chapter 3 poisson process

Poisson process

连续时间随机过程的想法是从离散时间推广.

考虑一个 DTMC 形式的计数过程

Xn=X0+Z1+⋯+Zn,Zi={1p01−pX_n = X_0+Z_1+\cdots+Z_n,\qquad Z_i=\begin{cases} 1 \quad p\\ 0 \quad 1-p \end{cases}

这是一个经典的计数过程 counting process.

counting process

N(0)=0,N(t)∈N0,N(t) non-decreasing and right continuousN(0)=0,\qquad N(t)\in \mathbb{N}_0,\qquad N(t)\ \text{non-decreasing and right continuous}

到达时间 arrival time TiT_i , inter-event time τi=Ti−Ti−1\tau_i=T_i-T_{i-1} , 其中 T0=0T_0=0 .

可以进一步对时间轴做切分, 比如在单位时间内考虑 NN 个小 bin. 若 tNtN 不是整数, 可以取 ⌊tN⌋\lfloor tN\rfloor :

XtN=Z1N+⋯+Z⌊tN⌋NX_t^N=Z_1^N+\cdots+Z_{\lfloor tN\rfloor}^N

其中

ZiN∼Bernoulli(pN)Z_i^N\sim \mathrm{Bernoulli}(p_N)

且令

E(X1N)=NpN=λ,pN=λN\mathbb{E}(X_1^N)=Np_N=\lambda,\qquad p_N=\frac{\lambda}{N}

当考虑 N→∞N\to\infty 的极限时, 这称为一个 Poisson process.

Poisson process

先看单点分布

XtN∼Binom(⌊tN⌋,λN)→Poisson(λt)X_t^N \sim \mathrm{Binom}\left(\lfloor tN\rfloor,\frac{\lambda}{N}\right)\to \mathrm{Poisson}(\lambda t)

同样考虑

XtN−XsN∼Binom(⌊tN⌋−⌊sN⌋,λN)→Poisson(λ(t−s))t≥sX_t^N-X_s^N \sim \mathrm{Binom}\left(\lfloor tN\rfloor-\lfloor sN\rfloor,\frac{\lambda}{N}\right)\to \mathrm{Poisson}(\lambda(t-s))\quad t\geq s

并且在两个不相交的时间段上发生的事件是独立的.

define

(N(t),t≥0)(N(t),t\geq 0) is a Poisson process with rate λ\lambda if

更多性质:

μN(t)=EN(t)=λt\mu_N(t)=\mathbb{E}N(t)=\lambda t

若 s≤ts\leq t , 则 N(t)=N(s)+[N(t)−N(s)]N(t)=N(s)+[N(t)-N(s)] , 且增量独立, 因此

CN(s,t)=Cov(N(s),N(t))=Var(N(s))=λs=λ(s∧t)C_N(s,t)=\mathrm{Cov}(N(s),N(t))=\mathrm{Var}(N(s))=\lambda s=\lambda(s\land t)

joint pmf: 若 s≤ts\leq t 且 i≤ji\leq j , 则

P(N(s)=i,N(t)=j)=P(N(s)=i)P(N(t)−N(s)=j−i)P(N(s)=i,N(t)=j)=P(N(s)=i)P(N(t)-N(s)=j-i)

即

P(N(s)=i,N(t)=j)=e−λt(λs)ii!(λ(t−s))j−i(j−i)!P(N(s)=i,N(t)=j)=e^{-\lambda t}\frac{(\lambda s)^i}{i!}\frac{(\lambda(t-s))^{j-i}}{(j-i)!}

更一般地, 对 0=t0<t1<⋯<tm0=t_0<t_1<\cdots<t_m , 有

P(N(t1)=n1,⋯ ,N(tm)=nm)=∏k=1me−λ(tk−tk−1)(λ(tk−tk−1))nk−nk−1(nk−nk−1)!P(N(t_1)=n_1,\cdots,N(t_m)=n_m) =\prod_{k=1}^m e^{-\lambda(t_k-t_{k-1})} \frac{(\lambda(t_k-t_{k-1}))^{n_k-n_{k-1}}}{(n_k-n_{k-1})!}

其中 0=n0≤n1≤⋯≤nm0=n_0\leq n_1\leq\cdots\leq n_m . 这说明有限维分布完全由独立增量给出.

