Aufgabe 1.6: Übergangswahrscheinlichkeiten

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$20$  Realisierungen der betrachteten Markovkette

Rechts sehen Sie  $20$  Realisierungen einer binären homogenen Markovkette erster Ordnung mit den Ereignissen  $A$  und  $B$:

• Man erkennt bereits aus dieser Darstellung,  dass zu Beginn  $(ν = 0)$  das Ereignis  $A$  überwiegt.
• Zu späteren Zeitpunkten – etwa ab  $ν = 4$  – tritt jedoch etwas häufiger das Ereignis  $B$  auf.

Durch Mittelung über Millionen von Realisierungen wurden einige Ereigniswahrscheinlichkeiten numerisch ermittelt:

$${\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}0}) \approx 0.9, \hspace{0.3cm}{\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}1}) \approx 0.15, \hspace{0.3cm} {\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} > \hspace{0.05cm}4}) \approx 0.4.$$

Diese empirischen Zahlenwerte sollen herangezogen werden,  um die Parameter  (Übergangswahrscheinlichkeiten)  der Markovkette  (näherungsweise)  zu ermitteln.

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Markovketten.

• Sie können Ihre Ergebnisse mit dem interaktiven SWF–Applet  Ereigniswahrscheinlichkeiten einer Markovkette erster Ordnung  überprüfen.

Fragebogen

1

Welche Wahrscheinlichkeiten ergeben sich zu den Zeiten  $ν = 0$,  $ν = 1$  und  $ν = 9$,
wenn man nur die  $20$  dargestellten Realisierungen berücksichtigt?

${\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}0}) \ = \ $

${\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}1}) \ = \ $

${\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}9}) \ = \ $

2

Welche der Aussagen sind aufgrund der Musterfolgen zutreffend?

	Nach  $A$  ist  $B$  wahrscheinlicher als  $A$.
	Sowohl nach  $A$  als auch nach  $B$  kann wieder  $A$  oder  $B$  folgen.
	Die Folge „$B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}\text{...}$” ist nicht möglich.

3

Berechnen Sie alle Übergangswahrscheinlichkeiten der Markovkette.  Wie groß sind insbesondere  ${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A)$  und  ${\rm Pr}(B\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}B)$?

${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A) \ = \ $

${\rm Pr}(B\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}B) \ = \ $

4

Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit,  dass die ersten zehn Elemente der Folge jeweils  $B$  sind?

${\rm Pr}(B_0, \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} , B_9)\ = \ $ $\ \cdot 10^{-5}$

5

Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit,  dass sehr lange nach Einschalten der Kette die Zeichenfolge  „$A\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}A$”  erzeugt wird?

${\rm Pr}(A\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}A)\ = \ $ $\ \%$

Musterlösung

Musterlösung

(1)  Die entsprechenden Wahrscheinlichkeiten sind:

$${\rm Pr}(A_{\nu=0}) = 17/20 \;\underline{= 0.85}, \hspace{0.2cm} {\rm Pr}(A_{\nu=1}) = 2/20 \;\underline{= 0.10}, \hspace{0.2cm} {\rm Pr}(A_{\nu=9}) = 8/20 \;\underline{= 0.40}.$$

(2)  Richtig sind die  Lösungsvorschläge 1 und 2:

• Nach  $A$  folgt  $B$  sehr viel häufiger als  $A$,  das heißt,  es wird sicher  ${\rm Pr}(B \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A) > {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A)$  sein.
• Alle vier Übergänge zwischen den zwei Ereignissen  $A$  und  $B$  sind möglich.  Daraus folgt, dass alle vier Übergangswahrscheinlichkeiten ungleich Null sein werden.
• Wegen  ${\rm Pr}(B_\text{v=0}) \ne 0$  und  ${\rm Pr}(B \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}B) \ne 0$  kann natürlich auch die Folge  „$B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{0.15cm}...$”  erzeugt werden, auch wenn diese bei den zwanzig hier ausgegebenen Markovketten nicht dabei ist.

(3)  Bei einer Markovkette erster Ordnung gilt mit den Abkürzungen  ${\rm Pr}(A_0) = {\rm Pr}(A_{\nu=0})$  und  ${\rm Pr}(A_1) = {\rm Pr}(A_{\nu=1})$:

$${\rm Pr}(A_1) = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot {\rm Pr}(A_0) \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot {\rm Pr}(B_0).$$

• Die ergodischen Wahrscheinlichkeiten sind  ${\rm Pr}(A) = {\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} > \hspace{0.05cm}4}) = 0.4$  und  ${\rm Pr}(B) = {\rm Pr}(B_{\nu \hspace{0.05cm} > \hspace{0.05cm}4}) = 0.6$.  Zwischen diesen besteht folgender Zusammenhang:

$${\rm Pr}(A) = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot {\rm Pr}(A) \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot {\rm Pr}(B).$$

• Mit den angegebenen Zahlenwerten erhält man aus diesen letzten beiden Gleichungen:

$$0.15 = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot 0.90 \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot 0.10 ,$$

$$0.40 = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot 0.40 \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot 0.60 .$$

• Multipliziert man die erste Gleichung mit  $6$  und subtrahiert davon die zweite,  so ergibt sich:

$$0.5 = 5 \cdot {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \hspace{0.15cm} \Rightarrow \hspace{0.15cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.1}.$$

• Setzt man dieses Ergebnis in eine der oberen Gleichungen ein,  so erhält man  ${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}B) = 0.6$.  Die weiteren Wahrscheinlichkeiten sind:

$${\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A) = 1 - {\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A) = 0.9, \hspace{0.3cm} {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}B) = 1 - {\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}B)\ \underline{= 0.4}.$$

(4)  Dieser Fall ist nur dann möglich,  wenn die Markovkette mit  $B$  beginnt und danach neunmal ein Übergang von  $B$  nach  $B$  stattfindet:

$${\rm Pr}(B_0,\hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, B_{9}) = {\rm Pr}(B_0) \cdot {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)^9 = {\rm 0.1} \cdot {\rm 0.4}^9 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 2.62 \cdot 10^{-5}}.$$

(5)  Hier muss von der ergodischen Wahrscheinlichkeit  ${\rm Pr}(A)$  ausgegangen werden und man erhält:

$${\rm Pr}(A_{\nu}, \hspace{0.05cm}B_{\nu +1}, \hspace{0.05cm}B_{\nu +2},\hspace{0.05cm} A_{\nu +3}) = {\rm Pr}(A) \hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.01cm}{\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} A) \hspace{0.01cm}\cdot\hspace{0.01cm} {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)\hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.01cm}{\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)\hspace{0.15cm}\underline {\approx 8.64 \% }.$$