زنجیره مارکوف

زنجیره مارکوف مدلی تصادفی برای توصیف یک توالی از رویدادهای احتمالی است که در آن احتمال هر رویداد فقط به حالت رویداد قبلی بستگی دارد.
زنجیره مارکوف که به افتخار آندری مارکوف ریاضی‌دان اهل روسیه این گونه نام‌گذاری شده یک سیستم ریاضی است که در آن انتقال میان حالات شمارا، از حالتی به حالت دیگر صورت می‌گیرد. زنجیره مارکوف یک فرایند تصادفی بدون حافظه‌است بدین معنی که توزیع احتمال شرطی حالت بعد تنها به حالت فعلی بستگی دارد و مستقل از گذشتهٔ آن است. این نوع بدون حافظه بودن خاصیت مارکوف نام دارد. زنجیره مارکوف در مدل‌سازی دنیای واقعی کاربردهای زیادی دارد.

ورشکستگی قمارباز

ورشکستگی قمارباز مسئله‌ای معروف از زنجیره مارکوف است. در این مسئله دو فرد تاس می‌اندازند و هر بار که سکه شیر آمد شخص A یک دلار از B می‌برد و هر بار سکه خط بیاید، شخص B یک دلار از A می‌برد. در ابتدای بازی A مقدار a دلار و B مقدار b دلار دارد. فرض کنید Xᵢ دارایی A پس از i مرحله بازی باشد. یکی از خواص دنباله {Xᵢ} این است که اگر در مرحلهٔ nام مقدار Xᵢ را بدانیم در این صورت سرمایه A از آن مرحله به بعد تنها به Xₙ و نه به X₀, X₁, …, Xₙ₋₁ وابسته است. یعنی اگر سرمایهٔ A در زمان حال معلوم باشد، سرمایهٔ آیندهٔ او مستقل از پولی است که در هر مرحله از بازی در گذشته برنده شده یا باخته‌است.

فرایند زاد مرگ

اگر صد دانه ذرت در فری قرار دهیم، هر دانه در زمانی مستقل که از توزیع نمایی پی‌روی می‌کند، منفجر می‌شود. این مثالی از زنجیره زمان پیوسته مارکوف است. اگر Xₜ نشان‌دهنده تعداد دانه‌های ذرتی باشد که تا زمان t منفجر شده‌اند، مسئله را می‌توان به صورت تعداد دانه‌هایی که بعد از t منفجر می‌شوند مطرح نمود. دانستن زمان انفجار دیگر دانه‌ها اهمیتی ندارد و تنها دانستن تعداد دانه‌هایی که تا کنون منفجر شده‌اند کافیست.
فرایند شرح داده شده در این‌جا، تقریبی از یک فرایند پواسونی است. در حالت کلی فرایندهای پواسون نیز فرایند مارکوف هستند.

بازی‌های تخته‌ای با تاس

بازی مار و پله یا هر بازی دیگری که حرکات با تاس تعیین می‌شود یک زنجیرهٔ مارکوف هستند. این نوع بازی‌ها در نقطه مقابل بازی‌های کارتی مانند blackjack هستند که کارت‌ها مانند حافظهٔ حرکت قبلی عمل می‌کنند. برای درک این تفاوت‌ها احتمال یک حرکت مشخص را در بازی در نظر بگیرید. در بالا به بازی‌هایی که با تاس بازی می‌شوند اشاره کردیم، تنها چیزی که اهمیت دارد حالت کنونی روی تخته است. حالت بعدی روی تخته به حالت کنونی و چرخش بعدی تاس بستگی دارد و وابسته به اینکه که مهره‌ها چگونه در حالت کنونی قرار گرفته‌اند، نیست. در بازی مانند blackjack، بازیکن می‌تواند با به خاطر سپردن این که کدام کارت‌ها تاکنون نشان داده شده‌اند، برتری کسب کنند؛ بنابراین حالت بعدی بازی مستقل از حالت کنونی نیست.

گام‌های تصادفی متمایل به مرکز

یک حرکت تصادفی روی تعدادی خط را در نظر بگیرید، موقعیت کنونی (که x نامیده می‌نامیم) با احتمالات زیر می‌تواند به +۱ (به راست) یا -۱(به چپ) تغییر کند:
(c یک عدد ثابت بزرگتر از ۰ است)
به عنوان مثال اگر عدد ثابت c برابر ۱ باشد، احتمال حرکت به چپ از موقعیت x=-۲,-۱٬۰٬۱٬۲ به ترتیب برابرست با:.
یک گام تصادفی یک اثر مرکزی دارد به‌طوری‌که با افزایش تضعیف c می‌شود. از آنجایی که احتمالات تنها به وضعیت کنونی بستگی دارد (مقدار x) و وابسته به هیچ‌یک از موقعیت‌های قبلی نیست، این گام تصادفی متمایل به مرکز در تعریف زنجیرهٔ مارکوف صدق می‌کند.

