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模型Model

平稳更新过程

Stationary renewal process · Equilibrium renewal process

以长度偏倚的跨零周期和均匀相位构造平稳更新点过程,并区分点过程平稳与累计计数平稳。

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?

设更新间隔分布为 F,其平均间隔 μ=EX∈(0,∞)。平衡剩余寿命分布为

Fe(x)=1μ∫0xP(X>u)du,x≥0.

先取 R0∼Fe,再在 R0 之后接上独立的 F 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 Ne(t) 具有平稳增量,且 ENe(t)=t/μ。累计计数本身不是平稳过程,因为其均值随 t 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 L,其分布满足

P(L∈dx)=xμF(dx).

给定 L=x,在这个周期内均匀选择原点,即年龄 A∣L=x∼Unif(0,x),剩余寿命为 R=x−A;向左右两端再分别接上独立的 F 间隔。左右外侧的间隔与 (L,A) 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:

P(A>a,R>b)=E(X−a−b)+μ,a,b≥0.

对长度 x 的周期,能同时离左端超过 a、离右端超过 b 的位置长度为 (x−a−b)+;先按长度偏倚再除以 x 作均匀抽样,两因子正好抵消。令 a=0 就得到 P(R>b)=μ−1∫b∞P(X>u)du,从而得到 Fe。

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 F 间隔,得到点集 ξ0={Sj:j∈Z},其中 S0=0、S1=X1。记 θuξ={x−u:x∈ξ},即把时间原点移到 u。点集按有界 Borel 集的计数所生成的 σ-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 Φ 的期望写成

EΦ(ξ)=1μE∫0X1Φ(θuξ0)du.

这不是直接调用独立周期的报酬定理:Φ 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 θX1ξ0 与 ξ0 同分布。对 h>0,两份期望之差乘以 μ 为

E[∫X1X1+hΦ(θuξ0)du−∫0hΦ(θuξ0)du]=0.

第一项令 u=X1+v,便由上述同分布性与Fubini 定理等于第二项。有界性及 EX1<∞ 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 t>0,用Tonelli 定理逐个更新点求和,并将每一项的原点移到该点,有

μEξ((0,t])=E∫0X1∑j∈Z1{u<Sj≤u+t}du=E∫−t0∑j∈Z1{S−j≤v<S1−j}dv=t.

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 ENe(t)=t/μ,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 X≡c 时,平稳点集为 {kc−U:k∈Z},其中 U∼Unif(0,c)。点与点仍相距 c,随机的只是相位。于是 A 与 R 都均匀分布在 (0,c),却满足 A+R=c,完全不独立。

若间隔指数分布,P(X>u)=e−λu,则 Fe(x)=1−e−λx=F(x)。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 Fe≠F,不能把第一段也照普通间隔分布抽取。

若 P(X=1)=P(X=3)=1/2,普通周期中两种长度各占一半,跨零周期却以概率 1/4 为短周期、3/4 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 EX=∞,xF(dx)/μ 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 EX/2 大,由检查悖论与长度偏倚进一步计算。

参考资料
关系图谱15 个相邻概念 · 2 类关系

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