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《随机过程与排队论》电子笔记

以课件为基准整理 · 已按模块合并:每 1–2 讲合为一份 HTML,页内顶部有模块切换条、左侧有分组折叠目录(可直达原各讲小节),打印时各讲自动分页。后续课件到齐再补相应章节;目前先按已发布的第 1–6 讲学习。
模块 2

随机过程与泊松过程篇(原第 3–4 讲)

有限维分布m(t)/C(s,t)独立增量正态/维纳过程泊松两定义点间距/等待时间非齐次/复合泊松马氏性转移矩阵

全课程心脏:排队论的输入端(泊松到达 + 指数服务)在此定型;“独立增量 ⟹ 马氏”证明库。

第 3 讲 · 随机过程基本概念 第 4 讲 · 泊松过程与马氏过程
模块 3

马尔可夫链篇(原第 5 讲)

C-K 方程遍历性平稳分布常返/非常返不可约周期状态空间分解

随机过程部分收官。两道年度大题题型(求平稳分布、状态分类分解)各有标准答题模板。

第 5 讲 · 马氏链性质与状态分类
模块 4

连续参数马尔可夫链与 Q 矩阵(第 6 讲)

转移概率函数齐次性/正则性条件C-K 方程 P(t+s)=P(t)P(s)遍历判别Q 矩阵柯氏前进/后退方程福克-普朗克平稳分布 πQ=0

排队论的数学地基(πQ=0 → M/M/1 平衡方程)。第 6 讲前半“状态分类”为重讲,内容在模块3 §7–12。

第 6 讲导读(重讲说明) Q 矩阵与柯氏方程 ★ 离散 vs 连续对照表
待 续

后续讲次 · 生灭过程与排队系统

生灭过程M/M/1/∞M/M/c混合制/损失制嵌入马氏链队长/等待时间/忙期输出过程

第 7 讲起新课件放入 课件/ 后按模块追加(第 6 讲下已预告生灭过程与 M/M/1)。

零基础复习路线 · 从概率到排队模型

准备:数学基础工具箱,先复习求和、指数分布、条件概率和矩阵乘法。主线:本课概率记号 → 泊松计数和等待时间 → P 矩阵状态分类 → Q 矩阵和平衡方程。

进入排队论:在第 7 讲等正式课件覆盖前,可先看 排队系统补充速查,学习 \(\lambda,\mu,\rho,L,L_q,W,W_q\) 以及 Little 定律;速查页属于拓展,不替代教师课件。

考试做题固定步骤:识别模型/参数 → 画状态转移图 → 写平衡方程并判断稳定性 → 求所问性能指标 → 检查单位。自学视频与参考教材供忘掉基础时选用。

怎么用这套笔记

场景建议
课前/课后 24h 内打开当讲所在模块,用左侧折叠目录跳到对应小节;折叠的例题自己先做再展开。
平时积累一页纸各讲末尾的“公式速查”可用于制作个人复习卡;历年存在一页纸开卷形式,但本学期是否允许携带、纸张尺寸及内容限制均以教师通知为准。
做题卡住先看对应讲次“习题”节;再对照 作业/ 两份习题解答 PPT。
期末冲刺按 README.md 顺序:一页纸加强版例题 → 真题(2014 秋有答案版起步)→ 逐张看 2016 复习课拍照。

笔记与资料的对应关系

模块 · 讲次对应课件配套往届资料
模块 1 · 第 1 讲课件/第1讲.pptx一页纸总结(2014/qym) 分布表;电子笔记 1
模块 1 · 第 2 讲课件/第2讲.pptx习题一(作业 PPT 45 页版);电子笔记 1
模块 2 · 第 3 讲课件/第3讲.pptx习题二 P66–69:1/9/15/19;电子笔记 2、铅笔笔记 1
模块 2 · 第 4 讲课件/第4 讲.pptx习题三 P98:12/15/19 + 课堂练习;电子笔记 2
模块 3 · 第 5 讲课件/第5讲.pptx习题四 P152–154:4/10/19/23;电子笔记 5、铅笔笔记 5
注意两点约定(与部分教材不同,本课程做题请统一按此;与《随机过程及应用》课程的记号对照见那份笔记的目录页):
① 分布函数用 F(x) = P{X < x}(严格小于),离散型在跳跃点取“低台阶”、左连续;
② Γ-分布 / 爱尔朗分布的 λ 是率参数(期望 k/λ),不是尺度参数。

排队论核心模型速查(课程拓展)

