随机过程(9):泊松过程(1): 泊松分布

我们前面讨论了很多的随机过程,包括宽平稳、高斯过程等等。这些随机过程都是连续时间、连续状态的随机过程。从今天开始,我们将集中关注在离散状态的随机过程上。在研究离散状态的随机过程时,我们所使用的工具和关注的着眼点都和连续状态的随机过程不同。

一、泊松过程

对于离散状态的随机过程,我们考察的是在一段固定的时间 内,某个事件发生的次数 。由于事件发生的间隔是随机的,因此 是一个随机变量。这种过程也被称为计数过程 (Counting Process) 或点过程 (Point Process)。

在这一章中,我们先对随机过程给出一些基本条件来加以研究:

  1. 独立增量 (Independent Increment):即 ,有 与 独立。
  2. 平稳增量 (Stationary Increment):即 ,在 内时间发生的次数仅依赖于时间差 。

我们希望研究的是这个随机事件发生次数的分布,即 。只要有了这个结果,根据平稳性条件,我们就可以知道任意的时间区间内发生的次数 。

1.1. 泊松分布的概率分布函数

我们选用的工具是矩母函数 (Moment Generating Function, MGF)。对于离散随机变量 ,其分布为 ,则 的矩母函数定义为:

(1)

下面我们来考察 的矩母函数:

(2)

考虑经过一小段时间 后矩母函数的差分:

(3)

等式左右两端令 得:

(4)

1.1.1. 第一项

我们先考虑右侧的第一项:

(5)

由于 意味着在 内事件发生的次数为 。也就是说,我们任取 ,都有:

(6)

也就是说,如果我们令 ,则 满足:

(7)

也就是:

(8)

上面的方程是一个经典的柯西指数方程。可以证明,符合柯西指数方程的连续函数只能指数函数(证明见附录1)

(9)

其中,由于概率一定小于1,因此常数 。

因此,等式右侧的第一项我们就解出来了:

(10)

1.1.2. 第二项

我们再考虑右侧的第二项:

(11)

仿照上面的思路,由于 ,我们任取 ,都有:

(12)

令 ,则 ,都有:

(13)

即

(14)

附录1 的证明过程已经告诉我们,符合这样条件的连续函数只能是线性函数:

Note:这里老师的推导其实不太严谨。这是国科大的同学提出的做法,思想上是很优美的。但正确的做法是需要引入稀疏性的条件来保证这里结果的 和第一项的 是一样的。

(15)

即

(16)

于是,等式右侧的第二项:

(17)

1.1.3. 第三项

我们最后考虑右侧的第三项:

(18)

由于无穷级数

(19)

的收敛域是 ,因此根据三角不等式,

(20)

根据概率的归一性:

(21)

因此,

(22)

也就是说,

(23)

根据概率的保序性

(24)

1.1.4. 整理得结果

综上所述,

(25)

当 时,

(26)

我们就可以求解这个关于 的线性偏微分方程,得到矩母函数为:

(27)

由于

(28)

因此我们将矩母函数进行泰勒展开之后,对比系数就能得到分布 :

(29)

对比系数得:

(30)

这就是著名的泊松分布,具体来说就是参数为 的泊松分布。

同时,我们有:

(31)

1.2. 泊松分布的性质

下面我们来分析参数为 的泊松分布的性质:

(32)

1.2.1. 均值

根据均值的定义:

(33)

也就是说,

(34)

由于均值是 内事件发生的平均次数,因此 的物理含义就是单位时间内事件发生的平均次数。于是, 也被称为泊松分布的强度。

从另一个角度看, 也可以看作单位时间内事件发生次数的变化率:

(35)

这个变化率是一个常数,这恰好与我们的平稳性条件对应上。

1.2.2. 样本轨道

泊松过程的样本轨道是下面的阶梯函数:

因此,泊松过程也被称为跳过程 (Jump Process)。

张真人名言:人生是泊松过程(合影留念)^_^

我们对人生往往有两种误解。

一种误解是:我们从小受到的教育是“好好学习,天天向上”,因此我们往往认为人生是一个线性递增的过程。但实际上没有谁的人生是线性的,不可能每天都在向上都有收获。

另一种误解是:人生是一个布朗运动,完全无法预测,明天究竟是什么样谁都不知道,你永远不知道意外和未来哪个先来。

有这两个认识的人都没有认真学习过随机过程。因为只要学过随机过程,就能体会到人生就是一个泊松过程。我们大部分时间都在等待,等待跃升的机会和人生的下一个分叉路口。我们上高中上了三年,实际上就在等待上高考的那一天,三年里全部的努力都是为了高考这一刻。

