают с прибылью;

s 2 - первое отделение работает без прибыли, второе работает с прибылью;

5 3 - второе отделение работает без прибыли, первое работает с прибылью;

s 4 - оба отделения работают без прибыли.

Предполагается, что улучшение состояния не происходит.

Граф состояний представлен на рис. 4.3. Отметим, что на графе не показан возможный переход из состояния s ] непосредственно в s 4 , который осуществится, если банк сразу будет работать в убыток. Возможностью такого события можно пренебречь, что и подтверждает практика.

Рис. 4.3

3. Система S - инвестиционная компания, состоящая из двух трейдеров (отделов): I и II; каждый из них может в какой-то момент времени начать работать в убыток. Если это происходит, то руководство компании немедленно принимает меры для восстановления прибыльной работы отдела.

Возможные состояния системы: s - деятельность обоих отделов прибыльна; s 2 - первый отдел восстанавливается, второй работает с прибылью;

s 3 - первый отдел работает с прибылью, второй восстанавливается;

s 4 - оба отдела восстанавливаются.

Граф состояний системы показан на рис. 4.4.

4. В условиях предыдущего примера деятельность каждого трейдера перед тем, как он начнет восстанавливать прибыльную работу отдела, подвергается изучению руководством фирмы в целях принятия мер по ее улучшению.

Состояния системы будем для удобства нумеровать не одним, а двумя индексами; первый будет означать состояния первого трейдера (1 - работает с прибылью, 2 - его деятельность изучается руководством, 3 - восстанавливает прибыльную деятельность отдела); второй - те же состояния для второго трейдера. Например, s 23 будет означать: деятельность первого трейдера изучается, второй - восстанавливает прибыльную работу.

Возможные состояния системы S:

s u - деятельность обоих трейдеров приносит прибыль;

s l2 - первый трейдер работает с прибылью, деятельность второго изучается руководством компании;

5 13 - первый трейдер работает с прибылью, второй восстанавливает прибыльную деятельность отдела;

s 2l - деятельность первого трейдера изучается руководством, второй работает с прибылью;

s 22 - деятельность обоих трейдеров изучается руководством;

• 5 23 - работа первого трейдера изучается, второй трейдер восстанавливает прибыльную деятельность отдела;
• 5 31 - первый трейдер восстанавливает прибыльную деятельность отдела, второй работает с прибылью;
• 5 32 - прибыльная деятельность отдела восстанавливается первым трейдером, работа второго трейдера изучается;
• 5 33 - оба трейдера восстанавливают прибыльную работу своего отдела.

Всего девять состояний. Граф состояний показан на рис. 4.5.