ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

Σχετικά έγγραφα
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Επισκόπηση Γνώσεων Πιθανοτήτων (2/2) Διαδικασία Γεννήσεων Θανάτων Η Ουρά Μ/Μ/1

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Εισαγωγή (2/2) Επισκόπηση Γνώσεων Πιθανοτήτων (1/2)

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Διαδικασίες Γεννήσεων - Θανάτων Εξισώσεις Ισορροπίας - Ουρές Μ/Μ/1, M/M/1/N Προσομοίωση Ουράς Μ/Μ/1/Ν

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 3, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 5

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Ροή Δ - 6 ο εξάμηνο, κωδικός

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Εκθετική Κατανομή, Στοχαστικές Ανελίξεις Διαδικασίες Απαρίθμησης, Κατανομή Poisson

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Διαδικασίες Birth-Death, Ουρές Markov:

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Μοντέλα Ουρών Markov και Εφαρμογές:

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 4, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 5

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Επισκόπηση Αναλυτικών Τεχνικών Θεωρίας Πιθανοτήτων για Εφαρμογή σε Ουρές Αναμονής M/G/1

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 4, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Μοντέλα Ουρών Markov και Εφαρμογές:

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Άσκηση Προσομοίωσης Στατιστικές Εξόδου Ουράς Μ/Μ/1 - Θεώρημα Burke Ανοικτά Δίκτυα Ουρών Μ/Μ/1 - Θεώρημα Jackson

Διαδικασίες Markov Υπενθύμιση

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Εισαγωγή

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ & ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

Θέμα 1 (20%) (α) Πότε είναι εργοδικό το παραπάνω σύστημα; Για πεπερασμένο c, το σύστημα είναι πάντα εργοδικό.

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Παράμετροι Συστημάτων Αναμονής Τύπος Little. Β. Μάγκλαρης, Σ. Παπαβασιλείου

Μοντελοποίηση, Ανάλυση και Σχεδιασμός Στοχαστικών Συστημάτων

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Παράμετροι Συστημάτων Αναμονής Τύπος Little

P (M = n T = t)µe µt dt. λ+µ

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 3, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 1

Ορισµός. (neighboring) καταστάσεων. ηλαδή στην περίπτωση αλυσίδας Markov. 1.2 ιαµόρφωση µοντέλου

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

Markov. Γ. Κορίλη, Αλυσίδες. Αλυσίδες Markov

Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Ζωγράφου, Αθήνα, Τηλ: , Fax: URL

Συστήματα Αναμονής. Ενότητα 7: Ουρά Μ/Μ/1. Αγγελική Σγώρα Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ

Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Ζωγράφου, Αθήνα, Τηλ: , Fax: URL

Θεωρία Τηλεπικοινωνιακής Κίνησης Ενότητα 2: Θεμελιώδεις σχέσεις

Θεωρία Τηλεπικοινωνιακής Κίνησης

p k = (1- ρ) ρ k. E[N(t)] = ρ /(1- ρ).

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΘΕΩΡΙΑ ΟΥΡΩΝ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

Ονοματεπώνυμο: Ερώτημα: Σύνολο Μονάδες: Βαθμός:

H επίδραση των ουρών στην κίνηση ενός δικτύου

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 3, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 3

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems

ιωνυµική Κατανοµή(Binomial)

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Τεχνικές Εκτίμησης Υπολογιστικών Συστημάτων Ενότητα 3: Μοντέλα Θεωρίας Αναμονής

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Ροή Δ - 6 ο εξάμηνο, κωδικός

ΒΑΣΙΚΕΣ ΙΑΚΡΙΤΕΣ ΚΑΤΑΝΟΜΕΣ (Συνέχεια)

Στατιστική Επιχειρήσεων Ι. Βασικές διακριτές κατανομές

07/11/2016. Στατιστική Ι. 6 η Διάλεξη (Βασικές διακριτές κατανομές)

Συστήματα Αναμονής. Ενότητα 9: Ανέλιξη Γέννησης - Θανάτου. Αγγελική Σγώρα Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ

Θεωρητικές Κατανομές Πιθανότητας

Ανάλυση Απόδοσης Πληροφοριακών Συστημάτων

ΚΑΤΑΝΟΜΈΣ. 8.1 Εισαγωγή. 8.2 Κατανομές Συχνοτήτων (Frequency Distributions) ΚΕΦΑΛΑΙΟ

