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定理Theorem

更新计数的中心极限定理

Renewal central limit theorem

把部分和的正态涨落反演为更新计数涨落,得到方差尺度 σ²t/μ³。

形式陈述 ​

平均周期决定长期更新率,周期波动又怎样决定固定时间内更新次数的误差?设更新过程的正间隔 Xn 独立同分布,EXn=μ∈(0,∞),其方差 Var(Xn)=σ2∈(0,∞)。则

N(t)−t/μσ2t/μ3→t→∞dN(0,1).

这里是依分布收敛,不要求间隔非格点。中心化使用 t/μ;单凭此结论,不能未经矩的一致可积性检查就推出方差之比收敛。

直觉

在 n≈t/μ 个周期附近,总耗时的波动约为 σt/μ。把“多花的时间”换成“少完成的周期数”,还要除以每周期平均时间 μ,所以计数的标准差尺度是 σt/μ3/2。平方以后出现 μ3,不是把部分和方差简单除以 μ。

通过分布函数反演 ​

令 at=σt/μ3/2,并取整数 kt=⌊t/μ+xat⌋。逐条路径有

P(N(t)≤kt)=P(Skt+1>t).

当 t→∞,kt+1∼t/μ,且

t−(kt+1)μσkt+1⟶−x.

对确定整数索引 kt+1 使用IID 中心极限定理,右侧趋于 1−Φ(−x)=Φ(x)。正态分布连续,所以严格或非严格端点不会影响极限。这条证明避免了直接把一个随机索引塞进 CLT 所需的额外论证。

例子与边界

设 X 等概率取 1 或 3,则 μ=2、σ2=1。计数中心为 t/2,标准差尺度为 t/8。若把运行时间扩大四倍,平均完成数扩大四倍,绝对波动尺度只扩大两倍;相对波动因此减半。

可以在同一平均间隔下比较规律程度。固定间隔 X≡2 给出 N(t)=⌊t/2⌋,与 t/2 的误差始终小于 1;指数间隔均值为 2 时方差为 4,正态尺度则是 t/2。二者长期到达率完全相同,计数的稳定程度却不同。

固定间隔的 σ2=0 不满足本页的正方差标准化。可以另写 (N(t)−t/μ)/t→0,但不能除以零来套用标准正态公式。方差无穷时也不能使用该尺度;某些重尾间隔需要稳定分布及不同归一化。

CLT 控制以 t 为尺度的中央涨落,不保证稀有尾部的相对误差。例如要求更新次数比均值高出固定比例,是随 t 增大越走越远的尾部事件,可能需要大偏差分析。短时间下正态近似还会给负计数分配概率,提醒我们它是渐近近似而非精确分布。

推论与应用

统计更新率 N(t)/t 的自然误差尺度由公式变成 σ/(μ3/2t)。若 μ 和 σ 需从数据估计,还要把参数估计的相合性与所选观测方案说明清楚;按固定时间截断的最后一个间隔通常未完成,不能把它当成完整周期无条件纳入样本。

参考资料
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

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