从单点分布还可以得到 probability generating function:

EzN(t)=exp⁡(λt(z−1))\mathbb{E}z^{N(t)}=\exp(\lambda t(z-1))

因此 moment generating function 为

EeθN(t)=exp⁡(λt(eθ−1))\mathbb{E}e^{\theta N(t)}=\exp(\lambda t(e^\theta-1))

这在计算随机和、thinning 和 compound Poisson process 时很方便.

small interval characterization

Poisson process 也可以用小时间间隔描述. 当 h↓0h\downarrow 0 ,

P(N(t+h)−N(t)=1)=λh+o(h)P(N(t+h)-N(t)=1)=\lambda h+o(h) P(N(t+h)−N(t)≥2)=o(h)P(N(t+h)-N(t)\geq 2)=o(h)

因此也有

P(N(t+h)−N(t)=0)=1−λh+o(h)P(N(t+h)-N(t)=0)=1-\lambda h+o(h)

这说明在很短时间内发生一次的概率与长度成正比, 发生两次及以上是更小量. 若一个 counting process 有独立增量, 并且满足这些小区间条件, 则可以推出它是 rate λ\lambda 的 Poisson process. 这个刻画常用来从 infinitesimal transition rate 出发定义连续时间过程.

arrival time

首先

{T1>t}={N(t)=0}\{T_1>t\}=\{N(t)=0\}

即

P(T1>t)=e−λt  ⟹  T1∼Exp(λ)P(T_1>t)= e^{-\lambda t}\implies T_1 \sim \mathrm{Exp}(\lambda)

独立增量表明后面的到达时间间隔都是独立同分布的指数形式:

τi=Ti−Ti−1∼i.i.d.Exp(λ)\tau_i=T_i-T_{i-1}\overset{\text{i.i.d.}}{\sim}\mathrm{Exp}(\lambda)

同样

{Tk>t}={N(t)≤k−1}\{T_k>t\}=\{N(t)\leq k-1\}

即

P(Tk>t)=∑i=0k−1e−λt(λt)ii!P(T_k>t)=\sum_{i=0}^{k-1}e^{-\lambda t}\frac{(\lambda t)^i}{i!}

从而 pdf

fTk(t)=−ddtP(Tk>t)=λe−λt(λt)k−1(k−1)!,t>0f_{T_k}(t)=-\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} t} P(T_k> t)=\lambda e^{-\lambda t}\frac{(\lambda t)^{k-1}}{(k-1)!},\qquad t>0

也就是说

Tk=τ1+⋯+τk∼Gamma(k,λ)T_k=\tau_1+\cdots+\tau_k\sim \mathrm{Gamma}(k,\lambda)

这里第二个参数采用 rate 记号.

也可以得到 joint pdf of (T1,⋯ ,Tn)(T_1,\cdots,T_n) , 做法是划分然后用独立增量. 对 0<t1<⋯<tn0<t_1<\cdots<t_n , 取足够小的 ϵ\epsilon ,

P(Ti∈(ti−ϵ,ti] ∀i)=e−λtn(λϵ)n+o(ϵn)P(T_i \in(t_i-\epsilon,t_i]\ \forall i)=e^{-\lambda t_n}(\lambda \epsilon)^n+o(\epsilon^n)

从而 pdf

fT1,⋯ ,Tn(t1,⋯ ,tn)=λne−λtn10<t1<⋯<tnf_{T_1,\cdots,T_n}(t_1,\cdots,t_n)=\lambda^n e^{-\lambda t_n}\mathbf{1}_{0<t_1<\cdots<t_n}