因此,我认为泊松过程就是对人生最恰如其分的表述,人的一生就是一场等待的艺术。巴普洛夫说,“机遇只青睐有准备的人”。因此,我们如何去看待等待这件事情,如何去经历等待,这直接决定了我们的人生轨迹。因为实际的人生可能比泊松过程还要更悲观一点,因为我们总会有失败的时候,而泊松过程只会往上走。但是不管怎么样,大部分时间都是在等待中度过的。

然而,在等待的过程中,我们可能会遇到一些小的波动,比如说获得奖学金、加薪。但这些都是飞跃之前的小波动,我们千万不能把这些事情当回事,而是要时刻看准大趋势:真正决定你人生轨迹和高度的都是你飞跃的那一个瞬间。我们如何有效把握机会,如何让自己有更好的提升与变化,这才是关键所在。平时的小波动都是暂时的,只要我们把大目标定好,并且为之持续不断地努力,这都是一个有效的等待。

1.2.3. 事件发生的间隔

下面我们来计算泊松分布的分布函数。考虑事件第一次发生的间隔 :

(36)

我们下面进行概率转换 (Probability Transformation)。由于第一次时间发生的时间小于等于 ,这等价于在 内这个事件至少发生了一次,即:

(37)

因此,第一次事件发生间隔服从的分布为:

(38)

这是一个参数为 的指数分布。

进一步,我们可以得出以下结论:

  1. 第 次事件发生间隔 同样服从指数分布(平稳性条件)。
  2. 不同事件发生间隔是相互独立的(独立性条件)。

也就是说,事件发生间隔是一个服从参数为 的指数分布的 i.i.d. 随机变量序列:

(39)

1.2.4. 事件发生的时刻

我们现在来研究事件第 次发生的时刻 。注意到:

(40)

因此, 是一系列独立的随机变量之和。通常来说,我们处理这种问题的方式是利用特征函数。

考虑 的特征函数:

(41)

由于 ,因此其特征函数为:

(42)

因此, 的特征函数为:

(43)

这个特征函数很难做傅里叶反变换得到分布函数。这是因为这个函数并非解析函数(全纯函数),在分母上有奇点(甚至是 阶奇点)。如果想要做傅里叶反变换,我们需要留数定理来帮助我们做积分。

因此,我们需要另外的做法:概率转换。 意味着第 次事件发生的时刻小于等于 ,这也意味着在 内这个事件至少发生了 次。

(44)

我们就能求出密度函数:

(45)

这是一个参数为 的 Gamma 分布,即:

(46)

在附录2中,我们简要介绍了一下 Gamma 分布和 Gamma 函数。

二、泊松过程的推广

2.1. 非齐次泊松过程

首先,我们去掉平稳增量的条件,考虑仅有独立增量的情况下,泊松分布会产生什么变化。

为了更好地分析,我们需要增加一个假设:

(47)

我们重新考察泊松分布的矩母函数的差分:

(48)

由于没有了平稳增量条件,这里不能直接把 去掉。下面我们来分析这个期望,与上面的思路相同,我们也把这个期望分为三项:零阶、一阶和高阶。

(49)

利用新增的假设,并重复上面的推导过程,我们能够得到和上面类似的结果。二阶项

(50)

而高阶项同样可以被忽略。

综上所述,我们有:

(51)

和公式 (25) 的结果对比,可以发现几乎完全相同,只是 不再是一个常数,而是一个与 有关的函数。

求解这个微分方程得到矩母函数为:

(52)

此时,新的泊松分布就变成:

(53)

由于强度 与时间 有关,因此这个随机过程称为非齐次 (Non-Homogeneous) 泊松过程。

2.2. 复合泊松过程

标准的泊松分布只关注事件发生的次数,但在实际情况中,每次时间发生的强度也是非常重要的。比如说,对于保险精算师来说,他更关心的不是赔付的次数,而是一段时间内赔付的总金额。

