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观点动力学模型:DeGroot模型

龚铭
2023-12-01

DeGroot模型

DeGroot 在 1974 年提出了一个观点动态模型,并指出在一个群组内的 k 个用户在 某个未知参数上的主观概率分布可以达成一致。

模型描述

模型描述如下:有一个包含 k 个用户的社交网络小组,每个人都将基于自己不同的 背景和不同等级的专业知识对某个未知参数θ的持不同的主观意见。假定这 k 个用户在 观测到其他用户的对参数的主观意见分布之后,会汇集他们的意见,并对意见进行加权 组合,更新自身对于参数θ的主观意见分布。小组中的用户均以同样的方式循环往复地 更新自己对于参数θ的主观意见,直到所有用户的意见达成一致。

模型推导

将小组用户i 对参数θ的主观意见记作 F i , i ∈ 1 , 2 , … , k F_i,i \in {1,2,…,k} Fi,i1,2,,k,则小组中所有用户的主观 意见为一个列向量 F = [ F 1 , F 2 , … , F k ] T F = [F_1,F_2,…,F_k]^T F=[F1,F2,,Fk]T。记 p i j ( i = 1 , … , k ; j = 1 , … , k ) p_{ij}(i=1,…,k; j = 1,…,k) pij(i=1,,k;j=1,,k)为用户i 在更新意见过程中对用户 j 的信任权重,假定用户i 对小组成员(包括自己)的信任权重总和为 1,那 么有 ∑ j = 1 k p i j = 1 , 0 ≤ p i j ≤ 1 \sum_{j=1}^k p_{ij} = 1, 0\leq p_{ij} \leq 1 j=1kpij=1,0pij1。将用户的初始意见记作 F i ( 0 ) F_i^{(0)} Fi(0) ,则当用户i 进行第一次意见更新的时候,其主观意见会由 F i ( 0 ) F_i^{(0)} Fi(0) 转向 F i ( 1 ) = ∑ j = 1 k p i j F j ( 0 ) F_i^{(1)}=\sum_{j=1}^kp_{ij}F_j^{(0)} Fi(1)=j=1kpijFj(0) 。将小组用户的信任因子 p i j ( i = 1 , … , k ; j = 1 , … , k ) p_{ij}(i=1,…,k;j=1,…,k) pij(i=1,,k;j=1,,k)写成一个随机矩阵 P ∈ R k × k P\in R^{k\times k} PRk×k,其 第 i 行 j 列元素即为 p i j p_{ij} pij,且行和为 1。于是小组用户由初始意见 F i ( 0 ) F_i^{(0)} Fi(0)转向下一阶段的过程写作矩阵表达式为:
F ( 1 ) = P F ( 0 ) , ∑ j = 1 k p i j = 1 , 0 < p i j < 1 F^{(1)} = PF^{(0)},\sum_{j=1}^k p_{ij} = 1,0<p_{ij}<1 F(1)=PF(0),j=1kpij=1,0<pij<1
小组用户循环往复进行 n 次意见更新的过程可以被写作:
F ( n ) = P F ( n − 1 ) = P 2 F ( n − 2 ) … = P n F ( 0 ) , n = 1 , 2 , … , ∞ F^{(n)} = PF^{(n-1)}=P^2F^{(n-2)}… = P^nF^{(0)}, n=1,2,…,\infty F(n)=PF(n1)=P2F(n2)=PnF(0),n=1,2,,
可以看出当且仅当存在一个数 F ∗ F^* F使得 lim ⁡ F i ( n ) = F ∗ , i = 1 , 2 , … , k \lim F_i^{(n)} = F^*,i=1,2,…,k limFi(n)=F,i=1,2,,k时,即小组中每个用户对于参数θ的意见完全相同时,则代表小组用户达到了共识。由 于矩阵 P 是一个 k × k k\times k k×k的行和为 1 的随机矩阵,可以将其看作包含 k 个状态的马尔科夫链的一步状态转移矩阵。若记该马尔科夫链的平稳分布为 Π = [ Π 1 , … , Π i , … , Π k ] \Pi = [\Pi_1,…,\Pi_i,…,\Pi_k] Π=[Π1,,Πi,,Πk]则当小组用户达到共识时,
F ∗ = lim ⁡ F i ( n ) = Π 1 F i ( 0 ) + Π 2 F 2 ( 0 ) + … + Π k F k ( 0 ) = Π F ( 0 ) F^*= \lim F_i^{(n)} = \Pi_1F_i^{(0)}+\Pi_2F_2^{(0)}+…+\Pi_kF_k^{(0)} = \Pi F^{(0)} F=limFi(n)=Π1Fi(0)+Π2F2(0)++ΠkFk(0)=ΠF(0)
因此 DeGroot 指出小组用户对参数θ达到共识的充分条件是该马尔科夫链是不可约且非周期的。

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