Μοντέλα Αναμονής σε Δίκτυα Επικοινωνιών. Ανάλυση Ουρών. Λάζαρος Μεράκος Τμήμα Πληροφορικής &Τηλεπικοινωνιών Πανεπιστήμιο Αθηνών

II. Τυχαίες Μεταβλητές

Στατιστική. Ενότητα 3 η : Χαρακτηριστικά Τυχαίων Μεταβλητών Θεωρητικές Κατανομές Πιθανότητας για Διακριτή Τυχαία Μεταβλητή

ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ

Μοντελοποίηση, Ανάλυση και Σχεδιασμός Στοχαστικών Συστημάτων

1 + ρ ρ ρ3. iπ i = Q = λ λ i=0. n=0 tn. n! Qn, t 0

Τυχαία μεταβλητή (τ.μ.)

3. Κατανομές πιθανότητας

Γ. Κορίλη, Μοντέλα Εξυπηρέτησης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Επιστήµης Υπολογιστών. HY-317: Εφαρµοσµένες Στοχαστικές ιαδικασίες - Εαρινό Εξάµηνο ιδάσκων : Π.

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 4, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 3

Ο Π Ε Υ Ελάχιστα γραμμών Ο *maximin (A) Π Ε Υ * minimax (B)

2

DEPARTMENT OF STATISTICS

Μοντέλα Συστημάτων Αναμονής σε Δίκτυα Επικοινωνιών


Θεωρία Πιθανοτήτων & Στατιστική

Μαρκοβιανές Αλυσίδες

Πανεπιστήμιο Πελοποννήσου

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ & ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Αίθουσα Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Ε.Μ.Π.

ΜΕΡΙΚΕΣ ΕΙΔΙΚΕΣ ΣΥΝΕΧΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΜΕΣ

Μοντελοποίηση, Ανάλυση και Σχεδιασμός Στοχαστικών Συστημάτων

Καθ. Γιάννης Γαροφαλάκης. ΜΔΕ Επιστήμης και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Πιθανότητες & Τυχαία Σήματα. Διγαλάκης Βασίλης

Στατιστική Ι-Θεωρητικές Κατανομές Ι

p B p I = = = 5

ίκτυα Επικοινωνίας Υπολογιστών

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Πιθανότητες. Συνάρτηση κατανομής πιθανότητας Διδάσκων: Επίκουρος Καθηγητής Κωνσταντίνος Μπλέκας

Τυχαίες Μεταβλητές (τ.µ.)

Δίκτυα Επικοινωνίας Υπολογιστών Ενότητα 5: Στοιχεία Θεωρίας Τηλεπικοινωνιακής Κίνησης (Στοιχεία ΘΤΚ)

P (M = 9) = e 9! =

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 4, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 4

Επεξεργασία Στοχαστικών Σημάτων

Transcript:

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΟΝΗΣ Queuing Systems Επισκόπηση Γνώσεων Πιθανοτήτων Κατανομή Poisson & Εκθετική Κατανομή Διαδικασία Markov Γεννήσεων Θανάτων (Birth Death Markov Processes) Βασίλης Μάγκλαρης maglaris@netmode.ntua.gr 20/3/2019

Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΓΕΓΟΝΟΤΩΝ POISSON Η τυχαία εμφάνιση παλμών περιγράφεται σαν μια Στοχαστική Ανέλιξη Καταμέτρησης (Counting Process) N(t) που καταμετρά τυχαία γεγονότα (αφίξεις πελατών) στο διάστημα (0, t). Ο αριθμός εμφανίσεων στο διάστημα t, t + T είναι διακριτή τυχαία μεταβλητή ν = N t + T N(t). Κάτω από συνθήκες απρόβλεπτης εξέλιξης της ανέλιξης (τα γεγονότα εμφανίζονται ανεξάρτητα από το παρελθόν και χωρίς να επηρεάζουν το μέλλον), η ν ακολουθεί την κατανομή Poisson με μέσο αριθμό εμφανίσεων ανάλογο του διαστήματος T: E T ν = λt. Η σταθερά λ ορίζει τον μέσο ρυθμό (rate) εμφανίσεων (γεγονότα ανά μονάδα χρόνου)

