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定理Theorem

检查悖论与长度偏倚

Inspection paradox · Renewal length bias

随机时刻按长度偏倚抽取更新区间,剩余寿命的平均值由二阶矩决定。

形式陈述 ​

平均每隔 μ 时间来一班车,随机到站是否平均只等 μ/2?只有间隔固定时才恰好如此;波动会改变随机观察所处区间的分布。

设更新过程的间隔 X>0,EX=μ<∞,在平稳更新过程中观察零时刻。记所在区间长度为 L、已经过去的年龄为 A、剩余等待为 R。有

P(L∈dx)=xF(dx)μ,P(R>r)=E(X−r)+μ.

给定 L=x,观察位置均匀,故 E(R∣L=x)=x/2。由此

EL=EX2EX,ER=EA=EX22EX.

等式可以取值 +∞。只有 EX2<∞ 时,剩余等待的期望才有限。若方差有限,进一步写成

ER=μ2+Var(X)2μ.
直觉

把一个很长的观察窗口涂成相邻周期,再在窗口内均匀选时刻;平稳初始化直接给出相应的平衡抽样律。长度为 3 的周期被命中的机会是长度为 1 的周期的三倍,即使两种周期在班次列表中数量相同。所谓悖论,是把“在周期列表中均匀抽一项”误当成“在时间轴上均匀选一点”。

剩余寿命的报酬证明尤其直接。一个长度为 x 的周期内,剩余时间从 x 匀速降到零,曲线下面积为 x2/2。当 EX2<∞ 时,将周期面积当作收益,用更新报酬定理除以平均周期长度,即得 EX2/(2EX)。若二阶矩无限,不能把不可积报酬代入这个有限均值版本;从平衡尾概率直接用Tonelli 定理则有

ER=1μ∫0∞E(X−r)+dr=1μE∫0X(X−r)dr=EX22μ,

允许两端同为 +∞。二阶矩来自三角形面积,不是额外塞进公式的修正系数。

例子与边界

取独立间隔 1 或 3,各以概率 1/2 出现。这是用于隔离抽样机制的精确两点模型。按周期抽样,EX=2;按随机时间观察,长周期的概率为

P(L=3)=3(1/2)2=34,P(L=1)=14.

因此 EL=(1/4)⋅1+(3/4)⋅3=5/2,ER=5/4。若先平均每个普通周期的半长,则只得到 (1/2)EX=1,遗漏了长度偏倚。完整剩余尾概率还能写成

P(R>r)=(1−r)++(3−r)+4,

例如取 r=2,随机观察的剩余等待超过 2 的概率为 1/4,普通周期长度超过 2 的概率却为 1/2。前者还要计入观察者已经走过周期的一部分。

“平均剩余等待总比平均间隔大”并不成立。正确比较是 ER≥μ/2;在二阶矩有限时,ER>μ 等价于 Var(X)>μ2;二阶矩无限时则直接有 ER=∞。指数间隔的方差正好是 μ2,所以 ER=μ;固定间隔则 ER=μ/2。

若尾概率 P(X>x)=(1+x)−α,其中 1<α≤2,则 EX=1/(α−1) 有限而 EX2=∞。系统仍有正的长期到达率,但随机观察者的平均剩余等待无穷。这不是矛盾:极长而罕见的间隔在时间抽样下被放大。

推论与应用

对从更新点启动的普通过程,上述公式可作为长时间随机观察的极限;要用单个确定时刻 t→∞ 的分布极限,还需处理非格点条件。该区分对班车、维修周期和服务剩余时间同样重要。排队中的等待不仅取决于平均服务时长,还会受这个二阶矩效应影响,具体见M/G/1 平均等待公式。

参考资料
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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