12.2.1 互通类与返回时间
固定有限或可数状态集 \(S\) 上的离散时间齐次马尔可夫链,转移矩阵记为 \(P=(p_{ij})\),\(p_{ij}^{(n)}=(P^n)_{ij}\)。以 \(P_i,E_i\) 表示从 \(X_0=i\) 出发的概率与期望。转移机制与强马尔可夫性质见 12.1 节。
若某个 \(n\ge0\) 满足 \(p_{ij}^{(n)}>0\),记 \(i\to j\);若两个方向都可达,称 \(i,j\) 互通(communicate)。互通关系把 \(S\) 分成等价类。只有一个互通类时称链不可约(irreducible)。类 \(C\) 闭合是指从中不能一步离开,即 \(p_{ij}=0\) 对所有 \(i\in C,j\notin C\) 成立。
首次到达时间与首次返回时间分别为 \(H_i=\inf\{n\ge0:X_n=i\}\)、\(T_i^+=\inf\{n\ge1:X_n=i\}\),空集的下确界取 \(\infty\)。定义 \(f_i=P_i(T_i^+<\infty)\)、\(m_i=E_iT_i^+\)。
- \(f_i=1\):状态 \(i\) 常返(recurrent);\(f_i<1\):状态 \(i\) 暂留(transient)。
- 常返且 \(m_i<\infty\):正常返(positive recurrent);常返且 \(m_i=\infty\):零常返(null recurrent)。
在 \(P_i\) 下,\(H_i=0\),所以返回必须从 \(n=1\) 开始计时。暂留状态也有 \(m_i=\infty\),原因是 \(T_i^+=\infty\) 具有正概率;不能仅凭“平均返回时间无穷”就称为零常返。
在不可约链中,状态的常返类型相同。对存在正时间返回可能的状态,周期定义为 \(d_i=\gcd\{n\ge1:p_{ii}^{(n)}>0\}\),同一不可约链各点具有相同周期;\(d_i=1\) 称非周期(aperiodic)。只要不可约链中有一个 \(p_{ii}>0\),全链就非周期,但这个条件并非必要条件。
12.2.2 访问次数判据与类性质
记从时刻 \(0\) 起对 \(i\) 的总访问次数为 \(V_i=\sum_{n\ge0}\mathbf1_{\{X_n=i\}}\)。则
因此常返等价于 \(G_{ii}=\infty\)。在 \(P_i\) 下,常返时访问次数几乎必然无穷;暂留时访问次数几乎必然有限。
每次返回 \(i\) 后,由强马尔可夫性质,下一次仍能返回的概率都是 \(f_i\)。计入时刻 \(0\) 的访问,对 \(r\ge1\) 有 \(P_i(V_i\ge r)=f_i^{r-1}\)。尾和公式和 Tonelli 定理分别给出 \(E_iV_i=\sum_{r\ge1}f_i^{r-1}\) 与 \(E_iV_i=\sum_{n\ge0}p_{ii}^{(n)}\),得到式 (12.2-1)。取 \(r\to\infty\) 也得到访问次数的两种几乎必然结论。
若 \(i\leftrightarrow j\),取 \(r,s\) 使 \(p_{ij}^{(r)}p_{ji}^{(s)}>0\)。Chapman–Kolmogorov 公式给出 \(p_{jj}^{(s+n+r)}\ge p_{ji}^{(s)}p_{ii}^{(n)}p_{ij}^{(r)}\)。对 \(n\) 求和便知:\(i\) 常返则 \(j\) 也常返;交换二者得到类性质。
常返类一定闭合。若从常返点 \(j\) 沿一条不再经过 \(j\) 的正概率路径到达 \(i\),而从 \(i\) 有正概率永不到达 \(j\),拼接这两个事件就使 \(j\) 有正概率不返回,矛盾。这个论证也说明:在不可约常返链中,从任意状态到达任意指定状态的时间几乎必然有限。无限状态空间中的闭类却可能全部暂留,不能把有限链的图形判别直接照搬过来。
