Esercizio - Classificazione degli stati e probabilità di assorbimento in una catena a sei stati
Testo. Una catena sugli stati ha matrice
- Disegnare il grafo, trovare le classi comunicanti, dire quali sono ricorrenti o transitorie e il periodo di ciascuna.
- Partendo da e da , probabilità di finire assorbiti nella classe e in .
- Numero medio di passi spesi negli stati transitori (tempo di assorbimento).
- Tutte le distribuzioni stazionarie.
- Calcolare e (o dire che non esiste).
Soluzione
1. Archi: ; ; ; ; ; .
Grafico interattivo: Catena a sei stati: {1,2} transitoria, {3,4} chiusa di periodo 2, {5,6} chiusa aperiodica (cappio 1/2 in 5)
Si ragiona sui sottoinsiemi:
- comunicano (). Da si esce (verso , , ) senza possibilità di tornare: classe aperta, transitoria. Periodo: ha lunghezza ; non ci sono cappi e non ci sono cicli di lunghezza dispari, quindi periodo (irrilevante per la convergenza, perché la classe è transitoria).
- : , nessuna uscita: chiusa, ricorrente, periodo .
- : , nessuna uscita: chiusa, ricorrente; dà cicli di lunghezza e , quindi periodo (aperiodica).
2. Sia la probabilità di assorbimento in partendo da (con per , per ). Condizionando al primo passo: Sostituendo: , quindi , e . In : , cioè .
3. Sia il blocco transitorio, . La matrice fondamentale ha entrata = numero medio di visite a partendo da . Si ha , , quindi . Il tempo medio di assorbimento è la somma delle righe: . Controllo diretto: , . Le probabilità di assorbimento nei singoli stati sono le entrate di , con il blocco da transitori a ricorrenti: da in : ; da : .
4. In ogni classe chiusa c'è una stazionaria. Su : , quindi . Su : , cioè , con somma : . Gli stati transitori hanno . Le stazionarie di sono le combinazioni convesse, infinite: Non c'è unicità perché la catena non è irriducibile.
5. Dopo l'assorbimento, in la catena alterna , quindi la posizione dipende dalla parità del tempo; in converge a . Partendo da (tempo ) si entra in in a un istante dispari ( al tempo , oppure dopo giri di lunghezza ) oppure in a un istante pari ( al tempo , più giri): in entrambi i casi, per pari si è in e per dispari in . Partendo da è il contrario: si entra in a tempo dispari () o in a tempo pari (), quindi per pari si è in . Perciò, per pari e grande:
- riga : ;
- riga : .
Per dispari le colonne e si scambiano, le colonne restano uguali. Le due sottosuccessioni hanno limiti diversi: non esiste, esistono e .
Codice di verifica
import numpy as np
P = np.array([[0, .5, .5, 0, 0, 0], [.25, 0, 0, .25, .5, 0], [0, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, .5, .5], [0, 0, 0, 0, 1, 0]])
Q, R = P[:2, :2], P[:2, 2:]
N = np.linalg.inv(np.eye(2) - Q)
print("N =", N, " t =", N.sum(axis=1))
B = N @ R
print("assorbimento C1:", B[:, :2].sum(axis=1), " C2:", B[:, 2:].sum(axis=1))
print(np.round(np.linalg.matrix_power(P, 50)[:2], 4))
print(np.round(np.linalg.matrix_power(P, 51)[:2], 4))Output (le ultime due matrici sono le righe e di e di ):
N = [[1.14285714 0.57142857]
[0.28571429 1.14285714]] t = [1.71428571 1.42857143]
assorbimento C1: [0.71428571 0.42857143] C2: [0.28571429 0.57142857]
[[0. 0. 0. 0.7143 0.1905 0.0952]
[0. 0. 0.4286 0. 0.381 0.1905]]
[[0. 0. 0.7143 0. 0.1905 0.0952]
[0. 0. 0. 0.4286 0.381 0.1905]]Versione ripasso
- Classi: aperta, quindi transitoria (da si esce verso senza ritorno); chiusa ricorrente di periodo ; chiusa ricorrente aperiodica (cicli di lunghezza e , ).
- Assorbimento in (primo passo): , , quindi , , ; in : e .
- Matrice fondamentale: , (visite medie). Somme di riga: , . Per stato, : da in .
- Stazionarie: su , su , transitori ; infinite: combinazioni convesse con (catena non irriducibile).
- Limite: da si entra in a tempi dispari o in a tempi pari, quindi per pari si è in ; da il contrario. Per pari riga , riga ; per dispari si scambiano le colonne e : non esiste.
- Errori tipici: assegnare periodo o ricorrenza a uno stato transitorio; cercare un'unica in una catena riducibile; dimenticare che conta le visite, non le probabilità.