یک مدل آب و هوایی بسیار ساده

احتمال وضعیت آب و هوایی که آب و هوا در طول روز را نشان می‌دهد و هم به صورت بارانی و هم آفتابی مدل می‌شود، توسط یک ماتریس انتقال ارائه داده می‌شود.
ماتریس P یک مدل آب و هوایی را نشان می‌دهد به‌طوری‌که روز بعد یک روز آفتابی، با احتمال %۹۰ آفتابی است و روز بعد یک روز بارانی، با احتمال %۵۰ آفتابی است. ستون‌ها و سطرها با آفتابی و بارانی برچسب‌گذاری می‌شوند.
(P)ᵢ ⱼ احتمال این است که هوای امروز از نوع i باشد و فردا از نوع j باشد.
در نظر داشته باشید که حاصل جمع احتمالات سطر P برابر ۱ است.

حالت ثابت آب و هوا

در این مثال، پیش‌بینی هوا در روزهای دور از هم غلط از آب در می‌آید و متمایل به بردار حالت پایدار است. این بردار احتمال هوای آفتابی و بارانی را در همهٔ روزها نشان می‌دهد و مستقل از آب وهوای اولیه است.
بردار حالت ثابت به این صورت تعریف می‌شود:
ولی تنها زمانی به یک مقدار منظم همگراست که p یک ماتریس انتقال منظم باشد (بعبارت دیگر حداکثر یک Pⁿ با ورودی‌های غیر صفر وجود دارد)
از آنجایی که q مستقل از شرایط اولیه است، زمانی که بوسیلهٔ P ترجمه می‌شود، بایستی بدون تغییر بماند؛ که این باعث می‌شود که q تبدیل به بردار ویژه شود، به این معنی که از P مشتق شود. برای مثال آب و هوا:
پس

و از آنجایی که این دو بردار احتمال هستند، داریم
حل این دو معادله یک توزیع حالت یکنواخت را می‌دهد:
در نتیجه %۸۳ روزها آفتابی است.

زنجیره مارکوف زمان گسسته

یک زنجیره مارکوف دنباله‌ای از متغیرهای تصادفی X۱،X۲،X۳،... است که دارای خاصیت مارکوف هستند یعنی:
مقادیر ممکن برای Xᵢ مجموعه قابل شمارشی را می‌سازند که فضای حالت نام دارد.
زنجیره مارکوف اغلب توسط دنباله‌ای از گراف‌های جهت‌دار نشان داده می‌شود، که در آن یال‌های گراف n توسط احتمال از رفتن از یک حالت در زمان n به حالت‌های دیگر در زمان n + 1 برچسب گذاری شده‌است. همان اطلاعات در ماتریس انتقال از زمان n به زمان n + 1 درج می‌شود که در آن عنصر سطر i و ستون j، احتمال تغییر وضعیت از حالت i-1 به حالت j-1 است. مجموع عناصر هر سطر برابر یک است اما الزاماً مجموع عناصر هر ستون یک نمی‌شود. در نظریه ماتریس‌ها اگر تمام عناصر ماتریسی نامنفی و مجموع عناصر هر سطر یک باشد، در این صورت آن ماتریس را ماتریس مارکوف می‌گویند. علت آن است که برای چنین ماتریس‌هایی می‌توانیم یک فضای نمونه بسازیم به طوری که عناصر ماتریس، احتمال‌های تغیر وضعیت تمام پیشامدهای فضای نمونه باشند و سپس یک زنجیر مارکوف برای فضای نمونه تعریف کنیم.
با این حال، زنجیره‌های مارکوف اغلب به صورت یکنواخت در زمان فرض می‌شوند در این صورت گراف و ماتریس مستقل از n هستند و به این ترتیب به شکل یک توالی ارائه نمی‌شوند.
تعریف دیگری به شرح ذیل عنوان شده‌است: هرگاه فرایند تعمیرات برای سیستم‌های تعمیر پذیر لحظه‌ای یا به عبارتی با زمان کوتاه و قابل اغماض در مقایسه با زمان عملکرد سیستم را نتوان مفروض داشت، روش‌هایی مانند زنجیرهٔ پیوسته مارکوف برای تحلیل سیستم به کار گرفته می‌شود. روش مارکوف برای مدلسازی رفتار اتفاقی به صورت پیوسته و ناپیوسته نسبت به زمان یا در فضای حالت تقسیم‌بندی می‌گردد. این تغییرات پیوسته یا ناپیوسته اتفاقی را اصطلاحاً فرایندهای اتفاقی می‌نامند. در حقیقت به‌کارگیری روش مارکوف نیازمند این امر است که سیستم نماینگر فقدان حافظه باشد. یعنی حالت و وضعیت آیندهٔ سیستم مستقل از وضعیتهای گذشته آن بوده و تنها به آخرین جزء آن وابسته باشد.

