泊松过程
第三章泊松(Poisson)过程.
4. 齐次泊松过程的两个相关随机变量
设{N (t), t 0}是强度为的泊松过程，Wn(n 1)
表示事件第n次出现的等待时间.
W0 0
记 Ti Wi Wi1, i 1,2, 则Ti 表示第n-1次
事件发生到第n次事件发生的时间间隔.
（每小时）的泊松过程 {N(t), t 0}, 若每个人消费 的金额（元）为独立同分布的随机变量 Yn：
f ( y) 0.05e0.05 y ( y 0)
设 X(t) 表示 [0,t) 时间内该超市的总营业额，求3 小时内总营业额的期望和方差.
基础部张守成 2020年2月28日星期五
令 s 0, 根据假设 N (0) 0 可得
均值函数: E[N (t)] t,
方差函数: DN (t) Var[N (t )] t
E[ N (t)].
t
泊松过程的强度等于单位长时间间隔内发生的事件 数目的均值.
基础部张守成 2020年2月28日星期五
(2) 协方差函数:
设{N(t), t0}是强度的泊松过程,{Yk,k=1,2,}是
独立同分布随机变量序列,且与{N(t), t0}独立,令
N (t)
X (t) Yk , t 0 k 1
则称为复合泊松过程. 例 设N(t)是在(0, t]内来到某商店的顾客数,Yk是
N (t)
第k个顾客的花费,则 X (t) 是Yk (0, t]内的营业额. k 1
如果对任意的实数h 和 0 s h t h,
X (t h) X (s h) 和 X (t) X (s) 具有相同的分布, 则称增量具有平稳性.
泊松过程的性质
到达时刻的分布
01
到达时刻的分布是均匀分布。在泊 松过程中，到达时刻的概率密度函 数为$f(t) = lambda e^{-lambda t}$，其中$t$是到达时刻。
02
到达时刻的期望和方差分别为 $E(T) = frac{1}{lambda}$和 $Var(T) = frac{1}{lambda^2}$ 。
泊松过程的性质
目录
CONTENTS
• 泊松过程的定义 • 泊松过程的性质 • 泊松过程的统计特性 • 泊松过程的扩展和推广 • 泊松过程的应用
01
CHAPTER
泊松过程的定义
泊松过程的基本概念
01
02
03
随机性
泊松过程是一种随机过程， 其事件的发生具有随机性。
独立性
泊松过程中，任意两个不 相交的时间区间内发生的 事件相互独立。
马尔科夫到达过程是一 种特殊的泊松过程，其 中事件的发生概率只与 当前状态有关，而与过 去的状态无关。
在马尔科夫到达过程中 ，事件的发生是一个马 尔科夫链的过程，即下 一个事件的发生概率只 取决于当前事件是否发 生，而与之前的事件无 关。这种过程具有无记 忆性。
马尔科夫到达过程的数 学表达通常使用马尔科 夫链和概率论，通过状 态转移概率和转移矩阵 来描述。
平稳性
总结词
平稳性是指泊松过程的事件发生频率与时间无关，即单位时间内发生的事件数 是一个常数。
详细描述
在泊松过程中，事件的发生频率是恒定的，不随时间的推移而改变。这意味着 在任意一个固定的时间间隔内，事件发生的次数是一个随机变量，但其均值等 于单位时间间隔内的事件发生率。
无后效性
总结词
无后效性是指泊松过程中，过去的事件不会影响未来的事件。
第三章 泊松过程
第一节、泊松过程的基本概念
证明： （1） 0 N (0) N1 (0) N2 (0) 可得 N1 (0) N2 (0) 0 （2）由N(t)的独立增量性可得，N1 (t ), N2 (t ) 也为独立增量过程； （3）记 N (t s) N (t ) N (t , t s) P[ N1 (t , t s ) k1 ]
泊松过程（Poisson process）最早由法国人Poisson于 1837年引入。
主 要 内 容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
泊松过程的基本概念 相邻时间的时间间隔 剩余寿命与年龄 非时齐泊松过程 复合泊松过程 更新过程
第一节、泊松过程的基本概念
一、定义 一随机过程N (t ), t 0 ，若满足条件： （1）是一计数过程，且N(0)=0; （零初值性) （2）任取 0 t1 t2 tn , （独立增量过程） N (t1 ), N (t2 ) N (t1 ), , N (tn ) N (tn1 ) 相互独立； （3）s, t 0, n 0, P[ N (s t ) N (s) n] P[ N (t ) n] （增量平稳性） （4）对任意 t 0 和充分小的 t 0 ，有 P[ N (t t ) N (t ) 1] t o(t ) P[ N (t t ) N (t ) 2] o(t ) 称N (t ), t 0 是强度 为的时齐泊松过程。 其中 0 称 为强度常数。
即 N (s t ) N ( s) 是参数为 t 的泊松分布。
证明
第一节、泊松过程的基本概念
