Geschreven door studenten die geslaagd zijn Direct beschikbaar na je betaling Online lezen of als PDF Verkeerd document? Gratis ruilen 4,6 TrustPilot
logo-home
College aantekeningen

Probability and Stochastic Processes

Beoordeling
-
Verkocht
-
Pagina's
10
Geüpload op
11-05-2023
Geschreven in
2022/2023

Probability and Stochastic Processes

Instelling
Vak

Voorbeeld van de inhoud

86 A. K. MAJEE

9. Continuous-time Markov chain (CTMC)
We now discuss an important class of stochastic process, called continuous-time Markov
chain (CTMC).
Definition 9.1. Let X = {Xt : t ≥ 0} be a stochastic process with countable state space S.
i) We say that the process is a continuous-time Markov chain (CTMC) if
   
P Xtn = j Xt1 = i1 , . . . , Xtn−1 = in−1 = P Xtn = j Xtn−1 = in−1 (9.1)
for all j, i1 , i2 , . . . , in−1 ∈ S and for all 0 ≤ t1 < t2 < . . . < tn .
ii) We say that the CTMC is homogeneous if and only if the probabilities

P Xt+s = j Xs = i
is independent of s for all t.
iii) The probability 
pij (t) = P Xt+s = j Xs = i s, t ≥ 0
is called transition probability for the CTMC. Denote P (t) = (pij (t)) for all i, j ∈ S. We
say that P (t) is a transition probability matrix.
Let {Xt : t ≥ 0} be a homogeneous CTMC. Then the following properties hold:

a) pij (t) = P Xt = j X0 = i  and hence 0 ≤ pij (t) ≤ 1 for any t ≥ 0 and i, j ∈ S.
b) pij (0) = P X0 = j X0 = i = δij .
X X 
c) pij (t) = P Xt = j X0 = i = 1.
j∈S j∈S

Example 9.1. At time t = 0, exactly N systems start operating. Their lifetimes are indepen-
dent, identically distributed exponential random variables with parameter λ . If X(t) denotes
the number of systems still operating at time t, then {X(t) : t ≥ 0} is a CTMC with state space
S = {0, 1, 2, . . . , N }.
9.1. Kolmogorov forward and backward equations: Observe that
X  
pij (t + T ) = P Xt+T = j, Xt = k X0 = i
k
 
X P Xt+T = j, X0 = i, Xt = k
=
P(X0 = i)
k
 
X P Xt = k, X0 = i P Xt+T = j, X0 = i, Xt = k

= · 
P(X0 = i) P Xt = k, X 0 = i
k
X    
= P Xt = k X0 = i · P Xt+T = j X0 = i, Xt = k
k
X  
= pik (t)P Xt+T = j X0 = i, Xt = k .
k
Since the process {Xt : t ≥ 0} is time homogeneous Markov, we have
   
P Xt+T = j X0 = i, Xt = k = P Xt+T = j Xt = k = pkj (T ).
Thus, we get
X
pij (t + T ) = pik (t)pkj (T )
k

, PROBABILITY AND STOCHASTIC PROCESS 87

which holds for all states i, j and t, T ≥ 0. It is called Chapman-Kolmogorov equation. In
matrix notation, it can be written as
P (t + T ) = P (t)P (T ).
P
Remark 9.1. Let pj (t) = P(Xt = j). Then j∈S pj (t) = 1 for each t ≥ 0. Indeed,
X  X  X
pj (t) = P Xt = j, X0 = i = P(X0 = i)P Xt = j X0 = i = pij (t)P(X0 = i).
i i∈S i
P P
Since j pij (t) = 1, we get that j pj (t) = 1.
d
Transition density matrix. Assume that qij = dt pij (t) t=0 exists, i.e.,

pij (h) − pij (0)
qij = lim .
h→0 h
Then, it is easily seen that
(
1 + hqii + o(h) i = j
pij (h) =
hqij + o(h) i 6= j

where f (h) = o(h) as h → 0 if f (h)
h → 0 as h → 0. Let Q = (qij ). Then one can easily check
that X
qii ≤ 0, qij ≥ 0 for i 6= j, qij = 0.
j
The matrix Q is known as transition density matrix or rate matrix of the process.
Example 9.2. Let N (t) be a Poisson process with intensity λ. Then it is a time-continuous
Markov chain. Observe that, for small ∆t,
pi,i+1 (∆t) = P(N (∆t) = 1) = λ∆t + o(∆t),
pi,j (∆t) = o(∆t) for j 6= i, i + 1 ,

pii (∆t) = P N (t + ∆t) = i N (t) = i = P(N (∆t) = 0) = 1 − λ∆t + o(∆t).
 
−λ λ 0 0 0 ...
 0 −λ λ 0 0 . . .
So, Q, the transition density matrix, is given by Q =  0 .
 
0 −λ λ 0 . . .
.. .. .. .. ..
 
. . . . .
Kolmogorov forward and backward equations. For h > 0 and t ≥ 0, we have from
Chapman-Kolmogorov equation
pij (t + h) − pij (h) 1X  1  1X
= pik (h)pkj (t) − pij (t) = pii (h) − 1 pij (t) + pik (h)pkj (t)
h h h h
k∈S k6=i
pij (t + h) − pij (h) X
=⇒ p0ij (t) = lim = qii pij (t) + qik pkj (t).
h→0 h
k6=i

Hence, in matrix notation
P 0 (t) = QP (t).
This is known as Kolmogorov backward equation. Similarly, by using the fact that
X
pij (t + h) = pik (t)pkj (h),
k∈S

Geschreven voor

Instelling
Vak

Documentinformatie

Geüpload op
11 mei 2023
Aantal pagina's
10
Geschreven in
2022/2023
Type
College aantekeningen
Docent(en)
Ananta kumar majee
Bevat
Alle colleges

Onderwerpen

$8.49
Krijg toegang tot het volledige document:

Verkeerd document? Gratis ruilen Binnen 14 dagen na aankoop en voor het downloaden kun je een ander document kiezen. Je kunt het bedrag gewoon opnieuw besteden.
Geschreven door studenten die geslaagd zijn
Direct beschikbaar na je betaling
Online lezen of als PDF

Maak kennis met de verkoper
Seller avatar
maraishuman

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
maraishuman IIT DELHI
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
-
Lid sinds
3 jaar
Aantal volgers
0
Documenten
17
Laatst verkocht
-

0.0

0 beoordelingen

5
0
4
0
3
0
2
0
1
0

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo makkelijk kan het dus zijn.”

Alisha Student

Bezig met je bronvermelding?

Maak nauwkeurige citaten in APA, MLA en Harvard met onze gratis bronnengenerator.

Bezig met je bronvermelding?

Veelgestelde vragen