Aufgaben:Aufgabe 1.6: Übergangswahrscheinlichkeiten: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Datei:P_ID451__Sto_A_1_6.png|right|20 Realisierungen der betrachteten Markovkette]]
[[Datei:P_ID451__Sto_A_1_6.png|right|frame|$20$  Realisierungen der betrachteten Markovkette]]
Rechts sehen Sie 20 Realisierungen einer binären homogenen Markovkette erster Ordnung mit den Ereignissen $A$ und $B$:  
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.  
*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.
*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:
Durch Mittelung über Millionen von Realisierungen wurden einige Ereigniswahrscheinlichkeiten numerisch ermittelt:


$${\rm Pr}(A_\text{v=0}) \approx 0.9, \hspace{0.3cm}{\rm Pr}(A_\text{v=1}) \approx 0.15, \hspace{0.3cm} {\rm Pr}(A_\text{v>4}) \approx 0.4.$$
:$${\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}0}) \approx 0.9, \hspace{0.3cm}{\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}1}) \approx 0.15, \hspace{0.3cm} {\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} > \hspace{0.05cm}4}) \approx 0.4.$$
 
Diese empirischen Zahlenwerte sollen herangezogen werden,  um die Parameter  (Übergangswahrscheinlichkeiten)  der Markovkette  (näherungsweise)  zu ermitteln.
 
 
 


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




''Hinweise:''
Hinweise:  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Markovketten|Markovketten]].
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Stochastische_Signaltheorie/Markovketten|Markovketten]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
*Sie können Ihre Ergebnisse mit dem nachfolgenden Berechnungstool überprüfen:
*Sie können Ihre Ergebnisse mit dem interaktiven SWF–Applet  [[Applets:Markovketten|Ereigniswahrscheinlichkeiten einer Markovkette erster Ordnung]]  überprüfen.
:[[Ereigniswahrscheinlichkeiten einer Markovkette 1. Ordnung]]




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<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Welche Wahrscheinlichkeiten ergeben sich zu den Zeiten $ν = 0$, $ν = 1$ und $ν = 9$, wenn man nur die 20 dargestellten Realisierungen berücksichtigt?
{Welche Wahrscheinlichkeiten ergeben sich zu den Zeiten&nbsp; $ν = 0$,&nbsp; $ν = 1$&nbsp; und&nbsp; $ν = 9$, <br>wenn man nur die&nbsp; $20$&nbsp; dargestellten Realisierungen berücksichtigt?
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm Pr}(A_\text{v=0}) \ =$  { 0.85 3% }
${\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}0}) \ = \ $  { 0.85 3% }
${\rm Pr}(A_\text{v=1}) \ =$ { 0.1 3% }
${\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}1}) \ = \ $ { 0.1 3% }
${\rm Pr}(A_\text{v=9}) \ =$ { 0.4 3% }
${\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} = \hspace{0.05cm}9}) \ = \ $ { 0.4 3% }


{Welche der Aussagen sind aufgrund der Musterfolgen zutreffend?
{Welche der Aussagen sind aufgrund der Musterfolgen zutreffend?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ Nach $A$ ist $B$ wahrscheinlicher als $A$.
+ Nach&nbsp; $A$&nbsp; ist&nbsp; $B$&nbsp; wahrscheinlicher als&nbsp; $A$.
+ Sowohl nach $A$ als auch nach $B$ kann wieder $A$ oder $B$ folgen.
+ Sowohl nach&nbsp; $A$&nbsp; als auch nach&nbsp; $B$&nbsp; kann wieder&nbsp; $A$&nbsp; oder&nbsp; $B$&nbsp; folgen.
- Die Folge $B B B B ...$ ist nicht möglich.
- Die Folge &bdquo;$B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}\text{...}$&rdquo; ist nicht möglich.


{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)$$?
{Berechnen Sie alle Übergangswahrscheinlichkeiten der Markovkette.&nbsp; Wie groß sind insbesondere&nbsp; ${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A)$&nbsp; und&nbsp; ${\rm Pr}(B\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}B)$?
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A) \ =$ { 0.1 3% }
${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A) \ = \ $ { 0.1 3% }
${\rm Pr}(B\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}B) \ =$ { 0.4 3% }
${\rm Pr}(B\hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}B) \ = \ $ { 0.4 3% }


{Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass die ersten zehn Elemente der Folge jeweils $B$ sind?
{Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit,&nbsp; dass die ersten zehn Elemente der Folge jeweils&nbsp; $B$&nbsp; sind?
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm Pr}(B_0, ... , B_9)\ =$ { 2.62 3% } $\ \cdot  10^{-5}$
${\rm Pr}(B_0, \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} , B_9)\ = \ $ { 2.62 3% } $\ \cdot  10^{-5}$




{Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass sehr lange nach Einschalten der Kette die Zeichenfolge $A \ B \ B \ A$ erzeugt wird?
{Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit,&nbsp; dass sehr lange nach Einschalten der Kette die Zeichenfolge&nbsp; &bdquo;$A\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}A$&rdquo;&nbsp; erzeugt wird?
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm Pr}(A \ B \ B \ A)\ =$ { 0.0864 3% }
${\rm Pr}(A\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}A)\ = \ $ { 8.64 3% } $\ \%$