泊松过程的等价定义： 一计数过程N (t ), t 0 ，若满足条件： （1）N(0)=0; （2）N(t)是独立增量过程； （3）对 s, t 0, N (s t ) N (s) P(t ) ，即
泊松过程poisson
研究如何将泊松过程与其他 随机过程进行更有效的结合，
以更好地描述复杂现象。
探索如何利用机器学习方法改 进泊松过程的参数估计和模型 选择，以提高模型的预测能力
和解释性。
THANKS
泊松分布的性质
泊松分布具有指数衰减的性质， 即随着时间的推移，事件发生的
概率逐渐减小。
泊松分布的期望值和方差都是参 数λ（λ > 0），即E(X)=λ， D(X)=λ。
当λ增加时，泊松分布的概率密 度函数值也增加，表示事件发生
的频率更高。
泊松分布的应用场景
通信网络
泊松分布用于描述在一定 时间内到达的电话呼叫或 数据包的数量。
生物信息学中的泊松过程
在生物信息学中，泊松过程用于描述基因表达、蛋白质相互 作用等生物过程中的随机事件。例如，基因表达数据可以用 泊松过程来分析，以了解基因表达的模式和规律。
通过泊松过程，生物信息学家可以识别出与特定生物学功能 或疾病相关的基因，为药物研发和个性化医疗提供有价值的 线索。
06 泊松过程的扩展与展望
交通流量分析
泊松分布用于描述在一定 时间内经过某个地点的车 辆数量。
生物学和医学研究
泊松分布可以用于描述在 一定时间内发生的事件数 量，例如基因突变或细菌 繁殖。
04 泊松过程的模拟与实现
离散时间的模拟
01
定义时间间隔
首先确定模拟的时间区间，并将其 划分为一系列离散的时间点。
随机抽样
使用随机数生成器，在每个时间间 隔内随机决定是否发生事件。
有限可加性
在有限的时间间隔内，泊松过 程中发生的事件数量服从二项
分布。
与其他随机过程的比较
与马尔可夫链的比较
泊松过程
泊松过程一种累计随机事件发生次数的最基本的独立增量过程。
例如随着时间增长累计某电话交换台收到的呼唤次数，就构成一个泊松过程。
泊松过程是由法国著名数学家泊松（Poisson, Simeon-Denis）（1781—1840）证明的。
1943年C.帕尔姆在电话业务问题的研究中运用了这一过程，后来Α.Я.辛钦于50年代在服务系统的研究中又进一步发展了它。
Poisson过程（Poisson process，大陆译泊松过程、普阿松过程等，台译卜瓦松过程、布瓦松过程、布阿松过程、波以松过程、卜氏过程等），是以法国数学家泊松（1781 - 1840）的名字命名的。
泊松过程是随机过程的一种，是以事件的发生时间来定义的。
我们说一个随机过程N(t) 是一个时间齐次的一维泊松过程，如果它满足以下条件：在两个互斥（不重叠）的区间内所发生的事件的数目是互相独立的随机变量。
在区间内发生的事件的数目的概率分布为：其中λ是一个正数，是固定的参数，通常称为抵达率（arrival rate）或强度（intensity）。
所以，如果给定在时间区间之中事件发生的数目，则随机变数呈现泊松分布，其参数为。
更一般地来说，一个泊松过程是在每个有界的时间区间或在某个空间（例如：一个欧几里得平面或三维的欧几里得空间）中的每一个有界的区域，赋予一个随机的事件数，使得•在一个时间区间或空间区域内的事件数，和另一个互斥（不重叠）的时间区间或空间区域内的事件数，这两个随机变数是独立的。
•在每一个时间区间或空间区域内的事件数是一个随机变数，遵循泊松分布。
（技术上而言，更精确地来说，每一个具有有限测度的集合，都被赋予一个泊松分布的随机变数。
）泊松过程是莱维过程（Lévy process）中最有名的过程之一。
时间齐次的泊松过程也是时间齐次的连续时间Markov过程的例子。
一个时间齐次、一维的泊松过程是一个纯出生过程，是一个出生-死亡过程的最简单例子。
泊松过程的定义
泊松过程的定义泊松过程（Poisson Process）是一种随机过程，它表示了在固定时间段内发生的不同类型事件的概率分布。
泊松过程由泊松分布发展而来，它是一种概率分布，其中包含一个无限的平均特征。
泊松过程是一种重要的概率过程，在许多领域都有应用，例如通讯、生物学、信号处理等等。
泊松过程的定义是描述一个不断发生的随机事件的概率分布，即它是一种持续的随机过程，表示在给定的时间段内，某种类型的事件在某个时间段内会发生多少次。
这种过程的性质是：在一个给定的时间段内，随机事件的发生次数是一个服从泊松分布的随机变量。
泊松过程的定义一般可以描述为：设定一个时间段Δt，若在Δt内某种类型的事件发生m次，则该事件的发生概率满足泊松分布：P(m) = (λΔt)^me-λΔt/ m!，其中λ 是发生次数的平均数，Δt 是时间段，m 是发生次数。
泊松过程的定义还包括“独立性”的要求，即在一定的时间段内，发生的每一次事件都是相互独立的。
此外，泊松过程还有一个重要的性质——“不确定性”，即在一定时间段内，发生的每一次事件是不确定的，也就是说，我们不能准确预测每次发生的次数。
泊松过程是一种重要的概率过程，在一定的时间段内，对某种事件的发生次数的预测，可以使用泊松分布来实现。
