数学模型第四版姜启源第十二章

第十二章马氏链模型12.1健康与疾病12.2钢琴销售的存贮策略12.3基因遗传12.4等级结构12.5资金流通马氏链模型系统在每个时期所处的状态是随机的.从一时期到下时期的状态按一定概率转移.下时期状态只取决于本时期状态和转移概率.已知现在，将来与过去无关（无后效性）描述一类重要的随机动态系统(过程)的模型.马氏链(MarkovChain)——时间、状态均为离散的随机转移过程通过有实际背景的例子介绍马氏链的基本概念和性质.例1.人的健康状况分为健康和疾病两种状态，设对特定年龄段的人，今年健康、明年保持健康状态的概率为0.8,而今年患病、明年转为健康状态的概率为0.7.12.1健康与疾病人的健康状态随着时间的推移会随机地发生转变.保险公司要对投保人未来的健康状态作出估计,以制订保险金和理赔金的数额.若某人投保时健康,问10年后他仍处于健康状态的概率.Xn+1只取决于Xn和pij,与Xn-1,…无关状态与状态转移状态转移具有无后效性0.80.20.30.712n0a2(n)0a1(n)1设投保时健康给定a(0),预测a(n),n=1,2,…设投保时疾病a2(n)1a1(n)0n时状态概率趋于稳定值,稳定值与初始状态无关.3…0.778…0.222…∞7/92/90.70.770.777…0.30.230.223…7/92/9状态与状态转移10.80.220.780.220.80.20.30.7121230.10.0210.80.250.180.65例2.健康和疾病状态同上，Xn=1~健康,Xn=2~疾病p11=0.8,p12=0.18,p13=0.02死亡为第3种状态，记Xn=3健康与疾病p21=0.65,p22=0.25,p23=0.1p31=0,p32=0,p33=1n0123a2(n)00.180.1890.1835a3(n)00.020.0540.0880a1(n)10.80.7570.7285设投保时处于健康状态，预测a(n),n=1,2,…不论初始状态如何，最终都要转到状态3；一旦a1(k)=a2(k)=0,a3(k)=1,则对于n>k,a1(n)=0，a2(n)=0,a3(n)=1,即从状态3不会转移到其他状态.状态与状态转移001∞500.12930.03260.8381马氏链的基本方程基本方程12.2钢琴销售的存贮策略钢琴销售量很小，商店的库存量不大以免积压资金.一家商店根据经验估计，平均每周的钢琴需求为1架.存贮策略：每周末检查库存量，仅当库存量为零时，才订购3架供下周销售；否则，不订购.估计在这种策略下失去销售机会的可能性有多大?以及每周的平均销售量是多少?背景与问题问题顾客的到来相互独立，需求量近似服从泊松分布，其参数由需求均值为每周1架确定，由此计算需求概率.存贮策略是周末库存量为零时订购3架周末的库存量可能是0,1,2,3，周初的库存量可能是1,2,3.用马氏链描述不同需求导致的周初库存状态的变化.动态过程中每周销售量不同，失去销售机会（需求超过库存）的概率不同.可按稳态情况（时间充分长以后）计算失去销售机会的概率和每周的平均销售量.模型假设钢琴每周需求量服从泊松分布，平均每周1架.存贮策略：当周末库存量为零时，订购3架，周初到货；否则，不订购.以每周初的库存量作为状态变量，状态转移具有无后效性.在稳态情况下计算失去销售机会的概率和每周的平均销售量,作为该存贮策略的评价指标.模型建立Dn~第n周需求量，均值为1的泊松分布Sn~第n周初库存量(状态变量)状态转移规律Dn0123>3P0.3680.3680.1840.0610.019状态转移阵……模型建立状态概率马氏链的基本方程正则链稳态概率分布w满足wP=w已知初始状态，可预测第n周初库存量Sn=i的概率n,状态概率第n周失去销售机会的概率n充分大时模型求解从长期看，失去销售机会的可能性大约10%.1.估计失去销售机会的可能性D0123>3P0.3680.3680.1840.0610.019存贮策略的评价指标0.105模型求解第n周平均售量从长期看，每周的平均销售量为0.857(架)n充分大时需求不超过存量,需求被售需求超过存量,存量被售思考：为什么每周的平均销售量略小于平均需求量?2.