解説
[1]
カードを引く段階で各数字 \(a_j\) が取り出される確率はすべて 1/4 である。
【状態1のとき】
- \(a_1\) のカードを引いて状態1にとどまる確率は 1/4 である。
- \(a_j(j\neq 1)\)のカードを引いたとき状態 \(j\) に推移する条件付き確率は、\(a_1=1\) が最小で\(\min(a_j/a_1, 1)=1\) である。
従って、\(a_j\) のカードを引くと必ず状態 \(j\) に推移するため、\(p_{1j}=1/4\) となる。
【状態2のとき】
- \(a_1\) のカードを引いた場合に状態1に推移する条件付き確率は、\(\min(a_1/a_2, 1)=1/2\) であるので、\(p_{21}=(1/4)×(1/2)=1/8\) となる。
- 状態2にとどまる確率は、\(a_2\) を引く確率と \(a_1\) を引いて状態1に推移しない確率の和であるから、\(p_{22}=1/4+1/8=3/8\) である。
- \(\min(a_j/a_2, 1)=1(j=3, 4)\) より、状態3, 4へは必ず推移する。よって、\(p_{23}=p_{24}=1/4\) である。
[2]
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{q}^{(1)} &=&
(1, 0, 0, 0)
\begin{pmatrix}
1/4 &1/4 & 1/4 & 1/4 \\
1/8 & 3/8 & 1/4 & 1/4 \\
1/12 & 2/12 & 6/12 & 1/4 \\
1/16 & 2/16 & 3/16 & 10/16 \\
\end{pmatrix} \\
&=& (1/4,1/4,1/4,1/4)
\end{eqnarray}
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{q}^{(2)} &=&
(1/4,1/4,1/4,1/4)
\begin{pmatrix}
1/4 &1/4 & 1/4 & 1/4 \\
1/8 & 3/8 & 1/4 & 1/4 \\
1/12 & 2/12 & 6/12 & 1/4 \\
1/16 & 2/16 & 3/16 & 10/16 \\
\end{pmatrix} \\
&=& (25/192,11/48,19/64,11/32)
\end{eqnarray}
[3]
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{q}^{(1)} &=&
(0.1, 0.2, 0.3, 0.4)
\begin{pmatrix}
1/4 &1/4 & 1/4 & 1/4 \\
1/8 & 3/8 & 1/4 & 1/4 \\
1/12 & 2/12 & 6/12 & 1/4 \\
1/16 & 2/16 & 3/16 & 10/16 \\
\end{pmatrix} \\
&=& (0.1, 0.2, 0.3, 0.4)
\end{eqnarray}
となり、\(\boldsymbol{q}P=\boldsymbol{q}\) を満たすので定常分布とわかる。
[4]
\begin{eqnarray}
P &=&
\frac{1}{4}
\begin{pmatrix}
1 &1 & 1 & 1 \\
\frac{a_1}{a_2} & 2-\frac{a_1}{a_2} & 1 & 1 \\
\frac{a_1}{a_3} & \frac{a_2}{a_3} & 3-\frac{a_1+a_2}{a_3} & 1 \\
\frac{a_1}{a_4} & \frac{a_2}{a_4} & \frac{a_3}{a_4} & 4-\frac{a_1+a_2+a_3}{a_4} \\
\end{pmatrix} \\
&=& (0.1, 0.2, 0.3, 0.4)
\end{eqnarray}
より、\(\boldsymbol{q}P=\boldsymbol{q}\) を満たすので定常分布とわかる。


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