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模型Model

生灭过程

Birth-death process

把只发生相邻增减的连续时间链化为逐边平衡,并单独检查稳态级数是否可归一化。

形式陈述 ​

系统人数每次只增加或减少一人时,生成矩阵有什么结构,又怎样判断是否存在稳态概率?

生灭过程是状态空间 N0 上的连续时间 Markov 链,非零的非对角速率仅有

qn,n+1=λn,qn,n−1=μn (n≥1),μ0=0,qnn=−(λn+μn).

“出生”“死亡”只表示状态加一、减一,可以是顾客到达与服务完成,不一定是生物事件。定义允许速率为零;下面关于唯一平稳概率的判据则假设 λn>0(n≥0)、μn>0(n≥1),每个状态的速率有限,而且构造非爆炸。

令 w0=1,

wn=∏k=0n−1λkμk+1(n≥1).

当 Z=∑n≥0wn<∞ 时,πn=wn/Z 是平稳概率,满足逐边平衡 πnλn=πn+1μn+1。对于上述不可约非爆炸生灭链,平稳概率存在当且仅当这个级数有限。

直觉

把状态轴在 n 与 n+1 之间剪开。稳态时左侧集合的总概率不能持续增加或减少,所以穿过唯一边界的两个方向流量必须相等。这使一般的“总流入等于总流出”简化为一条边一条边的递推。

从零态平衡得 π0λ0=π1μ1;递推便得到 πn=π0wn。局部方程只决定相对权重,归一化还要有有限的总质量。如果总和发散,写出一串正权重并不等于找到了概率分布。

反方向也不能只凭符号 πQ=0 跳过过程条件。这里可利用逐边速率对称:对固定时长 t 内的一条有限跳转路径,乘上初态权重 πi 后,其停留时间密度和跳转速率乘积与反向路径相同。速率因子由 πnλn=πn+1μn+1 逐边相消,指数停留因子只把同一状态的停留段反序。对全部有限跳转路径积分,非爆炸保证这些路径承载全部概率,因此

πiPij(t)=πjPji(t).

这是每个固定 t 的离散转移核 P(t) 所满足的细致平衡;对 i 求和即得 πP(t)=π。所以在已声明的非爆炸条件下,可归一化权重确实给出平稳过程,而不只是形式解。

例子与边界

设外部按速率 λ>0 的 Poisson 过程加入,每个现有个体独立以速率 μ>0 离开,所有离开时钟也与到达过程独立。人数为 n 时总离开速率为 nμ,因此 λn=λ、μn=nμ。这时

wn=(λ/μ)nn!,Z=eλ/μ,πn=e−λ/μ(λ/μ)nn!.

稳态是 Poisson 分布,均值 λ/μ。尽管出发速率随 n 无界,链仍不爆炸:有限时间内外部到达数有限,离开次数不超过初始人数加到达人数。无界速率只意味着不能直接使用有限共同速率的均匀化,并不自动意味着爆炸。

若改为只有一个服务者,忙时总离开速率为固定 μ,则 wn=(λ/μ)n。级数只有在 λ<μ 时收敛,得到M/M/1 队列的几何稳态。这两个模型只改动了死亡率的含义,拥堵行为却完全不同。

若有容量上限 K,应令 λK=0 并把状态空间限制为 0,…,K,归一化总和自动有限。但外部尝试到达率与被接纳的有效到达率不再相同,计算吞吐量或 Little 定律时必须使用同一个系统边界。

当 Z=∞,只能推出没有可归一化的平稳概率,不能仅凭这一点区分零常返与暂留。正速率、不可约与非爆炸是不同的条件,也不应被一个“稳定”词汇代替。

推论与应用

相邻结构使稳态计算变成乘积与求和,适合单服务台、多服务台、有限容量和人口模型。服务时间不是指数时,仅人数一般不再满足 Markov 性;若仍想分析等候时间,应转向Lindley 递推,而不是强行调整本页某个常数速率。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 3 类关系

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