以下排队模型属于自学拓展;正式授课进度以老师已发布课件为准。

0. 模型约定与符号

Kendall 记号 A/S/c/K/N/Disc 中:到达分布 / 服务时间分布 / 服务台数 / 系统总容量 / 客源数 / 服务规则。M 表示指数时间/相应泊松到达;未写容量时通常默认为无限。$\lambda$ 是外部到达率、$\mu$ 是每个服务台的服务率。$L$ 为系统平均人数,$L_q$ 为等待队列平均人数,$W$ 为平均逗留时间,$W_q$ 为平均等待时间。

Little 定律(稳态、长期平均一致且期望有限的适当条件下):$L=\lambda_{\mathrm{eff}}W$、$L_q=\lambda_{\mathrm{eff}}W_q$。对有丢弃/拒绝的系统,使用有效进入率 $\lambda_{\mathrm{eff}}$,不是自动用外部到达率。

1. M/M/1(无限缓冲、一台服务器)

出生率 $\lambda_n=\lambda$,死亡率 $\mu_n=\mu$($n\ge1$)。当且仅当 $\rho=\lambda/\mu<1$ 有正则的稳态概率:

$$p_n=(1-\rho)\rho^n,\quad L=\frac{\rho}{1-\rho},\quad L_q=\frac{\rho^2}{1-\rho},\quad W=\frac1{\mu-\lambda},\quad W_q=\frac{\rho}{\mu-\lambda}.$$

例:$\lambda=2$/分钟、$\mu=3$/分钟,则 $\rho=2/3, L=2, L_q=4/3, W=1$ 分钟、$W_q=2/3$ 分钟;注意队长与系统人数不同。

2. M/M/c(c 台相同服务器,无限缓冲)

总服务率 $\mu_n=\min(n,c)\mu$。定义 $a=\lambda/\mu$,$\rho=a/c<1$,则

$$p_0=\left[\sum_{n=0}^{c-1}\frac{a^n}{n!}+\frac{a^c}{c!(1-\rho)}\right]^{-1},\quad P(\text{需要等待})=\frac{a^c}{c!(1-\rho)}p_0.$$

$$L_q=P(\text{需要等待})\frac{\rho}{1-\rho},\quad W_q=\frac{L_q}{\lambda},\quad W=W_q+\frac1\mu,\quad L=\lambda W.$$

这里 $P(\text{需要等待})$ 是 Erlang C 公式,默认泊松到达、指数服务、FCFS 等条件。

3. M/M/∞(无限服务台)

无等待,稳态 $N\sim\mathrm{Poisson}(\lambda/\mu)$;$L=\lambda/\mu$、$L_q=W_q=0$、$W=1/\mu$。任意 $\lambda,\mu>0$ 都有稳态。

4. M/M/1/K(容量含服务中的 1 人)

$K$ 为系统总容量而非队列长度。$\rho=\lambda/\mu$:$p_n=\rho^n p_0$($n=0,\dots,K$),若 $\rho\ne1$,$p_0=(1-\rho)/(1-\rho^{K+1})$;若 $\rho=1$,$p_n=1/(K+1)$。

满系统阻塞概率 $p_K$(使用 PASTA);$\lambda_{\mathrm{eff}}=\lambda(1-p_K)$。$L=\sum n p_n$,$L_q=\sum(n-1)^+p_n$,随后用有效到达率求 $W,W_q$。有限容量不需要 $\rho<1$ 才有稳态。

5. M/M/c/c(Erlang B 损失制)

不设等待位(系统容量恰为 c),$a=\lambda/\mu$:$p_n=(a^n/n!)/\sum_{k=0}^c a^k/k!$,阻塞率 $B(c,a)=p_c$,通过率 $\lambda_{\mathrm{eff}}=\lambda(1-B)$。

6. 统一求题五步

  1. 明确状态 $n$ 是系统总人数,不把队列人数与系统人数混淆。
  2. 绘制生灭图并写 $\lambda_n,\mu_n$,检查边界处的 0 速率。
  3. 写局部平衡 $p_n\lambda_n=p_{n+1}\mu_{n+1}$,连乘并归一化。
  4. 判断稳态存在条件、阻塞/弃客机制、有效到达率。
  5. 求 $L,L_q$,用 Little 定律算 $W,W_q$,检查量纲是否吻合。

7. Python 实验

queueing_simulation.html 使用事件驱动 M/M/1 仿真,演示 $W$ 与 $L$ 的一致性(仿真是统计近似,随机结果会波动)。

8. 常见陷阱

9. 一步一步推导 M/M/1:公式为什么长这样

先回忆等比级数:当 $|\rho|<1$,$\sum_{n=0}^\infty \rho^n=1/(1-\rho)$,$\sum_{n=0}^\infty n\rho^n=\rho/(1-\rho)^2$。这两个大学数学结论就是求系统人数均值的关键。