做微分同胚 (T1,⋯ ,Tn)→(τ1,⋯ ,τn)(T_1,\cdots,T_n)\to (\tau_1,\cdots,\tau_n) , 其中 tk=τ1+⋯+τkt_k=\tau_1+\cdots+\tau_k , Jacobian 为 11 , 即可得到

fτ1,⋯ ,τn(u1,⋯ ,un)=λne−λ(u1+⋯+un)1ui>0f_{\tau_1,\cdots,\tau_n}(u_1,\cdots,u_n)=\lambda^n e^{-\lambda(u_1+\cdots+u_n)}\mathbf{1}_{u_i>0}

这正好分解成 nn 个 Exp(λ)\mathrm{Exp}(\lambda) 密度的乘积.

conditional arrival times

给定 N(t)=nN(t)=n 时, 这 nn 个到达时间在 [0,t][0,t] 上的条件分布等价于 nn 个 i.i.d. Unif(0,t)\mathrm{Unif}(0,t) 排序后的 order statistics. 因此

fT1,⋯ ,Tn∣N(t)=n(t1,⋯ ,tn)=n!tn10<t1<⋯<tn<tf_{T_1,\cdots,T_n\mid N(t)=n}(t_1,\cdots,t_n)=\frac{n!}{t^n}\mathbf{1}_{0<t_1<\cdots<t_n<t}

这个性质和独立增量是等价地刻画 Poisson process 的方式之一. 更准确地说, 它通常需要和 N(t)∼Poisson(λt)N(t)\sim \mathrm{Poisson}(\lambda t) 这样的边缘分布条件一起使用, 才能完整刻画 Poisson process.

当然另一种方式是直接按照 conditional probability 计算, 因为我们已经获得了联合分布

{T1=t1,⋯ ,Tn=tn,N(t)=n}={τ1=t1,⋯ ,τn=tn−tn−1,τn+1>t−tn}\{T_1=t_1,\cdots ,T_n=t_n, N(t)=n \}=\{\tau_1=t_1,\cdots,\tau_n=t_{n}-t_{n-1},\tau_{n+1}>t-t_n\}

即

(λe−λt1)⋯(λe−λ(tn−tn−1))e−λ(t−tn)=λne−λt(\lambda e^{-\lambda t_1})\cdots (\lambda e^{-\lambda(t_{n}-t_{n-1})})e^{-\lambda (t-t_{n})}=\lambda^n e^{-\lambda t}

于是

fT1,⋯ ,Tn∣N(t)=n(t1,⋯ ,tn)=λne−λt(λt)ne−λt/n!=n!tnf_{T_1,\cdots,T_n\mid N(t)=n}(t_1,\cdots,t_n)=\frac{\lambda^n e^{-\lambda t}}{(\lambda t)^n e^{-\lambda t}/n!}=\frac{n!}{t^n}

可以计算条件概率

P(N(s)=m∣N(t)=n)s<t,m≤nP(N(s)=m|N(t)=n)\quad s<t,m\leq n

直接的做法是用条件概率展开, 分析中间的独立增量, 上面已经给出了在条件概率下, 独立 增量是均匀分布的 order statistics, 所以这里就相当于一个二项分布的过程, 按照概率 s/ts/t 给每个独立增量分配位置 这个结果和发生速率无关

特别地, 对 0<s<t0<s<t ,

N(s)∣N(t)=n∼Binom(n,st)N(s)\mid N(t)=n\sim \mathrm{Binom}\left(n,\frac{s}{t}\right)

更一般地, 若把 [0,t][0,t] 划分为不相交的小段 A1,⋯ ,AmA_1,\cdots,A_m , 长度为 ∣Ai∣|A_i| , 则给定 N(t)=nN(t)=n 后有 multinomial 分布:

P(N(A1)=n1,⋯ ,N(Am)=nm∣N(t)=n)=n!n1!⋯nm!∏i=1m(∣Ai∣t)niP(N(A_1)=n_1,\cdots,N(A_m)=n_m\mid N(t)=n) =\frac{n!}{n_1!\cdots n_m!}\prod_{i=1}^m\left(\frac{|A_i|}{t}\right)^{n_i}

这里 ∑ini=n\sum_i n_i=n . 这正是 “给定总点数后, 点在区间内均匀撒开” 的离散版本.