因此,我们考虑如下的随机过程:

(54)

其中, 是一个标准泊松过程。 是一组独立同分布且独立于 的随机变量,表示每次时间发生的强度。

我们来考察 的矩母函数:

(55)

这里出现了两个随机变量,因此我们需要将其中一个作为条件,这是非常常用的技巧。由于 与 独立,我们把 作为条件后对 没有任何影响:

(56)

可以看到, 的矩母函数是 的矩母函数与 的矩母函数的复合,因此 称为复合泊松过程 (Compound Poisson Process)。

在公式 (27) 中,我们给出了标准泊松分布的矩母函数。代入得:

(57)

三、泊松过程应用举例

3.1. 随机电报信号

前面我们已经介绍了随机电报信号。今天,我们从泊松分布的角度重新来看待随机电报信号。

考虑随机过程 ,满足

(58)

其中,,即服从参数为 的泊松分布。

下面我们来求 的相关函数。

(59)

这里指数上是 ,不好处理。于是我们用一些小 trick,构造出“增量”的形式:

(60)

结果和之前的结论是一致的。

3.2. 泊松过程瘦身

3.2.1. 二项分布抽样

考虑学校早上上学,到达学校的学生数量服从标准泊松分布,且学生性别为男的概率为 。

我们希望考察这样一个问题:单看到达学校的男生数量,这个数量还服从标准泊松分布吗?

为了回答这个问题,我们就需要复合泊松过程。为了只计数男生,让到达的女生不影响计数,我们可以将男生的 设为1,女生的 设为0。也就是说, 服从下面的二项分布:

(61)

我们只需要考察

(62)

所服从的分布是不是标准泊松分布,就能够回答这个问题。

下面我们只需要计算 的矩母函数即可:

(63)

代入公式 (57) 得:

(64)

与公式 (27) 对比发现,这正好是一个参数为 的标准泊松分布对应的矩母函数。

因此, 服从标准泊松分布:

(65)

3.2.2. 隔一个抽样

上面的例子中,我们相当于以概率 从泊松过程中抽样,我们发现得到的新的随机过程仍然是一个泊松过程,只是其强度变为 。

现在,我们换一种抽样方式:隔一个事件抽一次。这样得到的随机过程还是一个泊松过程吗?

答案是否定的。

公式 (39) 告诉我们,泊松过程的事件发生时间间隔服从指数分布。现在我们隔一个事件抽走一个,那么新的随机过程中,相邻两个时间发生的时间间隔是两个指数分布随机变量之和。公式 (46) 告诉我们, 个指数分布随机变量之和服从参数为 的 Gamma 分布。

因此,新的随机过程的时间间隔服从 Gamma 分布,说明这不是一个泊松过程。

3.3. 泊松过程相加

考虑两个相互独立的泊松过程 和 ,它们的强度分别为 和 。

我们希望考察这两个过程相加后得到的随机过程

(66)

是否还是一个泊松过程。

考虑 的矩母函数:

(67)

因此, 仍然服从参数为 的标准泊松分布:

(68)

类似的结论可以立刻推广到 个独立泊松变量相加,结果仍然是泊松变量,其强度为 。

进一步地,我们有如下的小推论。考虑两个独立的随机变量 和 分别服从参数为 和 的指数分布,则 服从参数为 的指数分布。

3.4. 泊松过程相减

我们来考虑两个泊松过程的差

(69)

服从什么分布。

显然,这不是一个泊松分布,因为 可以取负值,而泊松分布只能取非负值。

考察 的矩母函数:

(70)

到这里似乎卡住了,我们不好处理这个 。

为此,我们可以从一个新的视角来看待这个问题。 可以看作是我们同时统计了来自 和 的事件,只是事件的强度不同: 上的事件强度为 ,而 上的事件强度为 。

上面我们已经证明,同时统计两个泊松过程的事件,得到的新过程仍然是一个泊松过程。其强度变为 。因此,一个直观的想法是 有可能是一个复合泊松过程。于是,我们希望把 的矩母函数往复合泊松过程的方向去变形(即公式 (57),但注意强度是 )。

事实上,我们有:

(71)

与公式 (57) 对比,我们希望中间的

(72)

应当正好是某个分布的矩母函数。答案是肯定的,这正好是下面这个二项分布的矩母函数:

