Syntymä-kuolema-prosessit

Samankaltaiset tiedostot
Syntymä-kuolema-prosessit

Estynyt puheluyritys menetetään ei johda uusintayritykseen alkaa uusi miettimisaika: aika seuraavaan yritykseen Exp(γ) pitoaika X Exp(µ)

Jatkuva-aikaisten Markov-prosessien aikakehitys

Estojärjestelmä (loss system, menetysjärjestelmä)

käännetty prosessi. Tarkastellaan pelkistymätöntä stationaarista stokastista prosessia X t.

Odotusjärjestelmät. Aluksi esitellään allaolevan kuvan mukaisen yhden palvelimen jonoon liittyvät perussuureet.

Markov-prosessit (Jatkuva-aikaiset Markov-ketjut)

4. Stokastiset prosessit. lect4.tex 1. Sisältö. Peruskäsitteitä. Poisson-prosessi. Markov-prosessit. Syntymä-kuolema-prosessit

Demonstraatiot Luento 7 D7/1 D7/2 D7/3

STOKASTISET PROSESSIT Peruskäsitteitä

Järjestelmässä olevien asiakkaiden lukumäärä N(t) ei muodosta enää Markov-prosessia.

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / Jonoverkot 1

J. Virtamo Jonoteoria / M/G/1/-jono 1

Jatkuva-aikaisia Markov-prosesseja

J. Virtamo Jonoteoria / Jonoverkot 1

J. Virtamo Jonoteoria / Poisson-prosessi 1

Liikenneongelmien aikaskaalahierarkia

JATKUVAT JAKAUMAT Laplace-muunnos (Laplace-Stieltjes-muunnos)

Jatkuvan aikavälin stokastisia prosesseja

ATM-VERKON KUTSUTASON ESTO

Littlen tulos. Littlen lause sanoo. N = λ T. Lause on hyvin käyttökelpoinen yleisyytensä vuoksi

Markov-ketjut pitkällä aikavälillä

Ylivuoto puskurillisessa systeemissä: nestejonot

Demonstraatiot Luento

J. Virtamo Jonoteoria / Prioriteettijonot 1

Liikenneteorian tehtävä

ABTEKNILLINEN KORKEAKOULU

5. Stokastiset prosessit (1)

T Rinnakkaiset ja hajautetut digitaaliset järjestelmät Stokastinen analyysi

3. Esimerkkejä luento03.ppt S Liikenneteorian perusteet - Kevät

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Teoria. Prosessin realisaatioiden tuottaminen

Liikenneteoriaa (vasta-alkajille)

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Harjoitus 2: Matlab - Statistical Toolbox

Numeeriset menetelmät

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

J. Virtamo Jonoteoria / Prioriteettijonot 1

Esimerkki: Tietoliikennekytkin

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

5. Liikenteen mallinnus ja mittaus

Satunnaislukujen generointi

Otosavaruus ja todennäköisyys Otosavaruus Ë on joukko, jonka alkiot ovat kokeen tulokset Tapahtuma on otosavaruuden osajoukko

Markov-kustannusmallit ja kulkuajat

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 7. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 7 () Numeeriset menetelmät / 43

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Samankaltaisia ongelmia esiintyy mm. puskurinhallinnan yhteydessä: on päätettävä,

T Rinnakkaiset ja hajautetut digitaaliset järjestelmät Stokastinen analyysi

ax + y + 2z = 0 2x + y + az = b 2. Kuvassa alla on esitetty nesteen virtaus eräässä putkistossa.

6. Stokastiset prosessit (2)

d+tv 1 S l x 2 x 1 x 3 MEI Mallintamisen perusteet Harjoitus 6, kevät 2015 Tuomas Kovanen

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

3. Esimerkkejä. Sisältö. Klassinen puhelinliikenteen malli (1) Klassinen puhelinliikenteen malli (2)

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Tietorakenteet, esimerkkivastauksia viikon 12 laskareihin

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.


Yleistä. Esimerkki. Yhden palvelimen jono. palvelin. saapuvat asiakkaat. poistuvat asiakkaat. odotushuone, jonotuspaikat

Gaussin ja Jordanin eliminointimenetelmä

Matematiikka B2 - TUDI

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

2 Funktion derivaatta

y + 4y = 0 (1) λ = 0

1 Reaaliset lukujonot

Numeeriset menetelmät

x j x k Tällöin L j (x k ) = 0, kun k j, ja L j (x j ) = 1. Alkuperäiselle interpolaatio-ongelmalle saadaan nyt ratkaisu

Epälineaaristen yhtälöiden ratkaisumenetelmät

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Lineaarinen yhtälöryhmä

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

802118P Lineaarialgebra I (4 op)

Jono- ja teleliikenneteorian tehtäväkokoelma. koonnut Esa Hyytiä 26. huhtikuuta 2005

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Markov-ketjut pitkällä aikavälillä

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

805306A Johdatus monimuuttujamenetelmiin, 5 op

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Käänteismatriisin ominaisuuksia

ja piirrä sitä vastaavat kaksi käyrää ja tarkista ratkaisusi kuvastasi.

