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Überprüfung - Grenzverhalten von Austauschprozessen

Aufgabe 1

Ein Übergangsprozess wird mit diesen Daten beschrieben:

Übergangsgraph Prozessmatrix Verteilungsvektor
Graph zum Austauschsystem $P = \begin{pmatrix} 0.5 & 0 & 0.2 \\ 0.1 & 1 & 0.2 \\ 0.4 & 0 & 0.6 \end{pmatrix}$ $\vec{v}_0 = \begin{pmatrix} 50 \\ 10 \\ 40 \end{pmatrix}$

Teste dich selbst: Kannst du die folgenden Fragen klären?

(a) Was versteht man unter einer Grenzverteilung $\vec{v}_{\infty}$?

Zur Kontrolle

Das ist die Verteilung, die man erhält, wenn die Verteilungsvektoren $\vec{v}_{n}$ sich mit wachsendem $n$ stabilisieren.

(b) Warum gilt z.B. für den Verteilungsvektor $\vec{v}_3$ nach $3$ Simultionsschritten $\vec{v}_3 = P^3 \cdot \vec{v}_0$?

Zur Kontrolle

$\vec{v}_3 = P \cdot \vec{v}_2 = P \cdot (P \cdot \vec{v}_1) = P \cdot (P \cdot (P \cdot \vec{v}_0)) = (P \cdot P \cdot P) \cdot \vec{v}_0 = P^3 \cdot \vec{v}_0$

(c) Die Matrixpotenzen $P^{n}$ stabilisieren sich im vorliegenden Austauschprozess bei der Grenzmatrix $P_{\infty} = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}$. Wie erhält man mit dieser Matrix die Grenzverteilung $\vec{v}_{\infty}$?

Zur Kontrolle

Es gilt: $\vec{v}_{\infty} = P_{\infty} \cdot \vec{v}_{0} = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 50 \\ 20 \\ 30 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 100 \\ 0 \end{pmatrix} $.

(d) Hätte man das Ergebnis $\vec{v}_{\infty} = \begin{pmatrix} 0 \\ 100 \\ 0 \end{pmatrix} $ auch direkt anhand des Übergangsgraphen vorhersagen können?

Zur Kontrolle
Der Übergangsgraph zeigt, dass jeweils ein bestimmter Anteil der Objekte vom Zustand A bzw. C in den Zustand B wechseln. Alle in Zustand B angekommenen Objekte verbleiben in diesem Zustand. Im Laufe der Simulation sammeln sich also alle Objekte im Zustand $B$.

(e) Gibt es bei jedem Austauschprozess immer Grenzverteilungen?

Zur Kontrolle

Nein. Z.B. führt die Prozessmatrix $P = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$ für die Ausgangsverteilung $\vec{v}_0 = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}$ nicht zu einer stabilen Grenzverteilung.

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