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模型Model

Poisson 过程

Poisson process · 泊松过程

以独立平稳的 Poisson 增量描述连续时间到达,并与独立指数间隔相互转换。

形式陈述 ​

一个窗口内的计数服从 Poisson 分布,并不能决定相邻窗口如何关联。Poisson 过程需要哪些过程级条件?

速率 λ>0 的齐次 Poisson 过程是右连续的计数型随机过程 N(t),满足 N(0)=0,不交时间区间的增量相互独立,且

N(t)−N(s)∼Pois(λ(t−s)),0≤s<t.

其中 λ 的单位是“每单位时间的次数”,λ(t−s) 才是Poisson 分布的无量纲参数。该过程几乎必然每次只跳一格,有限区间内只有有限个跳点。

等价构造是取独立同分布的指数间隔 Xn∼Exp(λ),令 S0=0、Sn=∑k=1nXk,再取 N(t)=max{n≥0:Sn≤t}。因此它是更新过程的特殊情形,但更新过程的一般间隔不产生独立增量。它也是连续时间 Markov 链的纯生特例:从 n 以速率 λ 转到 n+1,没有向下跳变;独立未来增量保证给定当前计数后无需更早历史。

直觉

极短时间 h 内,一次到达的概率是 λh+o(h),两次及以上是 o(h)。加上不交区间独立,意味着把时间切得更细不会改变模型:每段都有同样的单位时间机会,没有隐含的班次相位或共同高峰环境。

指数间隔与计数的对应可以从零次事件看出:P(X1>t)=P(N(t)=0)=e−λt。反方向从独立指数间隔出发,任意确定时刻 t 所在间隔的剩余部分仍为新指数时间,并独立于已观察到的历史;这由指数无记忆性与后续间隔独立性得到。因而每次从确定时刻重新观察,未来计数与历史独立且规律相同。对 n≥1,累积间隔 Sn 的密度为 λnsn−1e−λs/(n−1)!;与下一段在 t−s 内不结束的概率相乘并积分,得到

Pr(N(t)=n)=∫0tλnsn−1(n−1)!e−λtds=e−λt(λt)nn!.

n=0 则直接由首段生存函数给出。这验证了构造具有所定义的全部增量规律。反之,独立 Poisson 增量确定所有有限维分布;右连续计数路径由有理时刻的值确定,所以这两个描述给出同一过程律。

例子与边界

设两条独立输入流速率分别为 λ1、λ2。在任意长度 h 的窗口,两者计数相加的生成函数为

eλ1h(z−1)eλ2h(z−1)=e(λ1+λ2)h(z−1),

不同窗口的总计数也独立,因此合并流仍为速率 λ1+λ2 的 Poisson 过程。这不是只对一个窗口使用分布可加性,而是同时核验了整个过程的增量结构。

反过来,给速率 λ 的每次到达贴上标签,标签相互独立且与原过程独立,以概率 p∈(0,1) 分到第一类。长度 h 窗口两类计数的联合生成函数为

E[sN1zN2]=eλh(ps+(1−p)z−1)=epλh(s−1)e(1−p)λh(z−1).

这个因式分解也可逐项核对:对非负整数 k,l,

Pr(N1=k,N2=l)=e−λh(λh)k+l(k+l)!(k+lk)pk(1−p)l=[e−pλh(pλh)kk!][e−(1−p)λh((1−p)λh)ll!].

所以两类窗口计数独立;不交窗口的原计数及所用标签也独立,这进一步给出两个过程的独立性。其速率分别为 pλ 和 (1−p)λ。若 p=0 或 1,其中一路恒为空,可称为退化的零速率过程;它不需要定义参数为零的指数间隔。标签若根据最近的拥堵状态选择,就不再是这里的独立稀疏化。

对 T>0、整数 n≥1,给定 N(T)=n,到达时刻 (S1,…,Sn) 的联合分布等于 n 个独立 Unif(0,T) 样本排序后的分布。因此即使已知窗口内恰有两次到达,它们也不是固定落在三等分点;应在 0<s1<s2<T 的三角域上均匀,密度为 2/T2。

若一开始随机抽一个速率 Λ,之后按该速率运行,条件于 Λ 是 Poisson 过程,但不同窗口会共享 Λ 而相关。非齐次 Poisson 过程则保留独立增量,将参数换成 ∫stλ(u)du,但失去平稳增量。批量到达又需要复合计数模型,不能保留“一次只跳一格”的假设。

极端超越的 Poisson 点过程极限从独立重尾样本推导时间—高度平面中的稀有点模型:强度随高度变化,只有远离高度零的区域具有有限点数,因而比固定速率时间计数保留更多极端幅度信息。

推论与应用

Poisson 到达与指数服务使系统当前人数足以预测下一次变化,由此得到M/M/1 队列。它也可用作统一的候选跳变时钟,在均匀化算法中表示一般有界速率的连续时间链。真实输入是否满足独立、恒定速率和单个到达,应在使用这些模型以前检查。

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关系图谱16 个相邻概念 · 3 类关系

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