ABTEKNILLINEN KORKEAKOULU

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Muutama huomio momenttimenetelmän käytöstä kehärakenteiden analysoinnissa

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

1 + b t (i, j). Olkoon b t (i, j) todennäköisyys, että B t (i, j) = 1. Siis operaation access(j) odotusarvoinen kustannus ajanhetkellä t olisi.

Avaruuden R n aliavaruus

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Algoritmit 1. Luento 2 Ke Timo Männikkö

Van der Polin yhtälö

f (t) + t 2 f(t) = 0 f (t) f(t) = t2 d dt ln f(t) = t2, josta viimeisestä yhtälöstä saadaan integroimalla puolittain

Transkriptio:

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit Syntymä-kuolema-prosessit Yleistä Syntymä-kuolema-prosessiksi (SK-prosessi) kutsutaan Markov-prosessia, jonka - tila-avaruus on iskreetti - tilat voiaan järjestää jonoksi, i=,,2,...siten, että - tilasiirtymiä voi tapahtua vain naapuritilojen välillä, i i + tai i i µ µ 2 2 2 i... i i+ µ 3 µ i+ i+ µ i+2 Tilasiirtymänopeuet q i,j = i kun j = i + µ i kun j = i muulloin syntymätn. intervallissa t on i t kuolematn. intervallissa t on µ i t kun systeemi on tilassa i

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 2 SK-prosessin tasapainotilatoennäköisyyet Käytetään leikkausmenetelmää = globaali tasapainoehto sovellettuna tilajoukkoon,,...,k. Tasapainotilassa toennäköisyysvirrat leikkauksen yli kumoavat toisensa (nettovirta =) k π k = µ k+ π k+ k =,, 2,... Saaaan rekursiokaava π k+ = k π k µ k+ Kaikki toennäköisyyet voiaan palauttaa rekursion avulla tilan toennäköisyyteen π π k = k k 2 π = k µ k µ k µ Soveltamalla normiehtoa π = k= + µ + µ µ 2 + i= i µ i+ π π k =, voiaan määrätä π = + k i k= i= µ i+

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 3 SK-prosessin ajasta riippuvat ratkaisut Eellä tutkittiin SK-prosessin tasapainojakaumaa π. Joskus tunnetaan tilatoennäköisyyet hetkellä,π(), - tavallisin tilanne on se, että systeemin tieetään olevan hetkellä täsmälleen jossakin tilassa k; tällöin π k () = ja π j () =, kun j k ja halutaan selvittää, miten tilatoennäköisyyet kehittyvät ajan funktiona eli π(t) -tieetään, että lim t π(t) =π. Tämä määräytyy yhtälöstä π(t) =π(t) Q missä t Q =...... µ ( + µ )... µ 2 ( 2 + µ 2 ) 2. µ 3 ( 3 + µ 3 ) 3.. µ 4 ( 4 + µ 4 )

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 4 SK-prosessin ajasta riippuvat ratkaisut (jatkoa) µ µ 2 2 2 i- i... i i+ µ 3 µ i µ i+ i+ µ i+2 Yhtälöt komponettimuoossa π i (t) t π (t) t = ( i + µ i )π i (t) virrat ulos = π (t) + µ π (t) virta ulos virta sisään + i π i (t)+µ i+ π i+ (t) virrat sisään i =, 2,...

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 5 Esim.. Puhas kuolemaprosessi i = µ i = iµ i =,, 2,... π i () = i = n i n jokaisella yksilöllä kuolemisnopeus on vakio µ systeemi lähtee tilasta n µ 2µ 2 3µ... n- (n-) µ n µ n Tila on absorboiva tila, muut tilat ovat transientteja t π n(t) = nµπ n (t) π n (t) =e nµt t π i(t) = (i +)µπ i+ (t) iµπ i (t) i =,,...,n t (eiµt π i (t)) = (i +)µπ i+ (t)e iµt π i (t) = (i +)e iµt µ t π i+(t )e iµt t π n (t) = ne (n )µt µ t e nµt e (n )µt e µt t = ne (n )µt ( e µt ) Rekursiivisesti π i (t) = n (e µt ) i ( e µt ) n i i Binomijakauma: jokainen on muista riippumatta hetkellä t elossa tn:llä e µt