周期的类性质也来自路径拼接。沿上述 \(j\to i\to j\) 的路径,\(r+s\) 是 \(j\) 的可能返回步数;若 \(n\) 是 \(i\) 的可能返回步数,\(r+n+s\) 也是 \(j\) 的可能返回步数。于是 \(d_j\) 同时整除这两数,进而整除 \(n\),故 \(d_j\mid d_i\)。反向得到 \(d_i\mid d_j\),所以 \(d_i=d_j\)。
12.2.3 不变测度、平稳分布与 Kac 公式
非零向量 \(\nu=(\nu_j)\),其中 \(0\le\nu_j<\infty\),若满足 \(\nu_j=\sum_i\nu_i p_{ij}\),称为不变测度(invariant measure)。它的总质量可以无穷。若另有 \(\sum_j\nu_j=1\),则称为平稳分布(stationary distribution),通常记为 \(\pi\)。从 \(\pi\) 出发时,各时刻的边缘分布都为 \(\pi\)。
对可数不可约链,某个状态正常返、所有状态正常返、存在平稳分布这三个条件等价。此时平稳分布唯一,且每个 \(\pi_i>0\),满足平均返回时间公式
这是单个状态形式的 Kac 公式。该结论不要求非周期。参见文献 [1] 定理 5.5.7、5.5.10–5.5.12。
固定常返点 \(i\),令 \(T=T_i^+\),定义 \(\nu_j=E_i\sum_{n=0}^{T-1}\mathbf1_{\{X_n=j\}}\)。因为 \(T<\infty\) 几乎必然,起点和终点都是 \(i\)。由非负求和与条件期望,
最后一步是逐路径计数:删去最初的 \(i\),加入最后的 \(i\),各状态次数不变。还可核实每个 \(\nu_j\) 有限:\(\nu_i=1\),而不可约性给出某个 \(r\) 使 \(p_{ji}^{(r)}>0\),故 \(1=(\nu P^r)_i\ge\nu_jp_{ji}^{(r)}\)。同时 \(\sum_j\nu_j=E_iT=m_i\)。若 \(m_i<\infty\),归一化 \(\nu/m_i\) 即得平稳分布。
第二步 · 平稳概率排除暂留反过来,设已有平稳分布 \(\pi\)。先取一个 \(\pi_k>0\) 的点,再沿正概率路径使用 \(\pi=\pi P^r\),即得所有 \(\pi_i>0\)。若 \(i\) 暂留,从任意 \(k\) 出发,首次到达 \(i\) 后的期望总访问次数为 \(G_{ii}\),故 \(G_{ki}=P_k(H_i<\infty)G_{ii}\le G_{ii}<\infty\)。但平稳性和 Tonelli 定理要求
与左侧不超过 \(G_{ii}\) 矛盾。因此全链常返。
第三步 · 平稳路径上的尾概率求和在初始分布为 \(\pi\) 的链上,令 \(a_n=P_\pi(X_0\ne i,\ldots,X_n\ne i)\)。对 \(n\ge1\),平稳性给出 \(\pi_iP_i(T_i^+>n)=a_{n-1}-a_n\):右侧正是 \(X_0=i\)、随后 \(n\) 步都不在 \(i\) 的概率。加上 \(n=0\) 项后望远镜求和,得到
最后使用不可约常返链从任一点最终到达 \(i\),故 \(a_n\downarrow0\)。于是每个 \(m_i=1/\pi_i<\infty\),且所有平稳分布的每个坐标都由返回时间唯一确定。这同时完成正常返的等价性、唯一性与式 (12.2-2) 的证明。平稳路径求和的论证也可对照文献 [2]。
12.2.4 有限链:存在唯一与周期反例
