שרשרת מרקוב היא מודל הסתברותי לתיאור התפתחות מערכת כהתקדמות של מצבים.
תהליך סטוכסטי (תהליך שבו התוצאות מקריות) מקיים את תכונת מרקוב אם החיזוי של המצב הבא מסתמך רק על המצב הנוכחי. זו בעצם תכונת "חוסר זיכרון": מידע על העבר לא מוסיף לניבוי אם המצב הנוכחי ידוע.
אנדריי מרקוב חקר את הרעיון בתחילת המאה ה-20. הוא הראה שניתן להרחיב חלק מהתוצאות של תורת ההסתברות גם למקרים בהם התצפיות תלויות זו בזו. חוקרים נוספים, כמו פואנקרה, עסקו ברעיונות דומים בהקשרים אחרים.
מודל נקרא מרקובי אם כל המידע שנחוץ לחיזוי העתיד נמצא במצב הנוכחי בלבד. משמעות הדבר: אין צורך לזכור את כל ההיסטוריה כדי לחזות את הצעד הבא.
תכונת מרקוב אומרת שבכל זמן ההסתברות למעבר למצב מסוים תלויה רק במצב הנוכחי. ניתן גם להכליל זאת לשרשראות מסדר גבוה יותר, שבהן מצטברים כמה מצבים קודמים.
כדי להגדיר שרשרת מרקוב צריך: מספר מצבים, וקטור התפלגות התחלתי (ההסתברויות להתחלה בכל מצב), ומטריצת הסתברות מעבר שמקבלת את איתור המעבר בין מצבים. בעזרת המטריצות והתפלגות ההתחלה מחשבים את ההסתברות של רצף מצבים כלשהו.
הומוגניות בזמן: אם הסתברויות המעבר לא משתנות עם הזמן, השרשרת נקראת הומוגנית. אי-פריקות (irreducibility): מכל מצב אפשר להגיע לכל מצב אחר. נשנות (recurrence): מצב נשנה אם ההסתברות לחזור אליו היא 1; אחרת הוא חולף. נשנות חיובית פירושה שזמן החזרה הממוצע סופי. מחזוריות מודדת אם חזרה למצב יכולה לקרות רק במספר צעדים שהוא כפולה של מספר גדול מ-1.
התפלגות סטציונרית היא התפלגות שמקיימת שאין שינוי כאשר מרבים בה את מטריצת המעבר. בשרשראות בלתי פריקות ונשנות חיובית היא ייחודית, ולעתים כל התפלגויות ההתחלה "מדגשות" אליה. תנאי האיזון המפורט (detailed balance) הוא תנאי חזק יותר שמבטיח הפיכות של השרשרת.
המחשה הפשוטה היא מודל מזג אוויר בעל מצבים כמו: בהיר, מעונן וגשום. שרשראות מרקוב שימושיות בפיזיקה סטטיסטית, כימיה, ביולוגיה, תורת התורים ועיבוד שפה. אלגוריתמים מסוג MCMC (שימושיים לדוגימה מתפלגויות מסובכות) בונים שרשרת מרקוב שההתפלגות הסטציונרית שלה שווה להתפלגות שמנסים לדגום. דוגמה פרקטית היא אלגוריתם מטרופוליס לדגימת התפלגות בולצמן במערכות פיזיקליות.
שרשרת מרקוב היא דרך לתאר מערכת שעוברת ממצב אחד למשנהו בצורה אקראית.
"אקראי" אומר שלא תמיד אפשר לנבא במדויק. ברוב המקרים חיזוי המצב הבא מסתמך רק על המצב היום. זו תכונה שנקראת "חוסר זיכרון".
אנדריי מרקוב חקר את הרעיון לפני יותר ממאה שנה.
מודל כזה צריך לדעת: אילו מצבים יש, מאיפה מתחילים, וכמה סיכויים יש לעבור מכל מצב לאחר.
נניח שיש שלושה מצבי מזג אוויר: בהיר, מעונן וגשום. כל יום יש סיכויים לעבור ממצב למצב. כך מחשבים את ההסתברות לימים הבאים.
יש מצבים שאפשר לחזור אליהם לרוב הזמן. מצבים אחרים עלולים להיפטר ולהיות "חולפים". יש גם מצב ארוך־טווח שלפעמים המתאר את החלק היחסי של הזמן שהמערכת שוהה בכל מצב.
שרשראות מרקוב עוזרות למודלים במדע. הן עוזרות לחזות מזג אוויר פשוט, להבין תהליכים בפיזיקה ולבנות שיטות שמוציאות דוגמאות מתוך מערכות מסובכות.
מילים מסובכות: "סטוצ'סטי" זה אומר "אקראי". "נשנות" זה לחזור שוב למצב.
תגובות גולשים