</quiz>
</quiz>
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===Musterlösung===
===Musterlösung===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Die entsprechenden Wahrscheinlichkeiten sind:
'''(1)'''&nbsp; Die entsprechenden Wahrscheinlichkeiten sind:
:$$*Pr(A_\text{$\nu$ = 0}) = \underline{17/20 = 0.85},$$
 
:$$*Pr(A_\text{$\nu$ = 1}) = \underline{2/20 = 0.10},$$
:$${\rm Pr}(A_{\nu=0}) = 17/20 \;\underline{= 0.85}, \hspace{0.2cm} {\rm Pr}(A_{\nu=1}) = 2/20 \;\underline{= 0.10}, \hspace{0.2cm} {\rm Pr}(A_{\nu=9}) = 8/20 \;\underline{= 0.40}.$$
:$$*Pr(A_\text{$\nu$ = 9}) = \underline{8/20 = 0.40},$$
 
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Nach <i>A</i> folgt <i>B</i> sehr viel h&auml;ufiger als <i>A</i>, das heißt, es wird sicher Pr(<i>B</i>&nbsp;|&nbsp;<i>A</i>) > Pr(<i>A</i> | <i>A</i>) sein. Alle vier &Uuml;berg&auml;nge zwischen den zwei Ereignissen <i>A</i> und <i>B</i> sind m&ouml;glich. Daraus folgt weiter, dass alle vier &Uuml;bergangswahrscheinlichkeiten ungleich 0 sein werden. Wegen Pr(<i>B<sub>&nu;</sub></i><sub>=0</sub>) &ne; 0 und Pr(<i>B</i>&nbsp;|&nbsp;<i>B</i>) &ne; 0 kann nat&uuml;rlich auch die Folge <i>B B B B ...</i> erzeugt werden, auch wenn diese bei den 20 hier ausgegebenen Markovketten nicht dabei ist. Richtig sind die <u> Lösungsvorschläge 1 und 2</u>.
 
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Bei einer Markovkette erster Ordnung gilt mit der Abk&uuml;rzung Pr(<i>A</i><sub>0</sub>) = Pr(<i>A<sub>&nu;</sub></i><sub>=0</sub>) usw.:
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die&nbsp; <u> Lösungsvorschläge 1 und 2</u>:
*Nach&nbsp; $A$&nbsp; folgt&nbsp; $B$&nbsp; sehr viel h&auml;ufiger als&nbsp; $A$,&nbsp; das heißt,&nbsp; es wird sicher&nbsp; ${\rm Pr}(B \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A) > {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}A)$&nbsp; sein.  
*Alle vier &Uuml;berg&auml;nge zwischen den zwei Ereignissen&nbsp; $A$&nbsp; und&nbsp; $B$&nbsp; sind m&ouml;glich.&nbsp; Daraus folgt, dass alle vier &Uuml;bergangswahrscheinlichkeiten ungleich Null sein werden.  
*Wegen&nbsp; ${\rm Pr}(B_\text{v=0}) \ne 0$&nbsp; und&nbsp; ${\rm Pr}(B \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm}B) \ne 0$&nbsp; kann nat&uuml;rlich auch die Folge&nbsp; &bdquo;$B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}B\hspace{-0.05cm}-\hspace{0.15cm}...$&rdquo;&nbsp; erzeugt werden, auch wenn diese bei den zwanzig hier ausgegebenen Markovketten nicht dabei ist.  
 
 
 