有限状态链至少有一个平稳分布;若再不可约,则平稳分布唯一且各状态正常返。
任取初始分布 \(\alpha\),置 \(\mu_N=N^{-1}\sum_{n=0}^{N-1}\alpha P^n\)。有限维概率单纯形紧,故有子列 \(\mu_{N_r}\to\pi\)。另一方面,\(\mu_NP-\mu_N=(\alpha P^N-\alpha)/N\to0\),在子列极限中得到 \(\pi P=\pi\)。不可约时再应用上一小节的定理。这里有限性保证极限仍有总质量 \(1\);无限状态链的逐点极限可能把全部质量丢失。
对 \(0<a,b\le1\),取状态 \(S=\{0,1\}\) 及转移矩阵
平稳方程为 \(\pi_0a=\pi_1b\),再加归一化即可解出 \(\pi\);平均返回时间由 Kac 公式给出。从 \(0\) 出发,记 \(u_n=P_0(X_n=0)\)。递推 \(u_{n+1}=b+(1-a-b)u_n\)、\(u_0=1\) 给出
当 \(a=b=1\) 时,链每步必换状态,周期为 \(2\),\(u_{2n}=1,u_{2n+1}=0\),尽管 \(\pi=(1/2,1/2)\) 唯一,仍无逐时极限。若至少一个参数小于 \(1\),链有自环且非周期,\(|1-a-b|<1\),于是 \(u_n\to\pi_0\)。无论周期如何,若一开始按 \(\pi\) 抽取状态,每个时刻的分布都已是 \(\pi\)。
12.2.5 无限状态的边界:随机游走与生灭链
在 \(\mathbb Z\) 上,每步以概率 \(p\in(0,1)\) 向右、以 \(q=1-p\) 向左。链不可约,周期为 \(2\)。奇数时刻不能回到原点,偶数时刻则有 \(p_{00}^{(2n)}=\binom{2n}{n}(pq)^n\)。
若 \(p=q=1/2\),Stirling 公式给出 \(p_{00}^{(2n)}\sim1/\sqrt{\pi n}\),其和发散,所以常返。若存在平稳概率,则 \(\pi_j=(\pi_{j-1}+\pi_{j+1})/2\),意味着相邻差 \(\pi_{j+1}-\pi_j\) 为常数;在整条 \(\mathbb Z\) 上非负迫使该常数为零,剩下的常数序列无法归一化。由第 12.2.3 小节的判据,它是零常返链。
若 \(p\ne q\),则 \(p_{00}^{(2n)}\le(4pq)^n\),而 \(4pq<1\),故 Green 和有限,链暂留。对所有这些参数,计数测度 \(\nu_j=1\) 都满足 \(\nu P=\nu\),但总质量无穷。因此不变测度存在,既不保证存在平稳概率,也不保证常返。
改取 \(S=\{0,1,2,\ldots\}\)。对 \(n\ge1\),令 \(p_{n,n+1}=p,\ p_{n,n-1}=q=1-p\),而 \(p_{0,1}=p,\ p_{0,0}=q\),其中 \(0<p<1\)。这条链不可约且非周期。平稳方程从边界给出 \(\nu_0p=\nu_1q\),其余方程使 \(\nu_np-\nu_{n+1}q\) 保持为零,故 \(\nu_n=\nu_0\rho^n\),其中 \(\rho=p/q\)。这一模型及其平稳方程见文献 [3] §2。
若 \(p<q\),几何级数可归一化,所以链正常返,且
要区分另两种情形,考察从 \(1\le i<N\) 出发先到达 \(0\) 还是 \(N\)。令 \(h_i^{(N)}=P_i(H_0<H_N)\),首步分解给出 \(h_i=ph_{i+1}+qh_{i-1}\),边界为 \(h_0=1,h_N=0\)。相邻差满足 \(h_{i+1}-h_i=(q/p)(h_i-h_{i-1})\),求和得
