經典隨機漫步的概率分佈

隨機漫步也稱隨機遊走、隨機漫步,指基於過去的表現,無法預測將來的發展步驟和方向。通常被解釋為佈朗運動的理想狀態、無規則行走和擴散定律。

隨機漫步的思想最早由 Karl Pearson在1905年提出,它是一種不規則的變動形式,在變動過程當中的每一步都是隨機的。通常來說,隨機漫步被假定為具有馬爾可夫鏈的性質,其每一個步驟具有“無記憶”的特性,即每一次變動都不會影響別的變動。

復雜的隨機漫步,在維度方面,隨機漫步處於圖和面上,或者維度更多的結構中,例如群。

如果考慮到時間參數,一些隨機漫步過程是標記為非連續時間,例

另一些隨機漫步過程則采用隨機時間,例如Xt, 並且作為連續時間段

;這樣的例子包括醉漢漫步和萊維飛行等等。

隨機漫步過程通常與擴散模型和馬爾可夫過程相聯系,具有如下性質:

1、dispersal distributions,

2、first-passage times

3、encounter rates

經典隨機漫步的一個簡單例子就是整數軸上的隨機漫步:設目標處於0點,根據拋出的硬幣的狀態來決定漫步者的方向.若硬幣正面朝上,則向左走一步,反之則向右走一步.重復這個過程就形成瞭漫步者的隨機漫步.顯然目標在第1步之後處

於-1或1的概率均是0.5,在第二步之後,處於0的概率為0.5,處於-2或2的概率為0.25.在T 步之後,其所在位置離初始位置的方差是σ2=T,離初始位置的期望

距離即是σ=T的平方根.

為抽象出其數學模型,可以首先認為不同的時間點為一個整數線

,然後我們確立一系列獨立隨機變量

: 每一個變量均有50%的概率值為1或者-1,那麼可以得到:

cd74e800118aedd624277d143b9c9b8dd3bc1d2835f50dbb195d65e00b334941

下面考慮直線上的經典隨機漫步情況:

一種比較低級的想法是,根據統計分佈,求漫步者位置的概率分佈,首先由抽象出的數學模型,得出其分佈是一個高斯分佈,對每種情況迭代統計,計算出分佈在不同位置的情況,並得到相應的分佈圖,然而這樣得到的隻是統計概率,並非真實的概率分佈圖,用python模擬的情況如下:

另一種不合理的思路是,為瞭得出概率分佈圖,直接畫出正態分佈的結果。Matlab模擬情況如下:

07d108a87dd86d019c32e671c3011725

比較合理的思路是:粒子從初始點出發,在每個位置向左右兩邊上擴散的概率均為1/2,那麼計算出從原點出發,粒子在每個位置的概率,並對每個位置進行迭代計算其周圍(左右)粒子概率即可得出概率分佈情況。Matlab模擬情況如下:

參考資料:部分資料來源網絡

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