估计每周的平均销售量存贮策略的评价指标每周平均需求量1架0.857敏感性分析当平均需求在每周1(架)附近波动时，最终结果有多大变化。设Dn服从均值的泊松分布状态转移阵0.80.91.01.11.2P0.0730.0890.1050.1220.139第n周(n充分大)失去销售机会的概率当平均需求(=1.0)增长(或减少)10%时，失去销售机会的概率P将增长(或减少)约15%.钢琴销售的存贮策略存贮策略(周末库存为0则订购3架,否则不订购)已定,计算两个指标(失去销售的概率和每周平均销售量).给出其他存贮策略(如周末库存为0或1则订购使下周初库存为3架,否则不订购),讨论这两个指标(习题1).动态随机存贮策略是马氏链的典型应用.关键是在无后效性的前提下恰当地定义系统的状态变量(本例是每周初的库存量).12.3基因遗传背景生物的外部征由内部相应的基因决定.基因分优势基因d和劣势基因r两种.每种外部表征由两个基因决定,每个基因可以是d,r中的任一个.形成3种基因类型：dd~优种D,dr~混种H,rr~劣种R.基因类型为优种和混种,外部表征呈优势；基因类型为劣种,外部表征呈劣势.生物繁殖时后代随机地（等概率地）继承父、母的各一个基因，形成它的两个基因.父母的基因类型决定后代基因类型的概率.完全优势基因遗传父母基因类型决定后代各种基因类型的概率父母基因类型组合后代各种基因类型的概率DDRRDHDRHHHRDRH1000011/21/200101/41/21/401/21/23种基因类型：dd~优种D,dr~混种H,rr~劣种R完全优势基因遗传P(DDH)=P(dddd,dr)=P(ddd)P(ddr)P(RHH)=P(rrdr,dr)=P(rdr)P(rdr)=11/2=1/2=1/21/2=1/4随机繁殖设群体中雄性、雌性的比例相等，基因类型的分布相同(记作D:H:R).每一雄性个体以D:H:R的概率与一雌性个体交配，其后代随机地继承它们的各一个基因.设初始一代基因类型比例D:H:R=a:2b:c（a+2b+c=1),记p=a+b,q=b+c,则群体中优势基因和劣势基因比例d:r=p:q(p+q=1).假设建模状态Xn=1,2,3~第n代的一个体属于D,H,R状态概率ai(n)~第n代的一个体属于状态i(=1,2,3)的概率.讨论基因类型的演变情况基因比例d:r=p:q转移概率矩阵状态转移概率随机繁殖马氏链模型自然界中通常p=q=1/2稳态分布D:H:R=1/4:1/2:1/4基因类型为D和H,优势表征——绿色，基因类型为R,劣势表征——黄色.解释“豆科植物的茎，绿色:黄色=3:1”(D+H):R=3:1随机繁殖近亲繁殖在一对父母的大量后代中,雄雌随机配对繁殖，讨论一系列后代的基因类型的演变过程。状态定义为配对的基因类型组合Xn=1,2,3,4,5,6~配对基因组合为DD,RR,DH,DR,HH,HR状态转移概率马氏链模型I0RQ状态1(DD),2(RR)是吸收态，马氏链是吸收链——不论初始如何，经若干代近亲繁殖，将全变为优种或劣种.计算从任一非吸收态出发，平均经过几代被吸收态吸收.纯种(优种和劣种)的某些品质不如混种，近亲繁殖下大约5~6代就需重新选种.近亲繁殖12.4等级结构社会系统中需要适当且稳定的等级结构.描述等级结构的演变过程，预测未来的结构.确定为达到某个理想结构应采取的策略.引起等级结构变化的因素：系统内部等级间的转移：提升和降级.系统内外的交流：调入和退出(退休、调离等).用马氏链模型描述确定性的转移问题(将转移比例视为概率).