Η ΚΑΤΑΝΟΜΗ POISSON (1/3) Διακριτή Τυχαία Μεταβλητή ν = N t + T N(t) απαρίθμησης γεγονότων σε χρονικό διάστημα παρατήρησης T που εμφανίζονται τυχαία και ανεξάρτητα από παρελθούσες ή μελλοντικές εμφανίσεις γεγονότων στο δείγμα (υλοποίηση) της Στοχαστικής Ανέλιξης μετρητή N(t) στο οποίο συνεισφέρουν (ιδιότητα έλλειψης μνήμης Markov) Ο μέσος όρος εμφανίσεων γεγονότων στο διάστημα T είναι E T ν = λt Εφαρμογές σε ανεξάρτητες εμφανίσεις τυχαίων γεγονότων: Τυχαίες εκρήξεις που προκαλούν τον ΘΟΡΥΒΟ ΒΟΛΗΣ σε ηλεκτρονικές συσκευές επικοινωνών Ανεξάρτητες τυχαίες αφίξεις πελατών σε ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΥΡΩΝ ΑΝΑΜΟΝΗΣ με απαιτήσεις εξυπηρέτησης όπως: Διεκπεραίωση Τηλεφωνικών Κλήσεων Διακίνηση Πακέτων Δεδομένων στο Internet Κυκλοφορία Αυτοκίνητων σε Οδικά Συστήματα Αγορές και Πληρωμές σε Καταστήματα Επεξεργασία Δεδομένων σε Κοινές Υπολογιστικές Υποδομές

Η ΚΑΤΑΝΟΜΗ POISSON (2/3) Η Κατανομή Poisson σαν Όριο Διωνυμικής Κατανομής Ανεξάρτητες εμφανίσεις {N t = k} γεγονότων (σημείων) Poisson στο διάστημα (0, t) με ρυθμό λ σημεία/sec ορίζουν Διακριτή Τυχαία Μεταβλητή (Discrete Random Variable) {ν = k} με Κατανομή Μάζας Πιθανότητας Απόδειξη P t [ν = k] P N t = k = k λt e λt, k! k = 0,1,2, Διαιρώ το διάστημα t σε n υποδιαστήματα, t = nδt Πραγματοποιώ n ανεξάρτητες δοκιμές Bernouilli, μια σε κάθε υποδιάστημα, με δύο εναλλακτικές: Εμφάνιση (επιτυχία) με πιθανότητα p = λδt, μη εμφάνιση (αποτυχία) με 1 p Η πιθανότητα k επιτυχιών σε n ανεξάρτητες δοκιμές δίνεται από την Διωνυμική Κατανομή: P N t = k = n k pk 1 p n k, k = 0,1,, n P N t = k = n k λδt k 1 λδt n k = n k Στο όριο Δt 0, n, t = nδt έχουμε P N t = k = n! k! n k! n! n k! nk, k λt 1 λt n n λt n 1 λt n n k k n k 1 λt n n k e λt και λt k k! e λt

Η ΚΑΤΑΝΟΜΗ POISSON (3/3) Κατανομή Poisson για Διαφορετικές Τιμές του λt = E N(T) (μέσος αριθμός εμφανίσεων γεγονότων σε διάστημα T) λt Ιδιότητες της Στοχαστικής Ανέλιξης Poisson Μέση Τιμή & Διασπορά: E N t = σ N t = λt Απόδειξη: E N t = lim n E N i t = lim n i=1 2 n i=1 n Οι συνεχείς καμπύλες στο σχήμα είναι οι περιβάλλουσες των Συναρτήσεων Μάζας Πιθανότητας (Ιστογράμματος) της Διακριτής Τυχαίας Μεταβλητής Poisson P T [ν = k] P N T = k = 2 λδt = λt, σ N t = lim n i=1 n λt k k! 2 σ Ni t e λt Ο συνολικός αριθμός σημείων Στοχαστική Ανέλιξης Poisson ρυθμού λ σε μη υπερ-καλυπτόμενα χρονικά διαστήματα T 1, T 2 είναι διακριτή τυχαία μεταβλητή Poisson με μέση τιμή λ(t 1 + T 2 ) Υπέρθεση δυο ανεξαρτήτων Ανελίξεων Poisson N 1 t, N 2 t με ρυθμούς λ 1, λ 2 δίνει Ανέλιξη Poisson N t με ρυθμό λ = λ 1 + λ 2 Διάσπαση Ανέλιξης Poisson ρυθμού λ μέσω ανεξαρτήτων τυχαίων επαναλήψεων Bernoulli με πιθανότητες p, q = 1 p Παράδειγμα: Τυχαία δρομολόγηση χωρίς μνήμη δημιουργεί ανεξάρτητες ανελίξεις (διαδικασίες) Poisson με μέσους ρυθμούς λ 1 = pλ, λ 2 = q = λt