  1. 状态 $n$ 是系统内的顾客总人数(含服务中顾客)。向右以率 $\lambda$ 到达,向左在 $n\ge1$ 时以率 $\mu$ 完成服务。
  2. 稳态相邻状态流量平衡:$p_n\lambda=p_{n+1}\mu$,所以 $p_n=\rho^np_0$,其中 $\rho=\lambda/\mu$。
  3. 归一化:$1=\sum_{n=0}^\infty p_n=p_0/(1-\rho)$,故仅在 $\rho<1$ 时有 $p_0=1-\rho$、$p_n=(1-\rho)\rho^n$。
  4. $L=\sum_{n\ge0}np_n=\rho/(1-\rho)$。服务器忙的概率为 $1-p_0=\rho$,因此 $L_q=L-\rho=\rho^2/(1-\rho)$。
  5. 系统不拒客,$\lambda_{\rm eff}=\lambda$;Little 定律得 $W=L/\lambda=1/(\mu-\lambda)$,$W_q=L_q/\lambda=W-1/\mu$。
手算:每小时到达 2 人,每小时服务 3 人

$\rho=2/3$;$p_0=1/3$;$L=2$ 人、$L_q=4/3$ 人、$W=1$ 小时、$W_q=2/3$ 小时(40 分钟)。检查:系统平均人数 $L=\lambda W=2\times1=2$,单位相符。

10. M/M/2 完整例题(Erlang C)

两台独立服务台,每台速率 $\mu=3$/小时,到达率 $\lambda=4$/小时,共用一个无限容量 FCFS 队列。求空系统概率、必须等待概率、平均等待时间、平均逗留时间。

  1. 先检查稳定性:$a=\lambda/\mu=4/3$,$\rho=a/c=2/3<1$。
  2. $p_0^{-1}=1+a+a^2/[2!(1-\rho)]=1+4/3+8/3=5$,所以 $p_0=1/5$。
  3. 到达必须等待的概率(Erlang C):$P_{\rm wait}=p_0a^2/[2!(1-\rho)]=(1/5)(8/3)=8/15$。
  4. $L_q=P_{\rm wait}\rho/(1-\rho)=(8/15)\times2=16/15$ 人。
  5. $W_q=L_q/\lambda=(16/15)/4=4/15$ 小时,16 分钟;$W=W_q+1/\mu=4/15+1/3=3/5$ 小时,36 分钟。
  6. $L=\lambda W=4\times3/5=12/5=2.4$ 人,与 $L_q+a=16/15+4/3=12/5$ 一致。

不要混:$P_{\rm wait}$ 是“需要等待”的概率,不是“所有人都等待了多久”;$W_q$ 包括零等待者。对 $t\ge0$,该模型还有 $P(W_q>t)=P_{\rm wait}e^{-(c\mu-\lambda)t}$。

11. 有限容量题:满员拒客后要用有效到达率

考虑 M/M/1/2,系统最多同时容纳两人,且 $\lambda=\mu>0$,此时 $\rho=1$。虽然无限容量 M/M/1 在 $\rho=1$ 时无稳态,有限容量模型仍有均匀稳态:$p_0=p_1=p_2=1/3$。

  1. 阻塞概率(PASTA 条件下):$p_2=1/3$。
  2. 有效到达率:$\lambda_{\rm eff}=\lambda(1-1/3)=2\lambda/3$。
  3. $L=(0+1+2)/3=1$;$L_q=p_2=1/3$。
  4. $W=L/\lambda_{\rm eff}=3/(2\lambda)$,$W_q=L_q/\lambda_{\rm eff}=1/(2\lambda)$;两者差值为 $1/\mu=1/\lambda$。
考前自检:三处最容易扣分的地方

① K 是系统总容量(包括服务中的人),不是队列最多允许的人数;② 有拒客时 Little 定律使用有效到达率;③ $\rho=1$ 不是所有排队模型均不存在稳态——先看容量是否有限。

0 1 · · · i i+1 · · · λ₀ μ₁ 生率 λᵢ (向右流量 λᵢπᵢ) 死率 μᵢ₊₁ (向左流量 μᵢ₊₁πᵢ₊₁) 虚拟切面 Cut 切面流量平衡方程:λᵢ πᵢ = μᵢ₊₁ πᵢ₊₁ ⇒ πₙ = (λ₀λ₁⋯λₙ₋₁)/(μ₁μ₂⋯μₙ) · π₀ (再由 ∑πₙ=1 求出 π₀)
图:生灭过程 / M/M/c 排队系统虚拟切面流量平衡法(稳态下跨越任意切面的左右概率流必相等)

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