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Article de référence | Réf : AF612 v1

Chaînes de Markov

Auteur(s) : Jean LACROIX

Date de publication : 10 oct. 2008

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RÉSUMÉ

La notion de chaîne a été introduite en 1902 par Andrei Markov dans le but de formaliser des problèmes d'épistémologie et de cryptage. Plus tard, vers 1940-1950, est apparu un formalisme beaucoup mieux adapté, proposant des modes opératoires effectifs s'inspirant de la théorie générale des processus stochastiques et de la théorie du potentiel. Cette présentation est élémentaire et ne nécessite que des connaissances de base en probabilités. Des exemples illustrent la théorie débouchant sur des procédures algorithmiques génériques : algorithmes de recherche de mesures invariantes, de la programmation dynamique et des chaînes de Markov cachées.

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ABSTRACT

The concept of the chain was introduced in 1902 by Andrei Markov in order to formalize epistemologic and encryption issues. Later, around the years 1940-1950, a much better and adapted formalism appeared, offering effective operating modes inspired by the general theory of stochastic processes and the potential theory. This presentation is basic and only requires a basic knowledge in probabilities. Examples illustrate the theory leading to generic algorithmic approaches: algorithms for invariant measures, dynamic programming and hidden Markov chains.

Auteur(s)

Jean LACROIX : Professeur à l'université Paris VI

INTRODUCTION

La notion de chaîne a été introduite en 1902 par Andrei Markov dans le but de formaliser des problèmes d'épistémologie et de cryptage.

L'espace d'états est alors fini et, durant une longue période, beaucoup d'utilisateurs se sont contentés de manipulations matricielles qui trouvent rapidement leurs limites, même avec les moyens informatiques actuels. Ce n'est que vers les années 1940-1950 qu'est apparu un formalisme beaucoup mieux adapté, proposant des modes opératoires effectifs qui s'inspirent de la théorie générale des processus stochastiques et de la théorie du potentiel. La présentation qui en est faite ici est volontairement élémentaire et ne nécessite que des connaissances de base en probabilités. En effet, l'on se restreint ici à un espace d'états dénombrable et l'on ne fait pas usage de concepts plus élaborés comme les filtrations ou la théorie des martingales. La notion de dépendance markovienne est très intuitive ; par contre, les techniques de calcul demandent plus de dextérité et d'entraînement. C'est pourquoi un grand nombre de preuves et d'exemples sont fournis, pour permettre au lecteur de s'exercer à la manipulation d'outils nouveaux. Quelques preuves sont aussi rédigées pour pallier la lourdeur de certaines présentations, principalement en ce qui concerne celles décrites dans le paragraphe . En ce qui concerne les applications, qui sont extrêmement nombreuses, le choix s'est porté sur quelques exemples qui débouchent sur des procédures algorithmiques génériques, relativement récentes et d'un usage très répandu : algorithmes de recherche de mesures invariantes (Propp-Wilson, Metropolis), de la programmation dynamique (Bellman) et des chaînes de Markov cachées (E.M.).

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - BREMAUD (P.) - Chaînes de Markov - Springer-verlag, New-York (2001).
(2) - DELMAS (J.F.), JOURDAIN (B.) - Modéles aléatoires - Mathématiques et applications (57) Springer-verlag, Berlin (2006).
(3) - DURRETT (R.) - Probability : Theory and examples - Wadsworth and Brooks, Pacific Grove (1991).
(4) - LACROIX (J.) - Chaînes de Markov et processus de Poisson - Cours en ligne de l’université de Paris VI http://www.proba.jussieu.fr/supports.php.
(5) - LACROIX (J.), PRIOURET (P.) - Probabilités approfondies - Cours en ligne de l’université de Paris VI http://www.proba.jussieu.fr/supports.php.
(6) - MAZLIAK (L.), PRIOURET (P.), BALDI (P.) - Martingales et chaînes de Markov - Hermann, (2001).
...

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - ÉVOLUTION MARKOVIENNE

1.1 - Matrices de transition
1.2 - Définition des chaînes de Markov
1.3 - Dynamique associée à une fonction de transition
1.4 - Exemples

2 - CLASSIFICATION DES CHAÎNES DE MARKOV

2.1 - Récurrence et transience
2.2 - Décomposition en classes irréductibles
2.3 - Récurrence positive et récurrence nulle
2.4 - Quelques outils issus de la théorie du potentiel
2.5 - Étude d'exemples

3 - COMPORTEMENT ASYMPTOTIQUE DES CHAÎNES DE MARKOV

3.1 - Théorème ergodique
3.2 - Stabilisation des chaînes de Markov
3.3 - Chaînes de Doeblin
3.4 - Coalescence. Méthode de Propp & Wilson

4 - APPLICATIONS DES CHAÎNES DE MARKOV

4.1 - Algorithme de Hastings-Metropolis
4.2 - Contrôle stochastique
4.3 - Chaînes de Markov cachées

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