Markov property and generator

把 N(t)N(t) 看成状态空间为 N0\mathbb{N}_0 的连续时间 Markov chain, 则对 h≥0h\geq 0 ,

P(N(t+h)=j∣N(t)=i)={e−λh(λh)j−i(j−i)!,j≥i0,j<iP(N(t+h)=j\mid N(t)=i)= \begin{cases} e^{-\lambda h}\dfrac{(\lambda h)^{j-i}}{(j-i)!},\quad j\geq i\\ 0,\quad j<i \end{cases}

即从状态 ii 出发只能向上跳, 且跳的次数服从 Poisson(λh)\mathrm{Poisson}(\lambda h) . 它的生成元 Q=(qij)Q=(q_{ij}) 为

qi,i+1=λ,qi,i=−λ,qij=0otherwiseq_{i,i+1}=\lambda,\qquad q_{i,i}=-\lambda,\qquad q_{ij}=0\quad \text{otherwise}

从生成元看, 过程在每个状态以 rate λ\lambda 等待, 然后跳到下一个状态. 这和 inter-event time τi∼Exp(λ)\tau_i\sim\mathrm{Exp}(\lambda) 是同一个事实.

对应的 transition semigroup 为

pt(i,j)=P(N(t)=j∣N(0)=i)=1j≥ie−λt(λt)j−i(j−i)!p_t(i,j)=P(N(t)=j\mid N(0)=i) =\mathbf{1}_{j\geq i}e^{-\lambda t}\frac{(\lambda t)^{j-i}}{(j-i)!}

它满足 Kolmogorov forward equation

ddtpt(i,j)=λpt(i,j−1)−λpt(i,j)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}p_t(i,j) =\lambda p_t(i,j-1)-\lambda p_t(i,j)

这里约定 pt(i,j)=0p_t(i,j)=0 if j<ij<i . backward equation 则是

ddtpt(i,j)=λpt(i+1,j)−λpt(i,j)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}p_t(i,j) =\lambda p_t(i+1,j)-\lambda p_t(i,j)

superposition and thinning

superposition

若 NiN_i 独立, 且 rates 为 λi\lambda_i , 则 N=N1+⋯+NnN=N_1+\cdots+N_n 是 rate λ1+⋯+λn\lambda_1+\cdots+\lambda_n 的 Poisson process.

验证: 这是一个 counting process, 再考虑 s<ts<t 的计数分布 N(t)−N(s)=∑iNi(t)−Ni(s)N(t)-N(s)= \sum_i N_i(t)-N_i(s) , 这是一堆独立分布的和 对于独立增量性质, 考虑 t1<t2<⋯<tnt_1<t_2<\cdots<t_n , N(ti)−N(ti−1)=∑jNj(ti)−Nj(ti−1)N(t_i)-N(t_{i-1})=\sum_j N_j(t_i)-N_j(t_{i-1}) 都是一些独立分布的和, 且都满足独立增量, 故它们也是相互独立的

thinning

对 NN , 对事件 Yi=jw.p.pjY_i=j \quad \mathrm{w.p.} \quad p_j , 那么 Nj(t)=∑i=1N(t)1Yi=jN_j(t)=\sum_{i=1}^{N(t)}\mathbf{1}_{Y_i=j} , 则 NjN_j 是相互独立的 poisson process with rate λpj\lambda p_j

性质的验证也是简单的, 记 Ni(s+t)−Ni(s)=XiN_i(s+t)-N_i(s)=X_i 那么

P(X1=j,X2=k)=P(N(t+s)−N(s)=j+k,∑i=1j+k1Yi=1=j)=e−λt(λt)j+k(j+k)!(j+kj)p1jp2kP(X_1=j, X_2=k)=P(N(t+s)-N(s)=j+k,\sum_{i=1}^{j+k}\mathbf{1}_{Y_i=1}=j)=e^{-\lambda t}\frac{(\lambda t)^{j+k}}{(j+k)!}\binom{j+k}{j}p_1^j p_2^k