Η ΕΚΘΕΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ (1/2) Συνάρτηση Αθροιστικής Κατανομής (CDF) & Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας (PDF) μεταξύ Σημείων Poisson Το χρονικό διάστημα τ μεταξύ διαδοχικών εμφανίσεων σημείων Poisson είναι Συνεχής Τυχαία Μεταβλητή (Continuous Random Variable) με Εκθετική Κατανομή (Exponential Distribution): CDF: F τ t = P τ t = 1 e λt, t 0 0, t < 0 και PDF: f τ t = df τ(t) = λe λt, t 0 0, t < 0 Απόδειξη 1 F τ t 1 = 1 P τ t 1 = P τ > t 1 = P t1 ν = 0 = λt 1 0 e λt 1 = e λt 1 0! https://en.wikipedia.org/wiki/exponential_distribution CDF: F τ t = P τ t PDF: f t = df τ(t)

Η ΕΚΘΕΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ (2/2) Ιδιότητες Εκθετικής Κατανομής E τ = t=0 λte λt = 1/λ E τ 2 = t=0 λt 2 e λt = 2/λ 2, σ 2 τ = E τ 2 E τ 2 = 1/λ 2 Ιδιότητα έλλειψης μνήμης: P[τ > t + s, τ > s] P τ > t + s τ > s = P[τ > s] = 1 F τ t = P[τ > t + s] P[τ > s] = e λt = P τ > t Η εκθετική κατανομή είναι η μόνη κατανομή συνεχούς μεταβλητής με την ιδιότητα αυτή (Memoryless, Markov Property). Την ίδια ιδιότητα έχει η διακριτή γεωμετρική κατανομή της οποίας το όριο σε συνεχές πεδίο ορισμού είναι η εκθετική κατανομή

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΓΕΝΝΗΣΕΩΝ ΘΑΝΑΤΩΝ (1/4) Birth Death Processes Παραδοχές: o Ανεξαρτησία γεννήσεων-θανάτων o Εξέλιξη της κατάστασης - πληθυσμού n(t) βασισμένη μόνο στο παρόν (Ιδιότητα Markov) Σύστημα Διαφορικών εξισώσεων Διαφορών Κατάσταση ισορροπίας (steady state) Την χρονική στιγμή t το σύστημα καταλήγει σε πληθυσμό n(t) = k Μπορεί να έχουν προηγηθεί οι ακόλουθες μεταβάσεις από την χρονική στιγμή t Δt, Δt 0 : Μία άφιξη στο διάστημα Δt, με πιθανότητα λ k 1 Δt αν k > 0 Μια αναχώρηση, με πιθανότητα μ k+1 Δt αν υπάρχει η κατάσταση k + 1 (σε περίπτωση περιορισμού μέγιστου πληθυσμού K μπορούμε να θεωρήσουμε μ k+1 = 0) Τίποτα από τα δύο, με πιθανότητα 1 (λ k + μ k )Δt αν k > 0 ή 1 λ 0 Δt αν k = 0 Οι εξισώσεις μετάβασης (Chapman - Kolmogorov) προκύπτουν από τον τύπο συνολικής πιθανότητας: P k t = λ k 1 ΔtP k 1 t Δt + μ k+1 ΔtP k+1 t Δt + 1 λ k + μ k Δt P k t Δt P 0 (t) = μ 1 Δt P 1 (t Δt) + (1 λ 0 Δt) P 0 (t Δt) με αρχικές συνθήκες P k 0 και οριακές συνθήκες k P k t = 1, t 8

