形式陈述
一台设备每次更换后重新开始使用。若每件新设备的寿命独立且服从同一分布,怎样同时记录“第几次更换发生在何时”和“到现在换了几次”?
设 为独立同分布公理库独立同分布样本IID sample · Independent and identically distributed sample以乘积分布描述来自同一总体的独立重复观测。的正随机变量,,分布函数为 。定义到达时刻和计数过程
称为普通更新过程。约定零时刻是开始使用的时刻,不把它计入 ;发生在 的更新则计入。由于存在 使 ,对独立事件 使用第二 Borel–Cantelli 引理公理库Borel–Cantelli 引理Borel–Cantelli lemmas由事件概率级数的收敛或在独立条件下的发散判断无限多事件发生概率。,这样的间隔几乎必然出现无穷多次,故 几乎必然,有限时间内的计数不会无穷大。定义本身不要求 有限; 的整族坐标构成一个随机过程公理库随机过程Stochastic process · Random process由同一随机实验产生、按时间或空间指标组织的一族随机变量。。
最重要的接口是逐条路径成立的反演关系
前者把计数的概率变成部分和的概率;后者把长期计数问题变成随机索引下的部分和问题。若 ,并令 对 ,则 。
直觉
每次更新后,下一段寿命与过去无关,系统在到达时刻重启。但是在任意观察时刻,当前设备已经使用的年龄通常会影响剩余寿命。因此“周期之间独立”不等于“任意两个时间窗中的计数独立”。
竖线标出到达时刻,阶梯高度记录已完成周期数;观察时刻落在第三个周期内。 图中的一条示意路径只用于阅读定义,不代表任何总体平均。观察时刻 落在 与 之间,所以 ;即使已经消耗第三个周期的大部分时间,它仍未完成。
例子与边界
令各间隔独立地以概率 取 或 。在时刻 ,第一次更新必已发生,第二次更新只在 时发生。因此
虽然平均间隔为 , 并不等于 。把时间除以平均周期是长期近似,不是任意有限时间的精确计算。
这个例子还直接否定独立增量。若第一个单位时间没有更新,便知 ,所以第二个单位时间必有更新;若第一个单位时间有更新,第二个单位时间是否更新则由 决定,概率为 。过去计数改变了下一窗计数的条件分布。
若所有 ,得到确定周期计数 ,它仍是更新过程。若各 独立但分布逐次变化,普通更新结构已失效;若只有第一段服从不同分布,则称延迟更新过程,可将第一次到达之后作为普通更新过程处理。
推论与应用
对所有可能的更新序号求和,得到更新函数 。更新方程公理库更新方程Renewal equation按第一次更新分解,利用更新测度求解卷积型递推方程。进一步按第一次更新分解它。更新计数的大数定律公理库更新计数的大数定律Renewal strong law通过到达部分和的路径反演,证明长期单位时间更新数趋于平均间隔的倒数。研究 ,而非把上述级数逐项近似。
只有在指数间隔这一特殊情形,剩余等待不受已等待时间影响,并产生Poisson 过程公理库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。的独立平稳增量。一般寿命、检修周期和到达间隔可以使用更新模型,但使用前必须检查更换是否真的恢复同分布,以及连续周期是否存在共同环境造成的相关性。
参考资料