可以拆分为独立乘积

另一个更快的验证是用生成函数. 对 superposition,

EzN1(t)+N2(t)=exp⁡(λ1t(z−1))exp⁡(λ2t(z−1))=exp⁡((λ1+λ2)t(z−1))\mathbb{E}z^{N_1(t)+N_2(t)} =\exp(\lambda_1t(z-1))\exp(\lambda_2t(z-1)) =\exp((\lambda_1+\lambda_2)t(z-1))

对 thinning, 若保留下来的计数记为 Np(t)N_p(t) , 则

Np(t)∣N(t)=n∼Binom(n,p)N_p(t)\mid N(t)=n\sim \mathrm{Binom}(n,p)

于是

EzNp(t)=E[(1−p+pz)N(t)]=exp⁡(λtp(z−1))\mathbb{E}z^{N_p(t)} =\mathbb{E}\left[(1-p+pz)^{N(t)}\right] =\exp(\lambda t p(z-1))

若删除的过程记为 N1−p(t)N_{1-p}(t) , 联合生成函数为

EuNp(t)vN1−p(t)=exp⁡(λt(pu+(1−p)v−1))=exp⁡(pλt(u−1))exp⁡((1−p)λt(v−1))\mathbb{E}u^{N_p(t)}v^{N_{1-p}(t)} =\exp(\lambda t(pu+(1-p)v-1)) =\exp(p\lambda t(u-1))\exp((1-p)\lambda t(v-1))

所以保留和删除两个过程不仅边缘上是 Poisson process, 而且相互独立.

compensated Poisson martingale

Poisson process 本身不是 martingale, 因为

E(N(t)∣Fs)=N(s)+λ(t−s),s≤t\mathbb{E}(N(t)\mid\mathcal{F}_s)=N(s)+\lambda(t-s),\qquad s\leq t

但补偿以后

M(t)=N(t)−λtM(t)=N(t)-\lambda t

是一个 martingale:

E(M(t)∣Fs)=N(s)+λ(t−s)−λt=N(s)−λs=M(s)\mathbb{E}(M(t)\mid\mathcal{F}_s)=N(s)+\lambda(t-s)-\lambda t=N(s)-\lambda s=M(s)

进一步, 因为 jump size 都是 11 , martingale 的 quadratic variation 为

[M](t)=∑0<u≤t(ΔM(u))2=N(t)[M](t)=\sum_{0<u\leq t}(\Delta M(u))^2=N(t)

predictable quadratic variation 为

⟨M⟩(t)=λt\langle M\rangle(t)=\lambda t

于是

M(t)2−λtM(t)^2-\lambda t

也是 martingale. 这可以直接从条件方差看出:

Var(N(t)−N(s)∣Fs)=λ(t−s)\mathrm{Var}(N(t)-N(s)\mid\mathcal{F}_s)=\lambda(t-s)

更一般地, 指数补偿后也可以得到 martingale:

exp⁡(θN(t)−λt(eθ−1))\exp\left(\theta N(t)-\lambda t(e^\theta-1)\right)

其中 θ\theta 取使期望有限的实数. 这个公式和前面的 mgf 是同一个结构.

simulate Poisson process

最简单的做法是直接生成时间间隔 τi∼Exp(λ)\tau_i \sim \mathrm{Exp}(\lambda) , 然后得到 arrival time TiT_i 然后增量都发生在 arrival time

N(s)=max⁡{n:Tn≤s}N(s)=\max\{n:T_n \leq s\}

这满足 poisson 的要求

重要的一点是利用分布的无记忆性

具体算法可以写成:

  1. 生成 τ1,τ2,⋯∼i.i.d.Exp(λ)\tau_1,\tau_2,\cdots\overset{\text{i.i.d.}}{\sim}\mathrm{Exp}(\lambda)
  2. 令 Tn=τ1+⋯+τnT_n=\tau_1+\cdots+\tau_n
  3. 对每个 tt , 取 N(t)=max⁡{n:Tn≤t}N(t)=\max\{n:T_n\leq t\}

如果只需要在固定时间 tt 模拟 N(t)N(t) , 也可以直接抽

N(t)∼Poisson(λt)N(t)\sim \mathrm{Poisson}(\lambda t)

但如果需要整条 sample path, 用 arrival times 更自然.