泊松过程的应用可以追溯到19世纪，由法国数学家和物理学家泊松（Simeon Denis Poisson）发现，并且受到广泛的应用。
泊松过程的定义和性质是概率论中的重要概念，它主要用于描述在一定的时间段内，某种类型的事件发生的概率分布。
它可以用来描述不同类型事件发生的概率，从而可以模拟不同类型事件的发生情况。
同时，它可以用来研究一定时间段内，某种类型事件发生的概率，从而帮助我们更好地预测未来事件的发生情况。
随机过程 第3章 泊松过程
泊松过程
[定义] 称计数过程{ X (t) , t 0 }为具有参数 的泊松过程， 若它满足下列条件： (1) X (0) = 0 ; (2) X (t) 是独立增量过程; (3) （平稳性）在任一长度为 t 的区间中，事件A发生的次 数服从参数 >0的泊松分布，即对任意 s , t 0 ，有
3.2 泊松过程的基本性质
泊松分布:
( t ) n t P{ X (t s ) X ( s ) n} e , n!
n 0, 1,
( t ) n t P{ X (t ) n} e , n 0, 1, 2, n!
Φ X ( ) E[e
假设在[0 , t ]内事件A已经发生一次，确定这一事件到 达时间W1的分布 ——均匀分布
P{W1 s, X (t ) 1} P{W1 s X (t ) 1} P{ X (t ) 1} P{ X ( s ) 1, X (t ) X ( s ) 0} P{ X (t ) 1} P{ X ( s ) 1} P{ X (t ) X ( s ) 0} P{ X (t ) 1}
故仪器在时刻 t0 正常工作的概率为:
k 1 ( t ) P P (T t 0 ) e t dt t0 ( k 1)! n k 1 ( t ) 0 P [ X (t 0 ) k ] e t
0
n0
n!
(3) 到达时间的条件分布
P{ X k }
k e
k!
, k 0, 1, 2, ( 0为常数 )
则随机变量X 服从参数为 的泊松分布，简记为 ()。
E(X ) ,
泊松过程
泊松过程
泊松过程是由法国著名数学家泊松（Poisson, Simeon-Denis）（1781—1840）证明的。
1943年C.帕尔姆在电话业务问题的研究中运用了这一过程，后来辛钦于50年代在服务系统的研究中又进一步发展了它。
它是一种累计随机事件发生次数的最基本的独立增量过程。
例如随着时间增长累计某电话交换台收到的呼唤次数的过程。
一般地来说，一个泊松过程是在每个有界的时间区间或在某个空间（例如：一个欧几里得平面或三维的欧几里得空间）中的每一个有界的区域，赋予一个随机的事件数，使得在一个时间区间或空间区域内的事件数，和另一个互斥（不重叠）的时间区间或空间区域内的事件数，这两个随机变数是独立的。
在每一个时间区间或空间区域内的事件数是一个随机变数，遵循泊松分布。
（技术上而言，更精确地来说，每一个具有有限测度的集合，都被赋予一个泊松分布的随机变数。
）泊松过程是莱维过程（Lévy pro cess）中最有名的过程之一。
时间齐次的泊松过程也是时间齐次的连续时间Markov过程的例子。
一个时间齐次、一维的泊松过程是一个纯出生过程，是一个出生——死亡过程的最简单例子。
对泊松过程，通常可取它的每个样本函数都是跃度为1的左（或右）连续阶梯函数。
可以证明，样本函数具有这一性质的、随机连续的独立增量过程必是泊松过程，因而泊松过程是描写随机事件累计发生次数的基本数学模型之一。
直观上，只要随机事件在不相交时间区间是独立发生的，而且在充分小的区间上最多只发生一次，它们的累
计次数就是一个泊松过程。
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称 N t 服从参数是 t 的 poisson过程
注：1、 (a) (b)中的第1个等号是由平稳过程而来的
2、(a) (b)中合起来可知在t,t h内没有事件发生
的概率为 1 h oh
3、实际中由定义2判断随机过程更容易一些。
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第二章 Poisson 过程
一、Poisson过程的两个等价定义
泊松过程是一种很重要的计数过程，它在随机 过程的理论和应用中都有着重要的应用，特别在 运筹学和排队论中有着重要的应用。
计数过程 N t 是独立增量过程
若计数过程N t 在(t, t+s]内（s>0），事件A发生的 次数N t s N t 仅与时间差s有关，而与t无关。
计数过程 N t 是平稳增量过程
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第二章 Poisson 过程
二、Poisson过程的两个等价定义的证明
1 定义1
即：由 PN t
定义2
s N
s
k
证t
kБайду номын сангаас
et
(1)
k!