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΓΕΝΝΗΣΕΩΝ ΘΑΝΑΤΩΝ (2/4) Στο όριο, Δt 0, P k t P k (t Δt) Δt εξισώσεων διαφορών: Birth Death Processes dp k(t) και προκύπτει το γραμμικό σύστημα διαφορικών dp k(t) dp 0(t) = λ k 1 P k 1 t + μ k+1 P k+1 t λ k + μ k P k t, k > 0 = μ 1 P 1 t λ 0 P 0 t με αρχικές συνθήκες P k 0 και οριακές συνθήκες k P k t = 1, t Όταν t και υπό ορισμένες συνθήκες το σύστημα συγκλίνει σε σταθερή κατάσταση. Το μεταβατικό φαινόμενο παρέρχεται για επαναληπτικές καταστάσεις n t = k (απείρως επισκέψιμες - positive recurrent) ξεχνιέται η αρχική συνθήκη P k 0 και οι P k t συγκλίνουν στις οριακές πιθανότητες P k > 0 : Για t, dp k(t) = 0, P k t P k > 0 : Εργοδικές Οριακές Πιθανότητες Σημείωση: Ισχύει η εργοδική ιδιότητα και οι οριακές πιθανότητες μπορούν να προσεγγισθούν σαν P k = lim { T k } όπου T T T k είναι το σχετικό συνολικό χρονικό διάστημα όταν n t = k σε μεγάλο χρονικό ορίζοντα T μιας καταγραφής της ανέλιξης n t σε ισορροπία. Οι εργοδικές οριακές πιθανότητες προκύπτουν από τις γραμμικά ανεξάρτητες Εξισώσεις Ισορροπίας: λ k + μ k P k = λ k 1 P k 1 + μ k+1 P k+1, k > 1 λ 0 P 0 = μ 1 P 1 P 0 + P 1 + + P k + = 1 9

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΓΕΝΝΗΣΕΩΝ ΘΑΝΑΤΩΝ (3/4) Birth Death Processes Εφαρμογή σε Απλή Ουρά Μ/Μ/1 Αφίξεις Poisson με μέσο ρυθμό λ αφίξεις/sec: λ k = λ, k = 0,1,2,3, Χρόνοι εξυπηρέτησης εκθετικοί με μέση τιμή E s = 1 μ sec: μ k = μ, k = 1,2,3, ρ = λ < 1 Erlang (συνθήκη για οριακή ισορροπία εργοδικότητα) μ H εξέλιξη των πιθανοτήτων P n t = k = P k (t) προκύπτει από το σύστημα διαφορικών εξισώσεων: dp k(t) dp 0(t) = λp k 1 t + μp k+1 t λ + μ P k t, k > 0 = μp 1 t λp 0 t με αρχικές συνθήκες P k 0 και οριακές συνθήκες k=0 P k t = 1 t 0 Στο όριο t, dp k(t) = 0, P k t P k > 0, τις εργοδικές πιθανότητες που προκύπτουν από τις εξισώσεις ισορροπίας: λp 0 = μp 1 ή P 1 = λ μ P 0 = ρp 0 λ + μ P 1 = λp 0 + μp 2 ή P 2 = ρ 2 P 0 και γενικά P k = ρ k P 0, k > 0 P 0 + P 1 + + P k + = 1 = P 0 1 + ρ + ρ 2 + ρ 3 + Εφόσον 0 < ρ < 1 η άπειρη δυναμοσειρά 1 + ρ + ρ 2 + ρ 3 + 1 1 ρ P 0( 1 1 ρ ) = 1 και P 0 = 1 ρ, P k = 1 ρ ρ k, k > 0 Μέσο μήκος ουράς Μ/Μ/1 σε ισορροπία: E n t k=1 kp k = ρ 1 ρ 10

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΓΕΝΝΗΣΕΩΝ ΘΑΝΑΤΩΝ (4/4) Birth Death Processes Χρονική Εξέλιξη Πιθανοτήτων Κατάστασης Απλής Ουράς Μ/Μ/1 ρ = λ = 0.5 Erlangs μ Αρχικές Συνθήκες: P 0 0 = 1, P k 0 = 0 Οριακές Εργοδικες Πιθανότητες: lim 0(t) = P 0 = 1 ρ = 0.500 t lim 1(t) = P 1 = 1 ρ ρ = 0.250 t lim 2(t) = P 2 = 1 ρ ρ 2 = 0.125 t 11