Yenileme teorisi - Renewal theory

Yenileme teorisi şubesi olasılık teorisi genelleyen Poisson süreci keyfi bekletme süreleri için. Onun yerine üssel olarak dağıtılmış bekletme süreleri, bir yenileme sürecinde herhangi bir bağımsız ve aynı şekilde dağıtılmış (IID) sonlu ortalamaya sahip tutma süreleri. Yenileme-ödül süreci ayrıca, IID olan ancak bekletme sürelerinden bağımsız olması gerekmeyen her bekletme süresinde oluşan rastgele bir ödül dizisine sahiptir.

Bir yenileme sürecinin asimptotik özellikleri vardır. büyük sayıların güçlü kanunu ve Merkezi Limit Teoremi. Yenileme işlevi (beklenen varış sayısı) ve ödül işlevi (beklenen ödül değeri) yenileme teorisinde kilit öneme sahiptir. Yenileme fonksiyonu yinelemeli bir integral denklemi, yenileme denklemini karşılar. Anahtar yenileme denklemi, sınırlayıcı değerini verir. kıvrım nın-nin uygun bir negatif olmayan işleve sahip. Yenileme süreçlerinin üst üste binmesi özel bir durum olarak incelenebilir. Markov yenileme süreçleri.

Uygulamalar, bir fabrikadaki yıpranmış makinelerin değiştirilmesi için en iyi stratejinin hesaplanmasını ve farklı sigorta poliçelerinin uzun vadeli faydalarının karşılaştırılmasını içerir. Teftiş paradoksu, zaman zaman bir yenileme aralığının gözlemlenmesiyle ilgilidir. t ortalama değeri, ortalama yenileme aralığından daha büyük olan bir aralık verir.

Yenileme süreçleri

Giriş

yenileme süreci bir genellemedir Poisson süreci. Temelde, Poisson süreci bir sürekli zamanlı Markov süreci pozitif tamsayılarda (genellikle sıfırdan başlar) bağımsız olan üssel olarak dağıtılmış her tam sayıdaki tutma süreleri bir sonraki tam sayıya geçmeden önce, . Bir yenileme sürecinde, bekletme sürelerinin üstel bir dağılıma sahip olması gerekmez; daha ziyade, bekletme süreleri bağımsız ve aynı şekilde dağıtıldığı sürece, bekletme süreleri pozitif sayılarda herhangi bir dağılım gösterebilir (IID ) ve sonlu ortalamaya sahiptir.

Resmi tanımlama

Yenileme sürecinin örnek evrimi ile tutma süreleri Sben ve zıplama zamanları Jn.

İzin Vermek pozitif bir dizi olmak bağımsız aynı şekilde dağıtılmış rastgele değişkenler öyle ki

Rastgele değişkene atıfta bulunuyoruz "olarakbekletme süresi ".

... beklenti nın-nin .

Her biri için tanımla n > 0 :

her biri "-nci atlama zamanı "ve aralıklar "yenileme aralıkları" olarak adlandırılır.

Sonra rastgele değişkenle verilir

nerede ... gösterge işlevi

zamana göre meydana gelen sıçramaların sayısını temsil eder tve buna yenileme süreci denir.

Yorumlama

Rastgele zamanlarda meydana gelen olayları düşünürseniz, bekletme sürelerini düşünmeyi tercih edebilirsiniz. iki ardışık olay arasında geçen rastgele zaman olarak. Örneğin, yenileme süreci farklı makinelerin arıza sayılarını modelliyorsa, tutma süresi, bir makinenin diğerinden önce arızalanması arasındaki süreyi temsil eder.

Poisson süreci, benzersiz yenileme sürecidir. Markov özelliği,[1] üstel dağılım, hafızasızlık özelliğine sahip benzersiz sürekli rastgele değişkendir.

Yenileme-ödüllendirme süreçleri

Yenileme-ödül sürecinin örnek evrimi ile tutma süreleri Sben, zıplama zamanları Jn ve ödüller Wben

İzin Vermek dizisi olmak IID rastgele değişkenler (ödüller) doyurucu

Sonra rastgele değişken

denir yenileme-ödül süreci. Unutmayın ki , her biri pozitif değerlerin yanı sıra negatif değerler de alabilir.

Rastgele değişken iki sıraya bağlıdır: tutma süreleri ve ödüller Bu iki dizinin bağımsız olması gerekmez. Özellikle, bir işlevi olabilir .

Yorumlama

Tutma sürelerinin bir makinenin birbirini takip eden arızaları arasındaki zaman olarak yukarıdaki yorumu bağlamında, "ödüller" (bu durumda negatif olan), birbirini izleyen arızaların bir sonucu olarak ortaya çıkan ardışık onarım maliyetleri olarak görülebilir.

Alternatif bir benzetme, aralıklarla (bekletme süreleri) yumurta bırakan sihirli bir kazımız olmasıdır. . Bazen rastgele ağırlıkta altın yumurtalar bırakır ve bazen sorumlu (ve maliyetli) imha gerektiren toksik yumurtalar (ayrıca rastgele ağırlıkta) bırakır. "Ödüller" birbirini izleyen yumurtalardan kaynaklanan ardışık (rastgele) mali kayıplar / kazançlardır (ben = 1,2,3, ...) ve o andaki toplam mali "ödülü" kaydeder t.

