可逆马氏链中文_第1页
可逆马氏链中文_第2页
可逆马氏链中文_第3页
可逆马氏链中文_第4页
可逆马氏链中文_第5页
已阅读5页,还剩36页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

可逆马氏链1TopicsTime-ReversalofMarkovChainsReversibilityTruncatingaReversibleMarkovChainBurke’sTheoremQueuesinTandemTime-ReversedMarkovChains假定{Xn:n=0,1,…}为遍历的马氏链,转移概率为

Pi,j,唯一的平稳分布为(πj>0).假定过程从-∞开始,

即{Xn:n=…,-n,…,-1,

0,1,…}

,

则系统在时刻n的状态概率Pr{Xn=j}=平稳分布πj.任意τ>0,定义Yn=Xτ-n,过程{Yn}是原马氏链的时间逆转过程.可以证明{Yn}也是马氏链,转移概率为而且和{Xn}有相同的平稳分布

πj通过逆向链可看出正向链的某些性质;Time-ReversedMarkovChainsProofofProposition1:Reversibility马氏链{Xn}称为可逆的如果正向链和逆向链有相等的转移概率:Pi,j=Pi,j*,等价于{Xn}满足DBE.

定理1.如果能找到一组正数{πj},

其和为1,且满足:

πiPi,j=πjPj,i,则该马氏链是可逆的且以{πj}为平稳分布.

Reversibility–Discrete-TimeChainsExample:Discrete-timebirth-deathprocessesarereversible,sincetheysatisfytheDBE重要定理Theorem1:对转移概率为

Pij.的不可约马氏链,如果存在:一组转移概率Qij,满足∑j

Qij=1,i≥0,和一组整数{πj},其和为1,并且下式成立则:Qij

为其逆向链的转移概率{πj}同时既是正向链也是逆向链的平稳分布Remark:上述定理常用来计算平稳分布:根据马氏链的结构性质猜出两组数Qij,和{πj},验证是否满足(1):如果满足,则该马氏链是可逆链且以{πj}为平稳分布,而Qij

为逆链的转移概率.Continuous-TimeMarkovChains设{X(t):-∞<t<∞}是不可约的遍历的连续时间马氏链,转移率为

qij,i≠j设(pi

>0)为它的唯一的平稳分布:仍假定过程从-∞开始,则在有穷时间t链处于平稳态:P{X(t)=j}=pj令Y(t)=X(τ-t),则以下命题成立:ReversedContinuous-TimeMarkovChainsProposition2:{Y(t)}也是连续时间马氏链,转移率为:{Y(t)}和正向链有相同的平稳分布:{pj}

Remark:

逆向链离开i

的转移率等于正向链离开i

的转移率:这是GBE的另一表达形式:逆向链的“出”=正向链的“入”Reversibility–Continuous-TimeChains马氏链称为可逆的如果:

或等价的:此即DBETheorem3:

如果有一组正数{pj},其和为1且满足:

则:{pj}是唯一的平稳分布该马氏链是可逆的Birth-DeathProcess转移率为满足DBEProof:GBEwithS={0,1,…,n}give:M/M/1,M/M/c,M/M/∞是可逆马氏链01n+1n2SSc重要的定理Theorem4:

对有转移率qij.的不可约马氏链,如果存在:一组转移率,满足∑j≠i

φij=∑j≠i

qij,i≥0,和一组正数{pj},其和为1,使得以下方程成立:则:φij

是逆向链的转移率,且{pj}是正向和逆向链的相同的平稳分布上述定理用来解马氏链:guess两组数φij和{pj},验证上述条件状态转移率图是树结构的马氏链Theorem5:状态转移率图有树结构的马氏链是可逆的.01263745Burke’s定理假设N(t)为一生灭过程,有平稳分布{pj}N(t)的向上跳跃点为到达点.

N(t)的向下跳跃点为离开点.

N(t)包括了系统的到达和离开过程ArrivalsDeparturesBurke’sTheorem如λj=λ,forall,则到达为Poisson.这时称此过程为(λ,μj)-过程M/M/1,M/M/c,M/M/∞为(λ,μj)-过程Poissonarrivals→LAA:

Foranytimet,futurearrivalsareindependentof{X(s):s≤t}(λ,μj)-processatsteadystateisreversible:forwardandreversedchainsarestochasticallyidenticalArrivalprocessesoftheforwardandreversedchainsarestochasticallyidenticalArrivalprocessofthereversedchainisPoissonwithrateλThearrivalepochsofthereversedchainarethedepartureepochsoftheforwardchainDepartureprocessoftheforwardchainisPoissonwithrateλBurke’sTheoremReversedchain:arrivalsaftertimetareindependentofthechainhistoryuptotimet(LAA)Forwardchain:departurespriortotimetandfutureofthechain{X(s):s≥t}areindependentBurke’sTheoremTheorem10:ConsideranM/M/1,M/M/c,orM/M/∞systemwitharrivalrateλ.Supposethatthesystemstartsatsteady-state.Then:ThedepartureprocessisPoissonwithrateλAteachtimet,thenumberofcustomersinthesystemisindependentofthedeparturetimespriortotFundamentalresultforstudyofnetworksofM/M/*queues,whereoutputprocessfromonequeueistheinputprocessofanotherBurkes定理说两件事情:处于平稳态的M/M/*排队系统的离开过程是Poisson,而且参数为λ.处于平稳态的M/M/*排队系统内客户数N(t)独立于t以前,即(0,t)时间内的离开过程应用Burkes定理可以推出级联队列的平稳客户数分布有乘积形式:P(n1,n2)=P(n1)P(n2).Burkes定理Figure3.31(a)Forwardsystemnumberofarrivals,numberofdepartures,andoccupancyduring[0,T].Figure3.31(b)Reversedsystemnumberofarrivals,numberofdepartures,andoccupancyduring[0,T].根据Burkes定理,不能从客户接连不断的离开推断系统内有大量的客户,因为这两者之间没相关性.(反直觉,counterintuitive)

