形式陈述
若零时刻恰好是一次更新,便已经给起点赋予特殊身份。怎样使随机观察者看不出时间原点放在哪里?
设更新间隔公理库更新过程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。分布为 ,其平均间隔公理库期望Expectation · Expected value实值或复值随机变量关于概率测度的 Lebesgue 积分,概括加权平均与总体质量平衡。 。平衡剩余寿命分布为
先取 ,再在 之后接上独立的 间隔,得到平衡延迟更新过程。它的点过程在半轴上具有平稳的窗口规律;计数 具有平稳增量,且 。累计计数本身不是平稳过程,因为其均值随 增长。
若要在整条实线上构造平移不变的更新点集,可先抽跨过零时刻的周期长度 ,其分布满足
给定 ,在这个周期内均匀选择原点,即年龄 ,剩余寿命为 ;向左右两端再分别接上独立的 间隔。左右外侧的间隔与 独立。
直觉
随机选周期和随机选时刻不是同一种抽样。较长的周期能容纳更多观察时刻,所以跨零周期必须按长度加权;选到它以后,原点在周期内没有偏爱的位置,因此再均匀选择相位。
这个构造给出可直接核验的联合尾概率:
对长度 的周期,能同时离左端超过 、离右端超过 的位置长度为 ;先按长度偏倚再除以 作均匀抽样,两因子正好抵消。令 就得到 ,从而得到 。
直接核验平移不变性
先在零处放一个更新点,向两侧接上双向 IID 的 间隔,得到点集 ,其中 、。记 ,即把时间原点移到 。点集按有界 Borel 集的计数所生成的 -代数观察;下面只使用平移与计数可测的局部有限点集。
长度偏倚再均匀选相位,恰好把任意有界可测观测 的期望写成
这不是直接调用独立周期的报酬定理: 可以观察多个相邻周期,周期报酬未必独立。这里改用双向 IID 间隔在重新编号下不变,即 与 同分布。对 ,两份期望之差乘以 为
第一项令 ,便由上述同分布性与Fubini 定理公理库Fubini 定理Fubini's theorem在适当可积条件下,多重积分等于任意次序的迭代积分。等于第二项。有界性及 保证各积分可积。故正向平移保持分布,利用平移可逆也得到负向平移,证明整条实线上的平稳性。
同一个构造还能核验强度。对 ,用Tonelli 定理公理库Tonelli 定理Tonelli's theorem非负可测函数的二重积分与两种迭代积分相等,允许共同取无穷。逐个更新点求和,并将每一项的原点移到该点,有
第二个等号在每个求和项内使用同一双向 IID 重新编号;最后这些相邻区间把实线分割,所以指标和为一。由此得到 ,而不把几乎必然的更新率直接换成期望极限。
例子与边界
固定间隔 时,平稳点集为 ,其中 。点与点仍相距 ,随机的只是相位。于是 与 都均匀分布在 ,却满足 ,完全不独立。
若间隔指数分布,,则 。此时随机时刻的剩余等待与刚更新后的等待同分布,是无记忆性的特殊结果。一般情形 ,不能把第一段也照普通间隔分布抽取。
若 ,普通周期中两种长度各占一半,跨零周期却以概率 为短周期、 为长周期。接着在选中周期内均匀放置原点。只把原点放在普通抽取周期的均匀位置而不作长度偏倚,会得到错误的平衡律。
有限均值不可省略:若 , 和上述平衡剩余分布不能归一化为概率。平稳初始化也不等于独立增量;固定间隔加随机相位已是一个反例。
推论与应用
普通更新过程在非格点条件下,远处的年龄与剩余寿命可以趋向这里的平衡律;这是一个收敛定理。按本页构造启动,则从一开始就在平衡态,两件事不要混用。随机观察的平均等待是否有限,以及为何常比 大,由检查悖论与长度偏倚公理库检查悖论与长度偏倚Inspection paradox · Renewal length bias随机时刻按长度偏倚抽取更新区间,剩余寿命的平均值由二阶矩决定。进一步计算。
参考资料