NO.21.tip: 泊松过程

背景

  泊松过程(Poisson process)最早是由法国人 Poisson 于 1837 年引入的,故得名。

定义:一随机过程 称为时齐泊松过程,若满足:

  1. 是一计数过程,且 ;
  2. 是独立增量过程,即任取 ,
    相互独立;
  3. 增量平稳性,即 ,
    ;
  4. 对任意 和充分小的 ,有 其中 (称为强度常数), 为高阶无穷小,即 。

  时齐泊松过程(有时简称为泊松流),是一种既典型又简单的,应用极其广泛的随机过程。 可表示在 时间随机事件发生的个数,它可用于刻画"顾客流"、"粒子流"、"信号流"等的概率特性。

  考虑某电话交换台在 内来的呼唤数,记为 。显然它是一计数过程。若它是一平稳独立增量过程,且在一很短时间间隔 内来一次呼唤的概率与 成正比,来一次以上呼唤的概率是 的高阶无穷小,则 就是泊松过程。 表示在 内事件发生的个数。

源与流

  首先有下面的重要定理

定理:若 为泊松过程,则 ,有 即 是参数为 的泊松分布。

证明

  由增量平稳性,记

先看 的情形。因

故

另一方面

代入上式,有

令 ,两边取极限,得

这是一阶线性常系数微分方程。由初始条件 ,可得

再看 的情形,因

故

化简可得

令 ,两边取极限,有

将上式两边乘以 ,移项后可得

且满足初始条件

当 时

注意到初始条件 ,可得

再用归纳法即有

  为了应用方便,给出以下等级啊定义

定义:一计数过程 称为参数是 的时齐泊松过程,若满足:

  1. ;
  2. 是独立增量过程;
  3. ,即其增量是参数为 的泊松分布。

相邻时间的时间间隔,泊松过程与指数分布的关系

  我们用过程的样本函数的特性来刻画泊松过程,从而揭示它与指数分布之间的内在联系。

  设 是一计数过程, 表示在 内事件发生(或"顾客"到达)的个数。令 , 表示第 个事件发生的时刻 , 表示第 个事件与第 个事件发生的时间间隔。用式子表示为

注意,此时对 ,下列事件等价:

这里 表示集合 的下确界,即集合的最大下界。例如 。于是 ,有 ,。

因此, 的分布函数为:当 时,;当 时,有

的概率密度函数为

特别是当 时,有 即 是参数为 的指数分布。那么, 又如何呢?它们之间的关系又会怎样呢?有如下漂亮的结果。

定理:计数过程 是泊松过程的充分必要条件是 是独立且参数同为 的指数分布。

证明:

先证必要性。步骤如下:

第一步,求 的联合概率密度。令 ,取充分小的 ,使

由

其中

得

所以 的联合概率密度函数为

第二步,求 的联合概率密度。注意到 ,令 ,则变换的雅可比(Jacobian)行列式为

于是 的联合概率密度为

由上可得 的概率密度为 。于是 即证明了 独立同指数分布。必要性证毕。

下面证明充分性。设 独立同指数分布。令 ,对 ,定义 。由上定义可验证 是计数过程。下面仍分三步证明它是泊松过程。

第一步求 的联合概率密度及 的分布。注意到证必要性第二步的逆过程仍成立,即由 的联合概率密度

经 ,可得 的联合概率密度为

由上可得 的分布为

故

第二步证平稳性。这里只写出对 的证明。利用全概率公式,有

又由 独立同分布,可得

类似地,有 ,故

(注:对 情形类似证明)

第三步证增量独立性。为突出方法,这里仅证 , 与 相互独立,即证 ,有

只写出 与 的情形,其他可类似证之。