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 6 Esim. 2. Puhas syntymäprosessi (Poisson-prosessi) i = µ i = i =,, 2,... π i () = i = i> syntymätoennäköisyys aikayksikköä kohen on vakio alkuhetkellä populaatio on 2... i- i Kaikki tilat ovat transientteja t π i(t) = π i (t)+π i (t) i> t π (t) = π (t) π (t) =e t t (et π i (t)) = π i (t)e t π i (t) = e t t π i (t )e t t π (t) = e t t e t e t t = e t (t) Rekursiivisesti π i (t) = (t)i e t i! Syntymien lkm välillä (,t) Poisson(t)

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 7 Esim. 3. Yhen palvelimen järjestelmä µ Exp( µ ) Exp( ) - vakio saapumisnopeus (Poisson-saapumiset) -palvelunpäättymisnopeus µ (eksp. palveluaikajak.) Järjestelmän tilat palvelin vapaa palvelin käytössä t π (t) = π (t)+µπ (t) t π (t) = π (t) µπ (t) Lasketaan yhtälöt yhteen Q = µ µ t (π (t)+π (t)) = π (t)+π (t) =vakio= π (t) = π (t) t π (t)+( + µ)π (t) =µ t (e(+µ)t π (t)) = µe (+µ)t π (t) = µ +µ +(π () µ +µ )e (+µ)t π (t) = +µ +(π () tasapainojakauma } {{ } poikkeama tasapainosta +µ )e (+µ)t häviää eksponentiaalisesti

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 8 Markov-järjestelmien analyysi: yhteenveto. Etsi järjestelmälle tilakuvaus tähän ei ole valmista reseptiä usein sopiva tilakuvaus on ilmeinen joskus vaatii enemmän ajattelua systeemi voi olla markovinen jonkin tilakuvauksen suhteen ja ei-markovinen jonkin toisen tilakuvauksen suhteen (jolloin tila-informaatio ei ole riittävä) tilakuvauksen löytäminen on ongelman luova osa 2. Määrää tilasiirtymänopeuet suoraviivainen tehtävä, kun eksponentiaaliset pitoajat ja saapumisväliajat 3. Ratkaise tasapainoyhtälöt periaatteessa suoraviivainen tehtävä (lineaarisen yhtälöryhmän ratkaisu) tuntemattomien määrä (tilojen lukumäärä) voi olla hyvin suuri usein voiaan hyöyntää tilakaavion erityispiirteitä

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 9 Globaali tasapainoehto i n + tilaa π {}}{ (π,...,π n ) q i, j q j, i j π j q j,i = π i q i,j j i j i virta tilaan i Q virta tilasta i {}}{ q,j q, q,2... q,n j q, q,j q,2... q,n j q 2, q 2, q 2,j... q 2,n j....... q n,j q n, q n,, q n,2,... j i =,,...,n yksi yhtälö kutakin tilaa kohen =. π Q = π + π + + π n = yksi yhtälö on reunantti normiehto

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit Esim.. Jonojärjestelmä s palvelinta K ootuspaikkaa µ µ µ s palvelinta K ootuspaikkaa saapumisnopeus (Poisson) µ Exp(µ) pitoaika (oostusarvo /µ) K=5 s=4 µ Asiakkaien lukumäärä N kelpaa tilamuuttujaksi -määrää yksikäsitteisesti palvelussa olevien ja oottavien asiakkaien lukumäärät -minkä tahansa saapumisen tai poistumisen jälkeen palveltavana olevien asiakkaien jäljelläolevat palveluajat ovat Exp(µ)-jakautuneita (muistittomuus) 2 3 4 5 6 7 8 9 µ 2µ 3µ 4µ 4µ 4µ 4µ 4µ 4µ

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit Esim. 2. Kutsuesto ATM-verkossa ATM-verkon virtuaaliväylälle (VP) tarjotaan kahenlaisia kutsuja. R = Mbps = saapumisnopeus µ = keskim. pitoaika R 2 2 a) Väylän kapasiteetti on suuri (ääretön) = 2Mbps = saapumisnopeus µ 2 = keskim. pitoaika n 2 2 n µ 2 (n 2+) µ 2 (n +) µ n 2 µ 2 n Markov-prosessin tilamuuttujana on tässäesimerkissä pari (N,N 2 ), missä N i kertoo päälläolevien, luokkaan i kuuluvien kutsujen lukumäärän tarkasteluhetkellä.

J. Virtamo Liikenneteoria ja liikenteenhallinta / SK-prosessit 2 Kutsuesto ATM-verkossa (jatkoa) b) Väylän kapasiteetti on 4.5 Mbps n 2 n