\documentclass[全部作业]{subfiles} \input{mysubpreamble} \begin{document} \setcounter{chapter}{4} \setcounter{section}{1} \section{练习题\thesection} \begin{enumerate} \questionandanswerProof[1]{ 设$\{ (X_n,Y_n)\ ;\ n\geqslant 0 \}$是隐马氏链,其中$\{ X_n\ ;\ n\geqslant 0 \}$, $\{ Y_n\ ;\ n\geqslant 0 \}$分别是状态序列和观察序列,证明对任意$n\geqslant 0, m\geqslant 1$, $$ \begin{aligned} &P\left( Y_{n+k}=j_{n+k}, 1\leqslant k\leqslant m|X_n=i, Y_l=j_l , 0\leqslant l\leqslant n \right) \\ =&P\left( Y_{n+k}=j_{n+k}, 1\leqslant k\leqslant m | X_n=i \right) \\ \end{aligned} $$ }{ 设状态空间为$S$,转移概率矩阵为$(p_{ij})$,观测概率矩阵为$(q_{jk})$,则 $$ \begin{aligned} &P\left( Y_{n+k}=j_{n+k}, 1\leqslant k\leqslant m|X_n=i, Y_l=j_l , 0\leqslant l\leqslant n \right) \\ =&\sum_{x \in S} p_{i, x}^{(k)} q_{x, j_{n+k}} \\ =&P\left( Y_{n+k}=j_{n+k}, 1\leqslant k\leqslant m | X_n=i \right) \\ \end{aligned} $$ } \questionandanswerSolution[2]{ 假设例4.2.1中产品的质量分为1(合格)和0(不合格)。在机器状态为1时,产品质量为0,1的概率分别为0.05,0.95,而在机器状态为2时,产品质量为0,1的概率分别为0.5,0.5。假设在产品检测的间隔时间内机器状态转移概率为 $$ p_{1,1} = 0.9, \ p_{1,2}=0.1,\ p_{2,1} =0, p_{2,2}=1 $$ 若初始机器状态为1,求第4次检测才首次检测到不合格产品的概率并在此条件下计算第5次抽到合格品的概率。 }{ 设状态序列为$X$,观测序列为$Y$,则$Z=(X,Y)$构成隐马尔科夫过程,初始状态$X_0=1$。由题意可得 $$ \begin{tabular}{c|cc} P & 1 & 2 \\ \hline 1 & 0.9 & 0.1 \\ 2 & 0 & 1 \\ \end{tabular} \qquad \begin{tabular}{c|cc} Q & 0 & 1 \\ \hline 1 & 0.05 & 0.95 \\ 2 & 0.5 & 0.5 \\ \end{tabular} \qquad \begin{tabular}{c|cc} \pi & 1 & 2 \\ \hline P & 0.9 & 0.1 \\ \end{tabular} $$ 第4次检测才首次检测到不合格产品即观测序列为1110。由于$p_{2,1}=0$,所以可以直接不考虑状态序列的2后跟着1的情况。所以计算的概率如下表所示: $$ \begin{tabular}{cc} \toprule \diagbox{X}{Y} & 1110 \\ \midrule 1111 & 0.9\times 0.95\times 0.9\times 0.95\times 0.9\times 0.95\times 0.9\times 0.05 = 0.028126186875 \\ 1112 & 0.9\times 0.95\times 0.9\times 0.95\times 0.9\times 0.95\times 0.1\times 0.5 = 0.03125131875\\ 1122 & 0.9\times 0.95\times 0.9\times 0.95\times 0.1\times 0.5\times 1\times 0.5 = 0.018275625\\ 1222 & 0.9\times 0.95\times 0.1\times 0.5\times 1\times 0.5\times 1\times 0.5 = 0.0106875\\ 2222 & 0.1\times 0.5\times 1\times 0.5\times 1\times 0.5\times 1\times 0.5 = 0.00625\\ \midrule \sum & 0.028126186875+0.03125131875+0.018275625+0.0106875+0.00625 = 0.094590630625 \\ \bottomrule \end{tabular} $$ 所以第4次检测才首次检测到不合格产品的概率为$\mathbf{0.094590630625}$。 