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模型Model

连续时间 Markov 链

Continuous-time Markov chain · CTMC

以指数停留时间和跳转概率构造连续时间链,并将局部速率与非爆炸条件分开。

形式陈述 ​

连续时间里,“下一步”发生在随机时刻。要用当前状态预测未来,必须同时指定在此状态停多久,以及离开后去哪里。

本页先讨论非空有限或可数状态空间 S(配备全体子集)上的非爆炸齐次纯跳随机过程 X(t),路径右连续,在有限时间内只有有限次实际跳变。令 Ft=σ(X(s):0≤s≤t)。指定一族转移概率核 P(h),Markov 性写成

E[1{X(t+h)=j}∣Ft]=PX(t),j(h)几乎处处,t,h≥0.

左侧是关于完整历史的条件期望。在 Pr(X(t)=i)>0 时,Pij(h) 才能同时写成初等的 Pr(X(t+h)=j∣X(t)=i);从未访问状态的行仍由模型指定。对每个初始状态使用同一转移族时,它满足 P(0)=I 和 P(s+t)=P(s)P(t)。

本页选择稳定、保守的速率数组 Q:对 j≠i 有

qij=limh↓0Pij(h)h≥0,qi=∑j≠iqij<∞,qii=−qi=limh↓0Pii(h)−1h.

有限状态时这是通常的生成矩阵;可数无限时,乘法中的求和须按可数级数理解。若 qi>0,每次进入 i 后,停留时间服从速率 qi 的指数分布,目的地按 qij/qi 选择,二者在给定进入状态后相互独立并与此前历史独立。若 qi=0,则一直停留在吸收态 i,不使用 Exp(0) 或除以 qi 的公式。

反过来,给定每行有限且和为零的 Q,可以按上述规则逐次生成停留与跳转;但这只先构造到跳时刻的极限 ζ 为止。“保守”仅指速率行和为零,不自动保证 ζ=∞。若 ζ<∞,可在此后送入额外墓地态;限制回原空间 S 的转移数组这时可能只有次概率行和。只有验证非爆炸,才得到前面在 S 上始终取值的链。有限状态下非爆炸自动成立;可数状态下 supiqi<∞ 是一个充分条件。

直觉

qij 是“每单位时间向 j 跳变的局部强度”,不是一步转移概率;它可以大于一。短时间 h 内,转移概率才近似为 qijh。指数停留时间保证已经停留的时长不会继续影响未来,否则仅记录当前状态就丢失了必要信息。

在 qi>0 的状态,实际跳变时刻所见的嵌入离散链,其非自环转移概率为 qij/qi;到达吸收态后实际跳转序列终止。它记录访问次序,却没有记录停留长短,因此其平稳访问频率一般不等于连续时间的占用比例。

例子与边界

设备有工作态 U 和维修态 D,故障速率为 α>0,维修完成速率为 β>0,单位均为每小时。生成矩阵为

Q=(−ααβ−β).

一次工作期平均长 1/α 小时,维修期平均长 1/β 小时。每次实际跳变必在两态之间交替,所以嵌入链访问频率各为 1/2;时间占用却为

πU=1/α1/α+1/β=βα+β,πD=αα+β.

当维修比故障发生得快,设备自然在工作态停留得更多。只看跳转次数会看不见这一点。

可数状态的纯生链给出爆炸反例:从 n 只向 n+1 跳,速率 2n。从 0 出发,各段独立指数停留时间 Hn 的非负期望求和给出 ∑n2−n<∞,故总停留时间几乎必然有限。每个状态的出发速率都有限、每行和都为零,仍不够阻止爆炸。

若维修时长固定为 b,设备的工作/维修二状态过程通常不是 CTMC:已维修 b−ε 的设备与刚开始维修的设备,未来 ε 内完成的概率不同。可以把维修年龄纳入状态,但这已超出本页离散状态纯跳模型。

推论与应用

Kolmogorov 方程由局部速率计算任意时长的转移概率;当所有出发速率有一个有限共同上界时,均匀化用 Poisson 候选时钟与离散转移精确实现同一过程律;其有限状态计算分支另以 Poisson 尾控制分布近似误差。没有共同速率上界时,不在这个实现的适用范围内。只允许相邻状态变化时得到生灭过程,是基础排队模型的结构来源。

参考资料
关系图谱21 个相邻概念 · 4 类关系

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