事件 \(\{H_0<H_N\}\) 随 \(N\) 增大趋于 \(\{H_0<\infty\}\):有限时间到达 \(0\) 的路径只访问有限高度。于是 \(p=q\) 时从任意 \(i\) 都必到达 \(0\),链常返,但几何权重无法归一化,故零常返。若 \(p>q\),则 \(P_1(H_0<\infty)=q/p\),从 \(0\) 出发的返回概率为 \(f_0=q+p(q/p)=2q<1\),链暂留。非周期条件在三种情形都成立,不能代替正常返条件。
12.2.6 时间平均与逐时分布收敛
设可数链不可约、正常返,平稳分布为 \(\pi\)。对任意初始分布、每个固定状态 \(j\),
这两项时间平均结论不要求非周期。如果再加非周期,则任意初始分布 \(\alpha\) 都满足
从 \(j\) 出发,连续返回 \(j\) 之间的时间 \(\tau_1,\tau_2,\ldots\) 独立同分布,均值为 \(m_j<\infty\)。令 \(R_r=\tau_1+\cdots+\tau_r\),由 强大数定律,\(R_r/r\to m_j\)。截至 \(N\) 的返回次数 \(K_N\) 满足 \(R_{K_N}\le N<R_{K_N+1}\),故 \(K_N/N\to1/m_j=\pi_j\)。从任意其他状态出发,首次到达 \(j\) 的时间几乎必然有限,删去这段有限前缀不改变极限。访问频率介于 \(0,1\) 之间,控制收敛再给出期望形式的时间平均。
逐时收敛的证明思路与省略范围不可约且非周期保证对任意两点,充分大的步数都有正概率连通。于是两条独立链组成的乘积链不可约,且有平稳分布 \(\pi\otimes\pi\),由前面的判据可知它正常返,因而两坐标几乎必然在有限时间相遇。让一条从 \(\alpha\) 出发、另一条从 \(\pi\) 出发,并在相遇后使用相同转移,可得总变差距离不超过“截至 \(n\) 尚未相遇”的概率,后者趋于零。返回步数的数论引理及这一耦合构造的细节不在本页展开,完整证明见文献 [1] 引理 5.6.5、定理 5.6.6,耦合方法另见 12.4 节。
不可约零常返链虽会无限次访问每个状态,对每个固定状态的访问频率却为零。对返回间隔先作 \(\tau_r\wedge L\) 截断,由强大数定律得 \(\liminf R_r/r\ge E(\tau_1\wedge L)\);令 \(L\uparrow\infty\) 得 \(R_r/r\to\infty\),从而 \(K_N/N\to0\)。无限次返回与零时间比例可以同时成立。
12.2.7 习题与详解
习题 12.2-1 · 有限可约链的平稳分布为何不唯一?
在 \(S=\{0,1,2\}\) 上,设 \(p_{00}=p_{01}=1/2,\ p_{11}=p_{22}=1\),其余转移为零。分类各状态,求全部平稳分布,并求从 \(0\) 出发的分布极限。
互通类为三个单点,\(\{1\},\{2\}\) 闭合。状态 \(0\) 一旦转到 \(1\) 就不再返回,故 \(f_0=1/2\),是暂留状态,且 \(E_0T_0^+=\infty\)。状态 \(1,2\) 吸收,返回时间恒为 \(1\),均正常返。
平稳方程要求 \(\pi_0=\pi_0/2\),故全部解为 \((0,t,1-t)\),\(0\le t\le1\)。从 \(0\) 出发,时刻 \(n\) 的分布是 \((2^{-n},1-2^{-n},0)\),趋于 \((0,1,0)\);从 \(2\) 出发始终为 \((0,0,1)\)。有限性保证存在,不保证唯一或各初始分布具有同一极限。
习题 12.2-2 · 两状态链的返回时间与收敛误差
在例 1 中取 \(a=1/3,b=1/2\),计算平稳分布、两状态的平均返回时间,以及从 \(0\) 出发与平稳分布的总变差距离。距离首次不超过 \(10^{-3}\) 是第几步?