Single-ServerQueuesinTandem(级联)Customersarriveatqueue1accordingtoPoissonprocesswithrateλ.Servicetimesexponentialwithmean1/μi.Assumeservicetimesofacustomerinthetwoqueuesareindependent.Assumeρi=λ/μi<1WhatisthejointstationarydistributionofN1andN2–numberofcustomersineachqueue?Result:insteadystatethequeuesareindependentandPoissonStation1Station2Single-ServerQueuesinTandemQ1isaM/M/1queue.AtsteadystateitsdepartureprocessisPoissonwithrateλ.ThusQ2isalsoM/M/1.Marginalstationarydistributions:Tocompletetheproof:establishindependenceatsteadystateQ1atsteadystate:attimet,N1(t)isindependentofdeparturespriortot,whicharearrivalsatQ2uptot.ThusN1(t)andN2(t)independent:Lettingt→∞,thejointstationarydistributionPoissonStation1Station2如果排队系统组成的网络是有向无环图,每个系统的客户服务时间是指数分布,外部到达是Poisson,则每个内部排队系统的到达过程是Poisson.QueuesinTandemTheorem11:NetworkconsistingofKsingle-serverqueuesintandem.Servicetimesatqueueiexponentialwithrateμi,independentofservicetimesatanyqueuej≠i.ArrivalsatthefirstqueuearePoissonwithrateλ.Thestationarydistributionofthenetworkis:Atsteadystatethequeuesareindependent;thedistributionofqueueiisthatofanisolatedM/M/1queuewitharrivalandserviceratesλandμiQueuesinTandem:State-DependentServiceRatesTheorem12:NetworkconsistingofKqueuesintandem.Servicetimesatqueueiexponentialwithrateμi(ni)whentherearenicustomersinthequeue–independentofservicetimesatanyqueuej≠i.ArrivalsatthefirstqueuearePoissonwithrateλ.Thestationarydistributionofthenetworkis:

where{pi(ni)}isthestationarydistributionofqueueiinisolationwithPoissonarrivalswithrateλExamples:./M/cand./M/∞queuesIfqueueiis./M/∞,then:MultidimensionalMarkovChainsTheorem8:

{X1(t)},{X2(t)}:independentMarkovchains{Xi(t)}:reversible{X(t)},withX(t)=(X1(t),X2(t)):vector-valuedstochasticprocess{X(t)}isaMarkovchain{X(t)}isreversibleMultidimensionalChains:Queueingsystemwithtwoclassesofcustomers,eachhavingitsownstochasticproperties–trackthenumberofcustomersfromeachclassStudythe“joint”evolutionoftwoqueueingsystems–trackthenumberofcustomersineachsystemExample:TwoIndependentM/M/1QueuesTwoindependentM/M/1queues.Thearrivalandserviceratesatqueueiareλiandμirespectively.Assumeρi=λi/μi<1.{(N1(t),N2(t))}isaMarkovchain.Probabilityofn1customersatqueue1,andn2atqueue2,atsteady-state“Product-form”distributionGeneralizesforanynumberKofindependentqueues,M/M/1,M/M/c,orM/M/∞.Ifpi(ni)isthestationarydistributionofqueuei:Stationarydistribution:DetailedBalanceEquations:VerifythattheMarkovchainisreversible–KolmogorovcriterionExample:TwoIndependentM/M/1Queues02122232011121310010203003132333Example:TwoIndependentM/M/1Queues02122232011121310010203003132333TruncationofaReversibleMarkovChainTheorem9:{X(t)}reversibleMarkovprocesswithstatespaceS,andstationarydistribution{pj:jS}.TruncatedtoasetES,suchthattheresultingchain{Y(t)}isirreducible.Then,{Y(t)}isreversibleandhasstationarydistribution:Remark:Thisistheconditionalprobabilitythat,insteady-state,theoriginalprocessisatstatej,giventhatitissomewhereinEProof:Verifythat:Twoexamples:例1M/M/m/m是M/M/∞的截断,S={0,1,…,m},G=1+ρ

+…+ρm/m!,p(n)=(ρn/n!)/G,ρ=(λ/μ)例2M/M/1/K是M/M/1的截断(习题3.21)M/M/1有平稳分布ρn(1-ρ),截断链的状态集为S={0,1,…,K},

G=∑ρn

(1-ρ)=1-ρK+1,截断链的平稳分布为:p(n)=ρn(1-ρ)/G=ρn(1-ρ)/(1-ρK+1).Example:TwoQueueswithJointBufferThetwoindependentM/M/1queuesofthepreviousexampleshareacommonbufferofsizeB–arrivalthatfindsBcustomerswaitingisblockedStatespacerestrictedtoE={(n1,n2)|n1+n2<=B}Distributionoftruncatedchain:Normalizing:TheoremspecifiesjointdistributionuptothenormalizationconstantCalculationofnormalizationconstantisoftentedious02120111210010203003132231

StatediagramforB=2多维马氏链-在电路交换网中的应用Example:3.12考虑具有m个独立电路,每个电路都具有相同的传输能力系统中存在两类会话,到达率分别是λ1和λ2的泊松分布当一个会话到达系统时,若发现所有电路都处于繁忙状态,这个会话将被封锁,继而被丢弃。相反,系统将会话分配给任意一个可用的电路。

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论