理论教育 生灭过程的统计平衡及稳态概率

生灭过程的统计平衡及稳态概率

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:,m}的生灭过程,或对I={0,1,2,…}时,我们称Pj(j∈I)为生灭过程在统计平衡时的概率,或称稳态概率.定理9-3告诉我们,对于满足定理条件的生灭过程,当过程运行了很长时间后,初始状态的影响将消失,过程的状态的概率分布Pj(j∈I)与时间无关.在实际应用中,过程不可能等到t→∞.事实上,对于绝大多数实际问题,过程很快会趋于统计平衡.

生灭过程的统计平衡及稳态概率

现在我们介绍马尔柯夫过程的另一特例——生灭过程.

设有一堆细菌,每个细菌在Δt时间内分裂成两个细菌的概率为λΔt+o(Δt);而在Δt时间内死亡的概率为μΔt+o(Δt),各个细菌在任一段时间内分裂或死亡都是相互独立的.如果将细菌的分裂或死亡都看成发生一个事件,那么易知,在Δt时间内发生两个或两个以上事件的概率为o(Δt).设在时刻t有i个细菌,则在时刻t+Δt有i+1个细菌的概率为λiΔt+o(Δt),在时刻t+Δt有i-1个细菌的概率为μiΔt+o(Δt).现用ξ(t)表示这堆细菌在时刻t的个数,并考察在[0,A)时间内细菌个数的变化情况.

因为对每个固定的t,ξ(t)都是随机变量,故{ξ(t)|t∈[0,A)}为一个随机过程.又因为它具有无后效性,故它也是一个马尔柯夫过程.

上述细菌分裂和死亡的过程是一种典型的生灭过程的例子.下面我们给出生灭过程的具体定义.

生灭过程——若随机过程{ξ(t)|t∈[0,A)}的状态集I={0,1,2,…,m}或I={0,1,2,…}.设在时刻t时ξ(t)=j,那么在时刻t+Δt时(j和j+1∈I),ξ(t+Δt)=j+1的概率为λjΔt+o(Δt)(其中λj>0为与t无关的常数);在时刻t+Δt时(j和j-1∈I),ξ(t+Δt)=j-1的概率为μjΔt+o(Δt)(其中μj>0也为与t无关的常数);在时刻t+Δt时,ξ(t+Δt)为I中其他元素的概率均为o(Δt).则称该随机过程{ξ(t)|t∈[0,A)}为生灭过程(在下面将要讨论的一些生灭过程中,取A=+∞).

对一些生灭过程来说,我们常常关心下列概率:

排队论中的很多模型都是生灭过程,故我们把生灭过程关于Pj(t)的微分方程组及其极限解和有关定理介绍于下.在分析排队模型时,我们就直接应用这些结论来计算有关的数量指标.

生灭过程关于Pj(t)=P(ξ(t)=j)的微分方程组为

求解这组方程,即可得到在时刻t时过程的状态概率分布{Pj(t),j∈I},即得到生灭过程的瞬时解.(www.daowen.com)

但是,一般说来,要从微分方程组求得瞬时解是极其困难的,只有个别问题才能求得瞬时解.因此,在实际应用中,我们关心若它存在,常常把它当作任一时刻(过程运行一段时间后)过程处于状态j的概率.关于生灭过程微分方程组的极限解我们有如下定理.

定理9-3 令

则对I={0,1,…,m}的生灭过程,或对I={0,1,2,…}且满足条件

的生灭过程,对于任意正数s和任意i∈I,j∈I,都有

当状态集I={0,1,…,m}时,

当然态集I={0,1,2,…}时,

我们称Pj(j∈I)为生灭过程在统计平衡时的概率,或称稳态概率.

定理9-3告诉我们,对于满足定理条件的生灭过程,当过程运行了很长时间后,初始状态的影响将消失,过程的状态的概率分布Pj(j∈I)与时间无关.在实际应用中,过程不可能等到t→∞.事实上,对于绝大多数实际问题,过程很快会趋于统计平衡.

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