We study the following learning problem with dependent data: Observing a trajectory of length $n$ from a stationary Markov chain with $k$ states, the goal is to predict the next state. For $3 \leq k \leq O(\sqrt{n})$, using techniques from universal compression, the optimal prediction risk in Kullback-Leibler divergence is shown to be $\Theta(\frac{k^2}{n}\log \frac{n}{k^2})$, in contrast to the optimal rate of $\Theta(\frac{\log \log n}{n})$ for $k=2$ previously shown in Falahatgar et al. (2016). These rates, slower than the parametric rate of $O(\frac{k^2}{n})$, can be attributed to the memory in the data, as the spectral gap of the Markov chain can be arbitrarily small. To quantify the memory effect, we study irreducible reversible chains with a prescribed spectral gap. In addition to characterizing the optimal prediction risk for two states, we show that, as long as the spectral gap is not excessively small, the prediction risk in the Markov model is $O(\frac{k^2}{n})$, which coincides with that of an iid model with the same number of parameters. Extensions to higher-order Markov chains are also obtained.


翻译:我们用依赖数据来研究以下学习问题:从固定的Markov链中观测一个以美元为单位的美元长度轨道,目标是预测下一个状态。对于3 leq k k\leq O(\ sqrt{n})$3 leq k\leq O(\ sqrt{n}) 美元,使用通用压缩技术, Kullback- Leiber 差异的最佳预测风险显示为$Theta(\ frac{k ⁇ 2 ⁇ ⁇ log\ frac{n ⁇ k ⁇ 2} $,与以前在Falalahatgar 和 al.() 显示的 3 k=2美元的最佳价格相比,对于3 leqkk kv 美元来说,这些比率比$O(\\ refrac{k ⁇ 2 ⁇ n}的参数率要慢,可以归因于数据的记忆力,因为Markov 链的光谱差距可以任意缩小。为了量化记忆效果,我们研究的是无法再复制的链条, 与规定的光谱差距之间的数字是不可复制的。此外,除了确定最佳预测风险的模型外,我们展示的是,光谱的模型中的最佳预测风险是两种。

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马尔可夫链,因安德烈·马尔可夫(A.A.Markov,1856-1922)得名,是指数学中具有马尔可夫性质的离散事件随机过程。该过程中,在给定当前知识或信息的情况下,过去(即当前以前的历史状态)对于预测将来(即当前以后的未来状态)是无关的。 在马尔可夫链的每一步,系统根据概率分布,可以从一个状态变到另一个状态,也可以保持当前状态。状态的改变叫做转移,与不同的状态改变相关的概率叫做转移概率。随机漫步就是马尔可夫链的例子。随机漫步中每一步的状态是在图形中的点,每一步可以移动到任何一个相邻的点,在这里移动到每一个点的概率都是相同的(无论之前漫步路径是如何的)。
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