Math Labs
Định lýĐã chứng minh

PageRank là phân phối dừng của người lướt web ngẫu nhiên

Phát biểu

Cho JJ là ma trận toàn số 1 kích thước N×NN\times N (NN = số trang web) và PP là ma trận liên kết ngẫu nhiên theo hàng (trang ii liên kết đều tới mỗi trang nó trỏ tới; trang không có liên kết ra được gửi đều tới mọi trang). Với mọi hệ số giảm chấn d∈(0,1)d\in(0,1), ma trận Google G=dP+(1−d)1NJG=dP+(1-d)\tfrac1N J là ma trận chuyển của một xích Markov bất khả quy, không tuần hoàn, nên theo định lý cơ bản ở trên nó có duy nhất một phân phối dừng π\pi với π=π(dP+(1−d)1NJ)\pi=\pi\Big(dP+(1-d)\tfrac1N J\Big) — π\pi này chính là vectơ PageRank, và thuật toán lặp lũy thừa πk+1=πkG\pi_{k+1}=\pi_k G hội tụ về nó từ bất kỳ phỏng đoán xuất phát nào.

Vì sao đúng?

Điều này biến ý tưởng mơ hồ "trang quan trọng được liên kết bởi các trang quan trọng khác" thành một bài toán điểm bất động rõ ràng với nghiệm duy nhất được đảm bảo, và giải thích tại sao việc đơn giản lặp lại "lan tỏa thứ hạng dọc theo liên kết" (lặp lũy thừa) được đảm bảo hoạt động thay vì dao động hay phân kỳ.

Phác thảo chứng minh

Bất khả quy. Vì 1−d>01-d>0, mọi phần tử của GG đều dương ngặt (Gij≥(1−d)/N>0G_{ij}\ge(1-d)/N>0), nên từ bất kỳ trang nào cũng có một bước nhảy trực tiếp với xác suất dương tới bất kỳ trang khác — đồ thị nền tảng liên thông mạnh một cách tầm thường, do đó GG bất khả quy.

Không tuần hoàn. Một xích mà mọi trạng thái đều có thể đi trực tiếp tới mọi trạng thái (kể cả chính nó, vì Gii>0G_{ii}>0 cũng vậy) có sẵn thời gian quay lại ở mọi độ dài 1,2,3,…1,2,3,\dots, mà ước chung lớn nhất của chúng là 1; nên GG không tuần hoàn.

Tồn tại, duy nhất, hội tụ. GG ngẫu nhiên theo hàng theo cách xây dựng (tổ hợp lồi dP+(1−d)1NJdP+(1-d)\tfrac1N J của hai ma trận ngẫu nhiên theo hàng PP và J/NJ/N là ngẫu nhiên theo hàng), và nó bất khả quy, không tuần hoàn như vừa chỉ ra, nên định lý cơ bản của xích Markov hữu hạn áp dụng trực tiếp: tồn tại duy nhất π\pi dừng với π=π(dP+(1−d)1NJ)\pi=\pi\Big(dP+(1-d)\tfrac1N J\Big), và GnG^n hội tụ theo từng phần tử về một ma trận có mọi hàng bằng π\pi.

Lặp lũy thừa. Vì πk=π0Gk\pi_k=\pi_0G^k với mọi phân phối xuất phát π0\pi_0, và mọi hàng của GkG^k hội tụ về π\pi khi k→∞k\to\infty, trung bình có trọng số π0Gk\pi_0G^k cũng hội tụ về π\pi — đây chính xác là lý do việc lặp lại πk+1=πkG\pi_{k+1}=\pi_k G từ một thứ hạng xuất phát tùy ý (thường là phân phối đều) hội tụ về vectơ PageRank thật.

Chủ đề chứa định lý này

Chứng minh từng bước

Chưa có chứng minh từng bước cho định lý này.

Tài liệu tham khảo

  1. David A. Levin, Yuval Peres, Elizabeth L. Wilmer (2017). Markov Chains and Mixing Times
  2. Sergey Brin, Lawrence Page (1998). The Anatomy of a Large-Scale Hypertextual Web Search Engine
  3. James R. Norris (1997). Markov Chains