زنجیره‌های مارکوف یکنواخت در زمان

زنجیره‌های مارکوف یکنواخت در زمان، یا ایستا، زنجیره‌هایی هستند که در آن‌ها:
که رابطه بالا برای هر n صحیح است. در واقع احتمال انتقال مستقل از n است. چنین زنجیره‌هایی را می‌توان تنها با یک ماتریس احتمال انتقال  توصیف کرد. ماتریس احتمال انتقال  مستقل از زمان n است و درایهٔ (i,j) ام آن، یعنی ، بیانگر احتمال انتقال از حالت i به حالت j می‌باشد.

زنجیره مارکوف مرتبه m

زنجیره مارکوف مرتبه m (که در آن m متناهی است) فرایندی است که در آن:
به عبارت دیگر حالت بعدی به m حالت قبلی وابسته‌است. می‌توان یک {Yₙ} از {Xₙ} ساخت به طوری که در فرم کلاسیک خاصیت مارکوف صدق کند؛ که در این صورت Y یک چندتایی مرتب از Xها است یعنی:

زنجیره مارکوف افزاینده

یک زنجیره مارکوف افزاینده مرتبه m با رابطه زیر توصیف می‌شود:

زنجیره مارکوف زمان پیوسته

لامپی را در نظر بگیرید که یا روشن است یا خاموش. اگر لامپ در زمان t روشن باشد X(t) = 1 و اگر خاموش باشد X(t) = 0. در این صورت متغیر تصادفی X زمان گسسته نیست زیرا پس از ورود به حالتی برای یک مدت زمانی که خود نیز متغیری تصادفی است، در آن جا می‌ماند و سپس به حالت دیگری منتقل می‌شود. این قبیل فرایندها را زنجیره مارکوف زمان پیوسته می‌نامیم.
یک زنجیره پیوسته مارکف توسط یک فضای حالت متناهی یا شمارا، یک ماتریس نرخ انتقال Q با ابعادی برابر با فضای حالت است. برای i ≠ j، هر عنصر qᵢⱼ غیر منفی است و نرخ انتقال فرایند را از حالت i به حالت j توصیف می‌کند.
سه تعریف برای فرایندهای مارکوف زمان پیوسته وجود دارد:

تعریف زنجیره پرش یا زمان نگهداری

اگر متغیر تصادفی Yₙ نشان‌دهندهٔ nامین پرش (تغییر حالت) در زنجیره باشد و متغیرهای  زمان ایستایی در هر حالت را نشان دهند، هر کدام از Sᵢها از توزیعی نمایی با پارامتر  پیروی می‌کنند.

زنجیره ارگودیک و زنجیره باقاعده

یک زنجیره مارکوف ارگودیک است ا اگر بتوان با تعدادی حرکت از هر حالتی به حالت دیگر رسید. زنجیره ارگودیک زنجیره تقلیل‌ناپذیر نیز نامیده می‌شود. زنجیره‌ای که هم تقلیل‌ناپذیر باشد و هم غیر متناوب، زنجیره باقاعده (regular) نامیده می‌شود. به عبارت دیگر زنجیره‌ای با قاعده است که تقلیل‌ناپذیر باشد و هر حالت آن نامتناوب و بازگشتی مثبت باشد. در زنجیره باقاعده n ای وجود دارد که اگر ماتریس انتقال حالت به توان n برسد تمام درایه‌های آن مثبت خواهند بود. بدین معنا که با n حرکت می‌توان از هر حالتی به حالت دیگر رسید.

تجزیه و تحلیل توزیع ثابت و محدود کردن توزیع‌ها

برای یک زنجیر یکنواخت در زمان، بردار  یک «توزیع ثابت» (یا ایستا) نامیده می‌شود اگر ‌ها نامنفی و جمع آن‌ها برابر ۱ شود و نیز در رابطه زیر صدق کنند:
یک زنجیره ارگودیک یک توزیع ثابت دارد اگر و فقط اگر همه حالت‌های آن مثبت باشند در این صورت π یکتاست و مربوط به زمان بازگشت مورد انتظار است:
اگر زنجیره باقاعده (غیر تقلیل پذیر و غیر متناوب) باشد آن گاه برای هر i و j داریم:
لازم است ذکر شود که هیچ شرطی روی نقطه شروع توزیع وجود ندارد یعنی زنجیره صرف نظر از نقطه شروع به توزیع ثابت میل می‌کند. این π «توزیع تعادل» زنجیره نامیده می‌شود. اگر زنجیره بیش از یک کلاس مرتبط بسته داشته باشد توزیع ثابت آن یکتا نخواهد بود. زنجیره غیر یکنواخت در زمان نیز می‌تواند توزیع تعادل داشته باشد.
در هر صورت اگر حالت j ام غیر متناوب باشد آن گاه:
و برای هر حالت i دیگر اگر fᵢⱼ احتمال این باشد که زنجیره در حالت j قرار گیرد در صورتی که شروع زنجیره از حالت i باشد خواهیم داشت:
اگر حالت i متناوب باشد با دوره تناوب k > 1 آنگاه حد
وجود ندارد و نیز حد
برای هر r صحیح وجود ندارد.