前面只考虑了时齐的 poisson process, 现在考虑 non - homogeneous 版本

Non - homogeneous poisson process

同样, 这也应该满足 poisson process 的性质. 这里至少要求 λ(t)≥0\lambda(t)\geq 0 且在有限区间上可积.

  1. counting process N(0)=0N(0)=0
  2. Independent increments
  3. N(t)−N(s)=Poisson(∫stλ(u)du)N(t)-N(s)=\mathrm{Poisson}(\int_s^t \lambda(u)\mathrm{d}u)

若记

Λ(t)=∫0tλ(u) du\Lambda(t)=\int_0^t\lambda(u)\,\mathrm{d}u

则 N(t)−N(s)∼Poisson(Λ(t)−Λ(s))N(t)-N(s)\sim\mathrm{Poisson}(\Lambda(t)-\Lambda(s)) . 如果 Λ\Lambda 严格递增, 经过 time change 后 Λ(Ti)\Lambda(T_i) 是 rate 11 的齐次 Poisson process 的到达时间.

小区间刻画对应为

P(N(t+h)−N(t)=1)=λ(t)h+o(h)P(N(t+h)-N(t)=1)=\lambda(t)h+o(h)

以及

P(N(t+h)−N(t)≥2)=o(h)P(N(t+h)-N(t)\geq 2)=o(h)

这时不再有 stationary increments, 因为增量分布不仅取决于区间长度, 还取决于区间所在的位置.

poisson regression 更一般地考虑带参强度 log⁡λ(t,x)=βt,0+βt,1Tx\log \lambda(t,x)=\beta_{t,0}+\beta_{t,1}^T\mathrm{x}

然后考虑对这种强度进行 regression

Poisson approximation

考虑

∑i=1nBern(λ(ti)⋅ε)≃Poi(∑i=1nλ(ti)ε)≃Poi(∫stλ(u)du)\sum_{i=1}^n \mathrm{Bern}(\lambda(t_i)\cdot \varepsilon) \simeq \mathrm{Poi}\left(\sum_{i=1}^n \lambda (t_i)\varepsilon\right) \simeq \mathrm{Poi}\left(\int_s^t \lambda(u)\mathrm{d}u\right)

这里的直觉是: 很多小概率、近似独立的事件相加会趋近 Poisson 分布. 若每个小 bin 的概率是 pip_i , 且 max⁡ipi→0\max_i p_i\to 0 , ∑ipi→μ\sum_i p_i\to \mu , 则

∑iBern(pi)⇒Poisson(μ)\sum_i \mathrm{Bern}(p_i)\Rightarrow \mathrm{Poisson}(\mu)

arrival time

{T1>t}={N(t)=0},N(t)∼Poisson(∫0tλ(u)du)\{T_1>t\}=\{N(t)=0\},\qquad N(t)\sim \mathrm{Poisson}\left(\int_0^t \lambda(u)\mathrm{d}u\right)

则

P(T1>t)=exp⁡(−∫0tλ(u)du),fT1(t)=λ(t)exp⁡(−μ(t))P(T_1>t)=\exp\left(-\int_0^t\lambda(u)\mathrm{d}u\right), \qquad f_{T_1}(t)=\lambda(t)\exp(-\mu(t))

这里

μ(t)=∫0tλ(u)du\mu(t)=\int_0^t\lambda(u)\mathrm{d}u

Inter - event time

事件之间发生的等待时间不是独立的, 因为现在强度是含时的

P(τ2>t∣τ1=s)=P(Poi(∫ss+tλ(u)du)=0)=exp⁡(−∫ss+tλ(u)du)P(\tau_2>t\mid \tau_1=s) =P\left(\mathrm{Poi}\left(\int_s^{s+t}\lambda(u)\mathrm{d}u\right)=0\right) =\exp\left(-\int_s^{s+t}\lambda(u)\mathrm{d}u\right)