'''(3)'''&nbsp; Bei einer Markovkette erster Ordnung gilt mit den Abk&uuml;rzungen&nbsp; ${\rm Pr}(A_0) = {\rm Pr}(A_{\nu=0})$&nbsp;  und&nbsp; ${\rm Pr}(A_1) = {\rm Pr}(A_{\nu=1})$:
:$${\rm Pr}(A_1) = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot {\rm Pr}(A_0) \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot {\rm Pr}(B_0).$$
:$${\rm Pr}(A_1) = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot {\rm Pr}(A_0) \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot {\rm Pr}(B_0).$$
:Die ergodischen Wahrscheinlichkeiten sind Pr(<i>A</i>) = Pr(<i>A<sub>&nu;</sub></i><sub>>4</sub>) = 0.4 und Pr(<i>B</i>) = Pr(<i>B<sub>&nu;</sub></i><sub>>4</sub>) = 0.6. Zwischen diesen besteht folgender Zusammenhang:
*Die ergodischen Wahrscheinlichkeiten sind&nbsp; ${\rm Pr}(A) = {\rm Pr}(A_{\nu \hspace{0.05cm} > \hspace{0.05cm}4}) = 0.4$&nbsp; und&nbsp; ${\rm Pr}(B) = {\rm Pr}(B_{\nu \hspace{0.05cm} > \hspace{0.05cm}4}) = 0.6$.&nbsp; Zwischen diesen besteht folgender Zusammenhang:
:$${\rm Pr}(A) = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot {\rm Pr}(A) \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot {\rm Pr}(B).$$
:$${\rm Pr}(A) = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot {\rm Pr}(A) \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot {\rm Pr}(B).$$
:Mit den angegebenen Zahlenwerten erh&auml;lt man aus diesen letzten beiden Gleichungen:  
*Mit den angegebenen Zahlenwerten erh&auml;lt man aus diesen letzten beiden Gleichungen:  
:$$0.15 = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot 0.90 \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot 0.10 ,$$
:$$0.15 = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot 0.90 \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot 0.10 ,$$
:$$0.40 = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot 0.40 \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot 0.60 .$$
:$$0.40 = {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \cdot 0.40 \hspace{0.1cm} + \hspace{0.1cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} B) \cdot 0.60 .$$
:Multipliziert man die erste Gleichung mit 6 und subtrahiert davon die zweite, so ergibt sich:  
*Multipliziert man die erste Gleichung mit&nbsp; $6$&nbsp; und subtrahiert davon die zweite,&nbsp; so ergibt sich:  
:$$0.5 = 5 \cdot {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \hspace{0.15cm} \Rightarrow
:$$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}.$$
\hspace{0.15cm}  {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm} | \hspace{0.05cm} A) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.1}.$$
*Setzt man dieses Ergebnis in eine der oberen Gleichungen ein,&nbsp; so erhält man&nbsp; $ {\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}B) = 0.6$.&nbsp; Die weiteren Wahrscheinlichkeiten sind:
:Setzt man dieses Ergebnis in eine der oberen Gleichungen ein, so erhält man $Pr(A&nbsp;|&nbsp;B) = 0.6$. Die weiteren Wahrscheinlichkeiten sind $Pr(B&nbsp;|&nbsp;A) = 1 - Pr(A&nbsp;|&nbsp;A) = 0.9, Pr(B&nbsp;|&nbsp;B) = 1 - Pr(A&nbsp;|&nbsp;B)\ \underline{= 0.4}$.
:$${\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A) = 1 - {\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A) = 0.9, \hspace{0.3cm} {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}B) = 1 - {\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}B)\ \underline{= 0.4}.$$
:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Dieser Fall ist nur dann m&ouml;glich, wenn die Markovkette mit <i>B</i> beginnt und danach neunmal ein &Uuml;bergang von <i>B</i> nach <i>B</i> stattfindet:
 
:$${\rm Pr}(B_0,\hspace{0.05cm} ... \hspace{0.05cm}, B_{9}) = {\rm Pr}(B_0) \cdot {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)^9 = {\rm 0.1} \cdot {\rm 0.4}^9 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 2.62 \cdot 10^{-5}}. $$
 
:<b>5.</b>&nbsp;&nbsp;Hier muss von der ergodischen Wahrscheinlichkeit Pr(<i>A</i>) ausgegangen werden und man erh&auml;lt:
'''(4)'''&nbsp; Dieser Fall ist nur dann m&ouml;glich,&nbsp; wenn die Markovkette mit&nbsp; $B$&nbsp; beginnt und danach neunmal ein &Uuml;bergang von&nbsp; $B$&nbsp; nach&nbsp; $B$&nbsp; stattfindet:
:$${\rm Pr}(A_{\nu}, \hspace{0.05cm}B_{\nu +1}, \hspace{0.05cm}B_{\nu +2},\hspace{0.05cm} A_{\nu +3}) = {\rm Pr}(A) \hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.01cm}{\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} A) \hspace{0.01cm}\cdot\hspace{0.01cm} {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)\hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.01cm}{\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)\hspace{0.15cm}\underline {\approx 8.64 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}10^{-2}}.$$
:$${\rm Pr}(B_0,\hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, B_{9}) = {\rm Pr}(B_0) \cdot {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)^9 = {\rm 0.1} \cdot {\rm 0.4}^9 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 2.62 \cdot 10^{-5}}. $$
 
 
'''(5)'''&nbsp; Hier muss von der ergodischen Wahrscheinlichkeit&nbsp; ${\rm Pr}(A)$&nbsp; ausgegangen werden und man erh&auml;lt:
:$${\rm Pr}(A_{\nu}, \hspace{0.05cm}B_{\nu +1}, \hspace{0.05cm}B_{\nu +2},\hspace{0.05cm} A_{\nu +3}) = {\rm Pr}(A) \hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.01cm}{\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} A) \hspace{0.01cm}\cdot\hspace{0.01cm} {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)\hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.01cm}{\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}| \hspace{0.05cm} B)\hspace{0.15cm}\underline {\approx 8.64 \% }.$$
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[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^1.4 Markovketten^]]
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^1.4 Markovketten^]]
[[en:Aufgaben:Exercise_1.6:_Transition_Probabilities]]

Aktuelle Version vom 16. März 2026, 14:35 Uhr

$20$  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:


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

(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:

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