Yenileme işlevi

Biz tanımlıyoruz yenileme işlevi olarak beklenen değer bir zamana kadar gözlenen sıçrama sayısının :

Temel yenileme teoremi

Yenileme işlevi tatmin eder

Yenileme ödül süreçleri için temel yenileme teoremi

Biz tanımlıyoruz ödül işlevi:

Ödül işlevi tatmin eder

Yenileme denklemi

Yenileme işlevi tatmin eder

nerede kümülatif dağılım işlevi ve karşılık gelen olasılık yoğunluk fonksiyonudur.

Anahtar yenileme teoremi

İzin Vermek X yenileme işlevi olan bir yenileme süreci olmak ve yenilenme arası ortalama . İzin Vermek tatmin edici bir işlev olun:

  • g monotondur ve artmaz

Anahtar yenileme teoremi şunu belirtir: :[3]

Yenileme teoremi

Düşünen herhangi özel bir durum olarak yenileme teoremini verir:[4]

gibi

Sonuç, integral denklemler kullanılarak veya bir bağlantı argüman.[5] Anahtar yenileme teoreminin özel bir durumu olsa da, adım fonksiyonlarını göz önünde bulundurarak ve ardından adım fonksiyonlarının sıralarını artırarak tam teoremi çıkarmak için kullanılabilir.[3]

Asimptotik özellikler

Yenileme süreçleri ve yenileme-ödül süreçleri, aşağıdakilere benzer özelliklere sahiptir: büyük sayıların güçlü kanunu, aynı teoremden türetilebilir. Eğer bir yenileme sürecidir ve bir yenileme ödül sürecidir, bu durumda:

[6]

neredeyse kesin.

Yenileme süreçleri ayrıca aşağıdakilere benzer bir özelliğe sahiptir: Merkezi Limit Teoremi:[6]

Denetim paradoksu

Rastgele nokta tarafından belirlenen yenileme aralığı t (kırmızıyla gösterilmiştir) stokastik olarak ilk yenileme aralığından daha büyüktür.

Yenileme süreçlerinin ilginç bir özelliği, önceden belirlenmiş bir süre beklersek t ve sonra yenileme aralığının ne kadar geniş olduğunu gözlemleyin. t , tipik olarak ortalama büyüklükteki bir yenileme aralığından daha büyük olmasını beklemeliyiz.

Matematiksel olarak denetim paradoksu şunu belirtir: herhangi bir t> 0 için t içeren yenileme aralığı stokastik olarak daha büyük ilk yenileme aralığından daha fazla. Yani herkes için x > 0 ve hepsi için t > 0:

nerede FS IID bekletme sürelerinin kümülatif dağılım fonksiyonudur Sben.

Paradoksun çözümü, zaman zaman örneklenmiş dağıtımımızın t boyuta bağlıdır, çünkü bir aralığın seçilme olasılığı boyutuyla orantılıdır. Bununla birlikte, ortalama büyüklükte bir yenileme aralığı, boyuta bağlı değildir.

Süperpozisyon

Yenileme süreci bir Poisson süreci olmadığı sürece, iki bağımsız yenileme sürecinin üst üste binmesi (toplamı) bir yenileme süreci değildir.[7] Bununla birlikte, bu tür süreçler, adı verilen daha geniş bir süreç sınıfı içinde tanımlanabilir. Markov yenileme süreçleri.[8] Ancak kümülatif dağılım fonksiyonu Süperpozisyon sürecindeki ilk olaylar arası sürenin[9]

nerede Rk(t) ve αk > 0, olaylar arası zamanların CDF'si ve sürecin geliş hızıdır k.[10]

Örnek uygulama

Girişimci Eric'in n her biri sıfır ile iki yıl arasında eşit olarak dağıtılmış bir çalışma ömrüne sahip makineler. Eric, değiştirme maliyeti 2600 € ile arızalanana kadar her makinenin çalışmasına izin verebilir; alternatif olarak, 200 € 'luk bir maliyetle hala çalışır durumdayken herhangi bir zamanda bir makineyi değiştirebilir.

Optimum değiştirme politikası nedir?

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Grimmett ve Stirzaker (1992), s. 393.
  2. ^ Grimmett ve Stirzaker (1992), s. 390.
  3. ^ a b c Grimmett ve Stirzaker (1992), s. 395.
  4. ^ Feller (1971), s. 347–351.
  5. ^ Grimmett ve Stirzaker (1992), s. 394–5.
  6. ^ a b Grimmett ve Stirzaker (1992), s. 394.
  7. ^ Grimmett ve Stirzaker (1992), s. 405.
  8. ^ Çinlar, Erhan (1969). "Markov Yenileme Teorisi". Uygulamalı Olasılıktaki Gelişmeler. Uygulamalı Olasılık Güveni. 1 (2): 123–187. doi:10.2307/1426216. JSTOR  1426216.
  9. ^ Lawrence, A.J. (1973). "Süperpozisyon İşlemlerinde Olaylar Arası Aralıkların Bağımlılığı". Kraliyet İstatistik Derneği Dergisi. Seri B (Metodolojik). 35 (2): 306–315. doi:10.1111 / j.2517-6161.1973.tb00960.x. JSTOR  2984914. formül 4.1
  10. ^ Choungmo Fofack, Nicaise; Nain, Philippe; Neglia, Giovanni; Towsley, Don. "TTL tabanlı Önbellek Ağlarının Analizi". 6. Uluslararası Performans Değerlendirme Metodolojileri ve Araçları Konferansı Bildirileri. Alındı 15 Kasım, 2012.

Referanslar