فیزیک

سیستم‌های مارکوفی در ترمودینامیک و مکانیک آماری بسیار ظاهر می‌شوند، جایی که احتمال برای نشان دادن ویژگی‌های ناشناخته سیستم به کار می‌رود، اگر بتوان فرض کرد که دینامیک مستقل از زمان است و احتیاجی به بررسی پیشینه تاریخی آن نیست.
مسیرها، در فرمول انتگرال مسیر مکانیک کوانتومی، زنجیره مارکوف هستند. همچنین زنجیر مارکوف در شبیه‌سازی شبک‌های QCD استفاده می‌شود.

علم اطلاعات

زنجیره مارکوف در نظریه اطلاعات کاربرد دارد. مقاله معروف کلود شانون در سال ۱۹۴۸ با «نظریه ریاضی ارتباطات» که پایه‌گذار نظریه اطلاعات شد با معرفی آنتروپی از طریق مدل‌سازی مارکوف از زبان انگلیسی آغاز می‌شود. چنین مدل‌های ایده‌آلی بسیاری از قواعد آماری سیستم را به دست می‌دهند. حتی بدون داشتن ساختار کامل سیستم این گونه مدل‌سازی‌ها فشرده سازی مؤثر داده‌ها را ممکن می‌سازند.
زنجیره‌های مارکوف پایه و اساس مدل پنهان مارکوف است که این مدل یکی از ابزارهای مهم در زمینه‌های گوناگون مثل شبکه‌های تلفن (برای تصحیح خطا)، تشخیص گفتار و هم چنین بیوانفورماتیک است.

نظریه صف

زنجیره‌های مارکوف اساس رفتار تحلیلی صف ها(نظریه صف) می‌باشد و این امر وجود آن‌ها را برای بهینه‌سازی عملکرد شبکه‌های مخابراتی حیاتی می‌سازد. جایی که پیام‌ها برای منابع محدود (مانند پهنای باند) رقابت می‌کنند.
مدل‌های صف بندی بسیاری از زنجیره مارکوف زمان پیوسته استفاده می‌کنند. برای مثال، یک صف M / M / 1 یک CTMC بر روی عدد صحیح غیر منفی است که در آن انتقال از i به i + 1 بر اساس یک فرایند پوآسون با نرخ λ رخ می‌دهد و ورود کار را توصیف می‌کند، در حالی که انتقال از i به i - 1 (برای i> 1) در نرخ μ اتفاق می‌افتد (بار خدمات شغلی از توزیع نمایی پیروی می‌کنند) و خدمات کامل یا همان خروج از صف را نشان می‌دهد.

کاربرد اینترنتی

یکی از نتایج جالب از زنجیرهٔ مارکوف این است که با افزایش طول زنجیر (افزایش تعداد تغییر حالات)، احتمال رسیدن به یک حالت خاص به عددی ثابت همگرا خواهد شد. اکنون تمام شبکه جهانی وب را یک زنجیره مارکوف در نظر بگیرید که در آن هر صفحه یک حالت و پیوند میان آنان احتمال هر تغییر حالت را مشخص می‌کند. این نظریه می‌گوید مستقل از صفحه‌ای که از آن شروع کرده‌ایم، پس از مدتی طولانی گشتن در وب احتمال رسیدن به صفحه‌ای خاص مقدار ثابتی دارد. با این مدل‌سازی می‌توان گفت هر چه احتمال رسیدن به یک صفحه بیشتر باشد، آن صفحه از اهمیت بالاتری برخوردار است.
رتبه صفحه (Page Rank)، برای یک صفحهٔ وب که گوگل نیز از آن استفاده کرده‌است، توسط یک زنجیره مارکوف تعریف شده‌است.
همچنین مدل مارکوف برای تحلیل رفتارهای وب کاربران و سیر حرکت آن‌ها میان صفحات استفاده شده‌است. انتقال کاربر به یک صفحه وب خاص از طریق یک لینک می‌تواند با استفاده از مدل‌های مارکوف مرتبه اول یا دوم مدل شود و برای پیش‌بینی‌های مربوط به حرکات آینده و شخصی‌سازی وب برای کاربر مورد استفاده قرار گیرد.