\(a+b=5/6\),故 \(\pi=(3/5,2/5)\),\(m_0=5/3,\ m_1=5/2\)。递推的另一特征因子为 \(1-a-b=1/6\),所以 \(P_0(X_n=0)=3/5+(2/5)6^{-n}\)。
两点概率向量的总变差距离等于任一坐标差的绝对值,因此距离为 \((2/5)6^{-n}\)。第 \(3\) 步为 \(1/540>10^{-3}\),第 \(4\) 步为 \(1/3240<10^{-3}\),首次满足条件的是第 \(4\) 步。
习题 12.2-3 · 同一生灭机制的两侧参数
在例 3 中先取 \(p=2/5,q=3/5\),求 \(\pi_2\)、\(E_0T_0^+\)、\(E_2T_2^+\) 与 \(P_\pi(X_0\ge5)\)。再交换 \(p,q\),求从 \(0\) 出发的返回概率和总访问次数的期望。
第一种情形 \(\rho=2/3\),所以 \(\pi_n=(1/3)(2/3)^n\),\(\pi_2=4/27\)。Kac 公式给出 \(E_0T_0^+=3\)、\(E_2T_2^+=27/4\)。几何尾和为 \(P_\pi(X_0\ge5)=(2/3)^5=32/243\)。
交换后 \(p=3/5,q=2/5\)。从 \(1\) 命中 \(0\) 的概率是 \(q/p=2/3\),故 \(f_0=q+p(q/p)=4/5\)。由访问次数判据,计入初始时刻的期望总访问次数为 \(G_{00}=1/(1-f_0)=5\),链暂留。形式权重 \((3/2)^n\) 不能归一化为平稳概率。
习题 12.2-4 · Kac 公式中的不可约条件
设两状态链的转移矩阵为单位矩阵,选平稳分布 \(\pi=(1/3,2/3)\)。核查 \(m_i=1/\pi_i\) 是否成立。再设一般链有闭合不可约类 \(C\),平稳分布满足 \(\pi(C)>0\),推导该类内正确的返回时间关系。
两状态都吸收,故 \(m_0=m_1=1\),而 \(1/\pi_0=3,\ 1/\pi_1=3/2\)。直接套用全链不可约时的公式会出错。
闭合性使类内质量无法向外流出。由平稳性,类外流入 \(C\) 的总质量也为零;因此限制并归一化后的 \(\widehat\pi_i=\pi_i/\pi(C)\),\(i\in C\),是类内链的平稳分布。对这个不可约链使用已证定理,得到 \(m_i=1/\widehat\pi_i=\pi(C)/\pi_i\)。吸收单点类中 \(\pi(C)=\pi_i\),便恢复 \(m_i=1\)。
关键术语
- 互通类:彼此可沿正概率路径到达的状态所组成的等价类。
- 闭类:进入后不能转移到类外的互通类。
- 常返与暂留:从某点出发,最终返回该点的概率分别等于或小于 \(1\)。
- 正常返与零常返:常返状态的平均返回时间分别有限或无穷。
- 不变测度:满足 \(\nu P=\nu\)、总质量允许无穷的测度。
- 平稳分布:总质量为 \(1\) 的不变测度。
- Kac 公式:不可约正常返链中,平稳概率等于平均返回时间的倒数。
- 周期:所有可能正返回步数的最大公约数。
- 总变差距离:可数状态概率向量之间差的绝对值之和的一半。
参考文献与延伸阅读
- Durrett, R. (2019). Probability: Theory and Examples, 5th ed. §5.3 讨论访问次数与常返;§5.5 的定理 5.5.7、5.5.10–5.5.12 给出返回占用测度及正常返判据;§5.6 的定理 5.6.1、5.6.6 分别处理访问频率与非周期收敛。Duke University 作者版 PDF。
- Polyanskiy, Y. (2018). Fundamentals of Probability, MIT 6.436J / 15.085J, Lecture 22, “Markov Chains II”。有限链平稳分布的返回时间表示与平稳路径上的尾概率求和证明。MIT 官方讲义 22。
- Polyanskiy, Y. (2018). 同一课程 Lecture 24, “Infinite Markov Chains; Continuous Time Markov Chains”,§2 讨论无限状态链的返回概率定义及零点反射随机游走的平稳方程。MIT 官方讲义 24。