(73)

这个结果和我们前面的定性分析是完全一致的。随机变量 以概率 取 ,以概率 取 。这正好对应了从 或 中取事件,其贡献为 或 。

综上所述,两个泊松过程相减得到的随机过程 是一个复合泊松过程。

3.5. 一个条件期望小练习

我们考虑下面的条件期望:

(74)

其中, 是一个标准泊松过程, 表示第 次事件发生的时刻。

这个条件期望就是说,在 时间内发生 2 次事件的条件下,求第 4 次事件发生时刻的期望值。

3.5.1. 标准做法:先求条件分布

标准的做法是:先求条件分布,再求条件期望。

当 时:

(75)

综上所述,条件分布为:

(76)

这里经典做法是先求导得到密度,然后再积分得到期望,但这里求导有些麻烦。事实上,我们可以利用下面的结论(证明见附录3,其实就是分部积分)。

Theorem 1.(非负随机变量的期望) 若 是一个非负随机变量,则有

(77)

因此,条件期望为:

(78)

3.5.2. 这种做法是对的吗?

有一部分人 (A) 提出了下面的做法,不需要计算直接就能给出这个答案。如下图所示:

  • 由于泊松过程中相邻两个事件发生的间隔是一个参数为 的指数分布,期望为 。
  • 在 内共发生了两次事件,因此这段时间长度的期望就是两个指数分布的期望,即 。
  • 也就是说, 的时间长度期望就是 。

另一部分人 (B) 提出了反对意见,认为这只是恰好猜对了答案。这部分人反驳的理由是:

  • 前面的结论只是说 (即 )的长度期望是 ,没有说 的长度期望也是 。

A 给出的理由是:

  • 指数分布具有无记忆性,无论从哪个起点开始( 还是 ),长度都服从指数分布。

B 继续给出了反驳的理由:

  • 就算 的长度仍然是服从指数分布,那它的期望也不会是 ,因为这很显然比 的长度要短。

于是,后面就没能得出一个统一的结论。

关于这个事情,我们将放到下一篇文章再深入分析。因为这涉及到泊松过程的一些本质特征,能够帮助我们更好地理解泊松过程的实质。

Appendix

Apd.1. 柯西指数方程的解

下面我们证明,满足

(79)

的连续函数 一定是指数函数(排除 trivial 情况 )

Lemma 1. 一定是正值。

Proof of Lemma 1. 根据柯西指数方程,我们有:

(80)

假设 ,使得 ,则不断递归使用柯西指数方程,我们可以得到:

(81)

根据连续性,令 得:

(82)

也就是说:

(83)

这就变成 trivial 情况 。排除。

综上所述, 都有 。

证明柯西指数方程的解. 根据 Lemma 1.,我们可以令 。我们的条件就变为:

(84)

只要证明 一定是一个线性函数,则 就一定是一个指数函数。

当 时,,因此 。

当 ,有:

(85)

当 ,有:

(86)

当 ,由于 ,因此:

(87)

当 时,根据实数的完备性,一定存在有理数列 ,使得 。因此,根据连续性:

(88)

综上所述,任取 ,都有 ,因此 。

Apd.2. Gamma 分布和 Gamma 函数

Gamma 分布

Gamma 分布有两个参数:

  1. 形状参数 ,主要控制分布的形状。
  2. 尺度参数 ,主要控制分布的展宽。

若随机变量 ,则 的概率密度函数为:

(89)

其中, 是 Gamma 函数。

Gamma 分布有以下性质:

  • 均值:;
  • 方差:;
  • 矩母函数:。

在一些特殊情况下,Gamma 分布退化为常见的分布:

  • 指数分布:当 时,Gamma分布退化为指数分布,常用于描述“等待时间”。

    (90)
  • 卡方分布:当 , 时,Gamma分布变成自由度为 的卡方分布。

    (91)
  • 爱尔朗分布:当 为正整数时,称为爱尔朗分布,常见于排队论。

Gamma 函数

Gamma 函数的定义为:

(92)

Gamma 函数是阶乘函数在实数域上的推广。任取 ,有:

(93)

其中,

(94)

因此,。

Apd.3. Proof of Theorem 1.

我们来证明对于非负随机变量 有

(95)

事实上:

(96)

得证。