基本模型a(t)~等级结构等级i=1,2,,k（如助教、讲师、教授）数量分布n(t)=(n1(t),n2(t),,nk(t))ni(t)~t年属于等级i的人数，t=0,1,比例分布a(t)=(a1(t),a2(t),,ak(t))转移矩阵Q={pij}kk,pij是每年从i转至j的比例基本模型ri~每年调入i的比例(在总调入人数中)pij~每年从i转至j的比例基本模型~基本模型基本模型等级结构a(t)~状态概率P~转移概率矩阵用调入比例进行稳定控制问题：给定Q,哪些等级结构可以用合适的调入比例保持不变a为稳定结构用调入比例进行稳定控制求稳定结构a=(a1,a2,a3)(a1+a2+a3=1)(0.5,0.5,0)a2=a1a3=1.5a2(0,0.4,0.6)a*B(0,0,1)(0,1,0)(1,0,0)A例大学教师(助教、讲师、教授)等级i=1,2,3，已知每年转移比例可行域A稳定域B用调入比例进行稳定控制研究稳定域B的结构寻求aaQ的另一种形式用调入比例进行稳定控制稳定域B是k维空间中以si为顶点的凸多面体研究稳定域B的结构用调入比例进行稳定控制例(0,1,0)(1,0,0)(0,0,1)0.2860.286S1S2S3B稳定域B是以si为顶点的三角形用调入比例进行动态调节问题：给定Q和初始结构a(0),求一系列的调入比例r,使尽快达到或接近理想结构逐步法：对于Q和a(0),求r使a(1)尽量接近a*,再将a(1)作为新的a(0),继续下去.模型例(0,1,0)(1,0,0)(0,0,1)a(0)0.2860.286a*a(1)用调入比例进行动态调节求r使a(1)尽量接近a*)428.0,286.0,286.0(),1,0,0()0(*==aa设7423560.6390.36100.1650.1650.6700.7470.25300.2070.2070.5860.8270.17300.2350.2350.5310.8830.11700.2530.2530.4950.9220.07800.2640.2640.4720.9490.0510r(t),a(t)的计算结果a(7)已接近a*观察r(t)的特点0.2720.2720.457用调入比例进行动态调节10.50.500.10.10.8r(t)a(t)t)428.0,286.0,286.0(),1,0,0()0(*==aa设等级结构等级结构的演变、预测和控制在社会系统中有广泛应用.讨论总人数和内部转移比例不变情况下,用调入比例控制级结构的变化.建立等级结构演变过程的基本方程,预测未来结构.讨论各种推广情况：总人数按照一定比例增长；调入比例有界；调入比例固定而用内部转移比例控制级结构的变化.12.5资金流通背景各地区之间资金每年按一定比例相互流通.各地区每年有资金流出并不再回来.银行计划每年向各地区投放或收回一定资金,使各地区的资金分布趋向稳定.建立模型描述各地区资金分布的变化规律.讨论什么情况下分布趋向稳定.确定银行应投放或收回多少资金.问题问题分析资金流通与“等级结构”进行类比等级结构地区间的资金流通等级间的成员转移资金流出地区成员退出系统银行向地区投放资金从外部向系统调入成员银行投放资金可为负值（收回资金）调入成员数量不能为负值各地区资金总和每年变化系统总人数每年不变相似点不同点基本模型资金分布c(t)=(c1(t),c2(t),,ck(t))，ci(t)~第t年地区i的资金，t=0,1,2,，i=1,2,,k资金投放d=(d1,,dk),di~每年向地区i投放的资金（负值表示收回资金）转移矩阵Q={pij}kk,pij~每年资金从地区i转至j的比例基本模型k个地区的资金看作系统的k个状态,并增加状态0表示资金退出系统（吸收状态）.资金在k+1个状态间的转移矩阵用马氏链模型描述若存在稳定分布c()=c*需检查对任意t,i,c(t)0.计算例3个地区资金转移比例矩阵为要达到稳定分布c*=(12,6,3),求银行每年向各地区投放的资金d.c(0)936c(1)1072c(2)11.66675.66672.3333…………c(10)11.83595.70972.7432若资金的初始分布c(0)=(9,3,6),资金流通若资金初始分布c(0)=(3,3,3),能达到稳定分布c*吗?计算向地区1投放6,地区2投放2,从地区3收回4.对任意t,i,c(t)0?c(0)333c(1)85-1不能达到稳定分布c*需要有效的检查方法!(参看教材P354~356)c(0)936c(1)1072c(2)11.66675.66672.3333…………c(10)11.83595.70972.7432…………资金流通例若资金初始分布c(0)=(3,3,3),能达到稳定分布c*吗?<0(同前)对于初始分布c(0)=(9,3,6)对任意t,i,c(t)0?