τ1,τ2\tau_1,\tau_2 dependent , non - identical

给定 N(t)=nN(t)=n 时, unordered arrival times 不再是 uniform, 而是具有密度

f(u)=λ(u)Λ(t),0<u<tf(u)=\frac{\lambda(u)}{\Lambda(t)},\qquad 0<u<t

因此 ordered arrival times 的条件 joint density 为

fT1,⋯ ,Tn∣N(t)=n(t1,⋯ ,tn)=n!∏i=1nλ(ti)Λ(t)10<t1<⋯<tn<tf_{T_1,\cdots,T_n\mid N(t)=n}(t_1,\cdots,t_n) =n!\prod_{i=1}^n\frac{\lambda(t_i)}{\Lambda(t)} \mathbf{1}_{0<t_1<\cdots<t_n<t}

Compound poisson process

实际上, poisson 过程的事件发生应该对背后的系统有影响

考虑每个事件的影响 YiY_i , 先考虑 i.i.d.

S(t)=Y1+Y2+⋯+YN(t)S(t)=Y_1+Y_2+\cdots +Y_{N(t)}

那么

E(S(t)∣N(t)=n)=E(Y1+⋯+Yn)=nEY\mathbb{E}(S(t)\mid N(t)=n)=\mathbb{E}(Y_1+\cdots +Y_n)=n \mathbb{E}Y

那么

E(S(t))=EN(t)⋅EY=λtEY\mathbb{E}(S(t))=\mathbb{E}N(t)\cdot \mathbb{E}Y=\lambda t \mathbb{E}Y

二阶矩也是相同的

E[S2(t)∣N(t)=n]=E(Y1+⋯+Yn)2=(nEY)2+nVarY\mathbb{E}[S^2(t)\mid N(t)=n] =\mathbb{E}(Y_1+\cdots+Y_n)^2 =(n\mathbb{E}Y)^2+n \mathrm{Var}Y

从而

ES2(t)=EN2(t)(EY)2+EN(t)⋅VarY\mathbb{E}S^2(t)=\mathbb{E}N^2(t)(\mathbb{E}Y)^2+\mathbb{E}N(t)\cdot \mathrm{Var}Y

最后计算 variance

Var(S(t))=Var(N(t))(EY)2+EN(t)VarY=λtE(Y2)\mathrm{Var}(S(t))=\mathrm{Var}(N(t))(\mathbb{E}Y)^2+\mathbb{E} N(t)\mathrm{Var}Y=\lambda t \mathbb{E}(Y^2)

前一步对一般的 counting process 都是适用的; 最后一步使用了 Poisson process 的 EN(t)=Var(N(t))=λt\mathbb{E}N(t)=\mathrm{Var}(N(t))=\lambda t .

同样可以补偿成 martingale:

S(t)−λt EYS(t)-\lambda t\,\mathbb{E}Y

是 martingale, 这里默认 YiY_i 与 N(t)N(t) 独立且一阶矩存在.

compound Poisson process 的分布通常不用直接写 pmf, 而是用 transform 描述. 若 Y1Y_1 的 mgf 存在, 则

EeθS(t)=E[(EeθY1)N(t)]=exp⁡(λt(EeθY1−1))\mathbb{E}e^{\theta S(t)} =\mathbb{E}\left[(\mathbb{E}e^{\theta Y_1})^{N(t)}\right] =\exp\left(\lambda t(\mathbb{E}e^{\theta Y_1}-1)\right)

同样, characteristic function 为

EeiuS(t)=exp⁡(λt(EeiuY1−1))\mathbb{E}e^{iuS(t)} =\exp\left(\lambda t(\mathbb{E}e^{iuY_1}-1)\right)

从独立增量看, S(t)−S(s)S(t)-S(s) 只由 (s,t](s,t] 内的 arrivals 和 jump sizes 决定, 因而 compound Poisson process 仍有 independent increments. 若 Yi≥0Y_i\geq 0 , 它也是一个 non-decreasing process; 若 YiY_i 可正可负, 它就是一个带有限活动 jumps 的纯跳过程.