aPN t h N t 1 PN h 1 h oh (2)
bPN t h N t 2 PN h 2 oh (3)
第二章 Poisson 过程
Poisson过程的概念 与Poisson过程相联系的若干分布
Poisson过程的推广
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第二章 Poisson 过程
第二章
Poisson过程的概念
一、Possion过程的两个等价定义 二、泊松过程的概率分布和数字特征
三、泊松过程的叠加和分解性质
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第二章 Poisson 过程
一、Poisson过程的两个等价定义
定义2.3 Poisson过程定义2
若计数过程 N t, t 0 满足：
(1) 零初值性 N 0 0
(2) N t 是独立平稳增量过程
(3) N t 满足下列两式：
第二章 Poisson 过程
一、Poisson过程的两个等价定义
定义2.2 Poisson过程定义1
若计数过程 N t, t 0 满足：
(1) 零初值性 N 0 0
(2) N t 是独立增量过程
(3) 任一长度为 t 的区间内，事件的个数
服从均值为 t 的 poisson 分布：
PN t s N s k tk et k!
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第二章 Poisson 过程
二、Poisson过程的两个等价定义的证明
2 定义2 定义1 即:由(2),(3)(1)
证: PN h k PN(h) N(0) k,
P0 t h PN (t h) 0 PN (t) N (0)=0,N (t h) N (t )=0 PN (t) N (0)=0 PN (t h) N (t )=0
证：由（1）显然可得Poisson过程是平稳过程
PN (t h)- N (t)=1 heh h hk k0 k! h 1 h oh h oh
PN (t h)- N (t) 2 eh hk oh
k 2
k!
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在实际中有很多随机现象都可以用泊松分布或者 泊松过程来描述，例如盖木多计数器上的粒子流， 呼叫中心收到的呼叫次数，交通流中的事故数， 股票市场中买进和售出的股票次数等。
两个重要特点是：1 在时间或者空间上的均匀性 （增量平稳性），2 未来的变化与过去的变化没有 关系（增量的独立性）。
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第二章 Poisson 过程
一、Poisson过程的两个等价定义
定义2.1 计数过程
(1) 随机过程 N t 称为计数过程，如果 N t 表
示到时刻 t为止，某事件A发生的总数。
(2) 性质
(a) N t 0
(b) 对于 0 t1 t2 N t1 N t2
aPN t h N t 1 PN h 1 h oh
bPN t h N t 2 PN h 2 oh
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第二章 Poisson 过程
一、Poisson过程的两个等价定义
PN(t)=0PN( h)=0 P0 t 1 h oh
即:
P0
t
h
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第二章 Poisson 过程
一、Poisson过程的两个等价定义
称 N t 服从参数是 t 的 poisson过程
注：1 定义中的(1)说明事件的计数是从0时刻开始的；
2 定义中的(2)说明泊松过程是一独立增量；对于 任意的正整数及任意不同的，增量是相互独立的；
(c) 对于
区间 t1,t2
中0， t事1 件t2,A发N 生t2 的 总N次t1数 。表示
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第二章 Poisson 过程
如果计数过程在不相重叠的时间间隔内，事件A 发生的次数是相互独立的。
对 n,及t1 t2 tn,有
X (t2 ) X (t1), X (t3) X 2 (t), , X (tn ) X n1(t)是相互独立的。 3 定义中的(3)说明泊松过程是一平稳过程；即在时
间间隔s,t s 内，事件发生的总次数只与时间间隔
t 有关，而与初始时刻 s 无关。
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