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定理Theorem

更新报酬定理

Renewal reward theorem

把长期收益拆成每周期平均收益与单位时间周期数,允许周期长度和收益相关。

形式陈述 ​

若一次设备周期越长,产出的收益也越大,能否仍用一个比值计算长期收益率?可以,但必须取“收益的期望除以长度的期望”。

设 (Xn,Yn) 为独立同分布的随机向量,Xn>0 是周期长度,Yn 是本周期结算收益,且 0<μ=EX1<∞、E|Y1|<∞。周期内的 Xn 与 Yn 可以相关。记更新计数 N(t) 为完成周期数,并定义已结算收益

R(t)=∑n=1N(t)Yn.

更新报酬定理给出几乎必然收敛

R(t)t⟶EY1EX1几乎必然.

若收益是在周期内逐渐累积,令 Hn(u) 表示第 n 个周期从开始到年龄 u≤Xn 的收益,Hn(Xn)=Yn。一个足够的补充条件是各周期完整记录独立同分布,且 Mn=sup0≤u≤Xn|Hn(u)| 是可测随机变量并满足 EM1<∞。它确保未结算周期的贡献除以 t 消失;只检查最终 Yn 的可积性,不能控制周期内正负抵消前的大幅波动。

直觉

长时间收益有两个因子:每个完成周期平均赚多少,以及单位时间能完成多少周期。一个周期同时决定耗时与收益并不妨碍两个平均各自收敛,真正需要的是不同周期之间能够重新开始。

证明把这两个因子直接分开:

R(t)t=(1N(t)∑n=1N(t)Yn)N(t)t.

强大数定律使第一项趋于 EY1,更新计数大数定律使第二项趋于 1/μ。两项之间无需独立,因为两条几乎必然收敛可放在同一个概率为一的事件上相乘。

对连续累积收益,周期记录 IID 使 Mn 同分布。对每个 ε>0,非负尾和满足

∑n≥1P(Mn>εn)=∑n≥1P(M1>εn)≤EM1ε<∞.

第一 Borel–Cantelli 引理排除无限多次超界,再对 ε=1,1/2,… 取共同概率一事件,得到 Mn/n→0 几乎必然。结合 N(t)/t→1/μ,当前周期的绝对贡献至多 MN(t)+1=o(t),补上了从周期结算到实际时间收益的一步。

例子与边界

设备每周期先工作 An 再维修 Bn。以“正常工作的时间”为收益,即 Xn=An+Bn、Yn=An,便有长期可用率

limt→∞1t∫0t1{工作}(s)ds=EAEA+EB.

这里未完成周期的收益不超过周期长度,故有限 E(A+B) 足以控制边界。如果每次维修成本为 c,每单位工作时间收入为 r,周期净收益改成 rAn−c,长期净收益率为 (rEA−c)/(EA+EB)。公式已经把停机占用的时间计入分母。

取等概率的两种周期 (X,Y)=(1,1) 与 (3,0)。周期抽样下的平均收益率是 E(Y/X)=1/2;时间平均却是 EY/EX=(1/2)/2=1/4。零收益的长周期占据了更多实际时间,不能与短周期各占一半来平均速率。

若所有周期长度都为 2,且前一单位工作、后一单位维修,则长期可用率仍为 1/2。但固定时刻的工作概率在 0 与 1 之间振荡。报酬定理不需要非格点条件,因为它对时间作了平均,并未保证每个远处时刻的边缘概率收敛。

推论与应用

把周期收益取成一次访问某状态所累计的停留时间,可以构造再生过程的长期占用分布。把收益取成剩余寿命曲线下的面积,则得到检查悖论中的二阶矩公式。这两种应用都依靠同一个比值,但要分别核验收益的可积性。

参考资料
关系图谱21 个相邻概念 · 2 类关系

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