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線性代數基本公式結論簡要總結(3)

本文總結向量空間的一些內容,由於向量空間的知識(子空間、矩陣的行列空間、空間的基、線性無關、空間維數、秩)在上一篇文章中已有很多介紹,因此本文著重回顧馬爾科夫矩陣和傅立葉級數

馬爾科夫(Markov)矩陣:
def:一個具有非負分量(元素)且各分量(元素)數值相加等於1的向量稱為概率向量;馬爾科夫矩陣又稱隨機矩陣,是各列向量均為概率向量的方陣

馬爾科夫鏈:由一組概率向量序列x0,x1,x2...和一個隨機矩陣P組成,且滿足:
x1=Px0,x2=Px1,x3=Px2,...
可表示為如下一階差分方程:

xk+1=Pxk,k=0,1,2,...

上述xn常稱為狀態向量,它們表明概率向量序列中的各元素之間在空間或時間上存在關係,即馬爾科夫過程:某個隨機變數的狀態僅取決於上一個變數的狀態

馬爾科夫矩陣有如下性質
1.馬爾科夫矩陣的冪仍然是馬爾科夫矩陣
2.馬爾科夫矩陣必有一個特徵值為1,且其他所有特徵值的絕對值小於1

上述兩個性質直接產生了如下兩個結論:
1.對於一個馬爾科夫矩陣P,一定存在一個概率向量q,滿足Pq=q,這個概率向量q被稱作穩態向量(或平衡向量),顯然,它就是矩陣P值為1的特徵值對應的特徵向量
2.考慮前面提到的馬爾科夫鏈

xk+1=Pxk,k=0,1,2,...,若x0是任意一個起始狀態,當k趨近於無窮時,{xk}收斂於穩態向量q,這說明了初始狀態對於馬爾科夫鏈的長期行為沒有影響。

顯然,結論2的證明:把矩陣P做對角化(特徵值分解)後,由於除了1之外其餘特徵值均小於1,很多冪次後趨於0,對角陣中僅剩下1起作用,乘積得到的也就是結論1中介紹的穩態向量q

傅立葉級數:
根據線性代數中子空間和基向量的理論,空間中任意向量可由該空間中的一組正交基唯一的線性組合得到。把傅立葉級數中的函式看做無窮維空間中的向量,頻率從0到無窮大的正弦和餘弦函式兩兩正交,一起構成了無窮維(函式)空間的一組正交基(函式正交,即定義域內(一個週期)兩函式內積(積分)為0),傅立葉係數則是各個基函式(基向量)的權重。若要求某個係數,對錶達式兩邊同時乘以這個基向量即可(與其餘基向量乘積均為0,最後僅剩下要計算的這一項係數)