对 τi\tau_i 的分布的无记忆性的推广, 即为 renewal process

Renewal process

即等待时间满足

  1. τ1,τ2,⋯∼i.i.d.F\tau_1,\tau_2,\cdots\overset{\text{i.i.d.}}{\sim} F 且 F(0)=0F(0)=0
  2. Tn=τ1+τ2+⋯+τnT_n=\tau_1+\tau_2+\cdots +\tau_n
  3. N(t)=max⁡{n:Tn≤t}N(t)=\max\{n: T_n\leq t\}

当 FF 是指数分布时, 回到 poisson process

和 Poisson process 不同, 一般 renewal process 的 increments 不独立, 也通常不是 Markov process. 原因是未来的等待时间分布会依赖当前时刻在一个 renewal interval 中已经等待了多久, 即所谓 age 或 residual lifetime.

renewal rate

考虑平均发生次数, 则满足

N(t)tlim⁡t→∞N(t)t=1Eτ1\frac{N(t)}{t}\quad \lim_{t\to \infty}\frac{N(t)}{t}=\frac{1}{\mathbb{E}\tau_1}

这个结果一样来自 SLLN

Tnn=τ1+⋯+τnn→a.s.Eτ\frac{T_n}{n}=\frac{\tau_1+\cdots+\tau_n}{n}\overset{\mathrm{a.s.}}{\to} \mathbb{E}\tau

从而

TN(t)≤t<TN(t)+1T_{N(t)}\leq t<T_{N(t)+1}

同样夹逼得到结果:

TN(t)N(t)≤tN(t)<TN(t)+1N(t)\frac{T_{N(t)}}{N(t)}\leq \frac{t}{N(t)}<\frac{T_{N(t)+1}}{N(t)}

左右两边都趋向 Eτ1\mathbb{E}\tau_1 , 因而 N(t)/t→1/Eτ1N(t)/t\to 1/\mathbb{E}\tau_1 .

renewal reward process

和前面的想法几乎相同, 在每个事件发生时, 都有 reward rir_i , pair (ri,τi)(r_i,\tau_i) 是 i.i.d. 的

R(t)=r1+⋯+rN(t)R(t)=r_1+\cdots+r_{N(t)}

同样有 reward rate, 看长期的收益率

R(t)t\frac{R(t)}{t}

则也有

R(t)t→a.s.Er1Eτ1\frac{R(t)}{t}\overset{\mathrm{a.s.}}{\to} \frac{\mathbb{E}r_1}{\mathbb{E}\tau_1}

同样是使用 SLLN

R(t)t=N(t)t1N(t)∑i=1N(t)ri\frac{R(t)}{t}=\frac{N(t)}{t}\frac{1}{N(t)}\sum_{i=1}^{N(t)}r_i

这里要求 E∣r1∣<∞\mathbb{E}|r_1|<\infty 和 Eτ1<∞\mathbb{E}\tau_1<\infty . 若 rir_i 和 τi\tau_i 不独立也没关系, 只要 pair (ri,τi)(r_i,\tau_i) 是 i.i.d. 即可.

前面的 renewal rate 可以看作一个特殊的 reward rate

另一个例子是 alternating renewal process

考虑每次发生事件会改变系统的状态, 如: 可用/不可用

那么

τi=si+uiri=si\tau_i=s_i+u_i\quad r_i=s_i

从而

R(t)t→EsiE(si+ui)=μFμF+μG\frac{R(t)}{t}\to \frac{\mathbb{E}s_i}{\mathbb{E}(s_i+u_i)}=\frac{\mu_F}{\mu_F+\mu_G}

还有一些排队系统的建模