在此条件下计算第5次抽到合格品的概率,则根据马氏链的性质,先计算 $$ P(X_4=1) = 0.028126186875 $$ $$ P(X_4=2) = 0.03125131875+0.018275625+0.0106875+0.00625 = 0.06646444375 $$ 则从第4次开始计算,初始分布变为 $$ \begin{tabular}{c|cc} \pi & 1 & 2 \\ \hline P & 0.028126186875 & 0.06646444375 \\ \end{tabular} $$ 所以可以继续计算第4和第5步的概率(由于已经确定了$Y_4=0$,所以不需要乘$q_{1,0}$或$q_{2,0}$): $$ \begin{tabular}{cc} \toprule \diagbox{X}{Y} & 01 \\ \midrule 11 & 0.028126186875\times 0.9\times 0.95 = 0.024047889778125 \\ 12 & 0.028126186875\times 0.1\times 0.5 = 0.00140630934375 \\ 22 & 0.06646444375\times 1\times 0.5 = 0.033232221875 \\ \midrule \sum & 0.024047889778125 + 0.00140630934375 + 0.033232221875 = 0.058686420996875 \\ \bottomrule \end{tabular} $$ 所以在此条件下第5次抽到合格品的概率为$\mathbf{0.058686420996875}$。 } \questionandanswerSolution[4]{ 在例4.2.5设定下,若前3天价格波动恰为$Y_0=1, Y_1=0, Y_2=-1$,求$X_2$的分布,并预测$X_3$最可能的取值。 }{ 已知$Z_n=(X_n,Y_n)$为隐马氏链, $$ \begin{tabular}{c|cc} P & -1 & 1 \\ \hline -1 & 0.75 & 0.25 \\ 1 & 0.2 & 0.8 \\ \end{tabular} \qquad \begin{tabular}{c|ccc} Q & -1 & 0 & 1 \\ \hline -1 & 0.6 & 0.2 & 0.2 \\ 1 & 0.2 & 0.3 & 0.5 \\ \end{tabular} \qquad \begin{tabular}{c|cc} \pi & -1 & 1 \\ \hline P & 0.2 & 0.1 \\ \end{tabular} $$ 将$X_0,X_1,X_2$的取值分情况讨论,得下表: $$ \begin{tabular}{c|c} (a,b,c) & P(X_0=a,Y_0=1,X_1=b,Y_1=0,X_2=c,Y_2=-1) \\ \hline (1,1,1) & 0.8\times 0.5\times 0.8\times 0.3\times 0.8\times 0.2 = 0.01536 \\ (1,1,-1) & 0.8\times 0.5\times 0.8\times 0.3\times 0.2\times 0.6 = 0.01152 \\ (1,-1,1) & 0.8\times 0.5\times 0.2\times 0.2\times 0.25\times 0.2 = 0.0008 \\ (1,-1,-1) & 0.8\times 0.5\times 0.2\times 0.2\times 0.75\times 0.6 = 0.0072 \\ (-1,1,1) & 0.2\times 0.2\times 0.25\times 0.3\times 0.8\times 0.2 = 0.00048 \\ (-1,1,-1) & 0.2\times 0.2\times 0.25\times 0.3\times 0.2\times 0.6 = 0.00036 \\ (-1,-1,1) & 0.2\times 0.2\times 0.75\times 0.2\times 0.25\times 0.2 = 0.0003 \\ (-1,-1,-1) & 0.2\times 0.2\times 0.75\times 0.2\times 0.75\times 0.6 = 0.0027 \\ \end{tabular} $$ 将$X_2$的情况提取出来可以计算得 $$ P(Y_0=1,Y_1=0,X_2=1,Y_2=-1)=0.01536+0.0008+0.00048+0.0003 = 0.01694 $$ $$ P(Y_0=1,Y_1=0,X_2=-1,Y_2=-1)=0.01152+0.0072+0.00036+0.0027 = 0.02178 $$ 所以 $$ \begin{aligned} &P(\mathbf{X_2=1}|Y_0=-1,Y_1=0,Y_2=-1) = \frac{P(Y_0=1,Y_1=0,X_2=1,Y_2=-1)}{P(Y_0=-1,Y_1=0,Y_2=-1)} \\ &=\frac{0.01694}{0.01694+0.02178} = \mathbf{0.4375} \\ \end{aligned} $$ 所以$P(\mathbf{X_2=-1}|Y_0=1,Y_1=0,Y_2=-1)=1-0.4375 = \mathbf{0.5625}$。\\ 即为$X_2$的分布。 令$P'(\cdot )=P(\cdot |Y_0=1,Y_1=0,Y_2=-1)$,则由于$X_n$是马氏链,可得 $$ P'(X_3=1)=P'(X_2=1)p_{1,1}+P'(X_2=-1)p_{-1,1} = 0.4375\times 0.8+0.5625\times 0.25 = 0.490625 $$ $$ P'(X_3=-1)=P'(X_2=1)p_{1,-1}P'(X_2=-1)p_{-1,-1}=0.4375\times 0.2+0.5625\times 0.75 = 0.509375 $$ 所以$X_3$最可能的取值为$\mathbf{-1}$。 } \end{enumerate} \end{document}