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模型Model

更新过程

Renewal process

用独立同分布的正间隔构造到达时刻,再由到达时刻反演更新次数。

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 X1,X2,… 为独立同分布的正随机变量,P(X1>0)=1,分布函数为 F。定义到达时刻和计数过程

S0=0,Sn=∑k=1nXk,N(t)=max{n≥0:Sn≤t},t≥0.

N 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 N;发生在 t 的更新则计入。由于存在 ε>0 使 P(X1≥ε)>0,对独立事件 {Xn≥ε} 使用第二 Borel–Cantelli 引理,这样的间隔几乎必然出现无穷多次,故 Sn→∞ 几乎必然,有限时间内的计数不会无穷大。定义本身不要求 EX1 有限;N(t) 的整族坐标构成一个随机过程。

最重要的接口是逐条路径成立的反演关系

{N(t)≥n}={Sn≤t},SN(t)≤t<SN(t)+1.

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 F∗n(t)=P(Sn≤t),并令 F∗0(t)=1 对 t≥0,则 P(N(t)=n)=F∗n(t)−F∗(n+1)(t)。

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 t 落在 S2 与 S3 之间,所以 N(t)=2;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 1/2 取 1 或 2。在时刻 t=2,第一次更新必已发生,第二次更新只在 X1=X2=1 时发生。因此

P(N(2)=2)=14,P(N(2)=1)=34,EN(2)=54.

虽然平均间隔为 3/2,2/(3/2)=4/3 并不等于 EN(2)。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 X1=2,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 X2 决定,概率为 1/2。过去计数改变了下一窗计数的条件分布。

若所有 Xn≡c,得到确定周期计数 ⌊t/c⌋,它仍是更新过程。若各 Xn 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 m(t)=EN(t)=∑n≥1F∗n(t)。更新方程进一步按第一次更新分解它。更新计数的大数定律研究 N(t)/t,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
关系图谱21 个相邻概念 · 3 类关系

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