출생-사망과정

Birth–death process

출생-사망 과정(birth-death process)은 상태 전환이 상태 변수를 1개 증가시키는 "births"와 상태를 1개 감소시키는 "deaths"의 두 가지 유형만 있는 연속 시간 마르코프 과정의 특별한 경우입니다. 그것은 윌리엄 펠러에 의해 소개되었습니다.[1] 모델의 이름은 일반적인 응용 프로그램에서 비롯되었는데, 이러한 모델을 사용하여 문자 그대로 출생과 사망으로 전환되는 모집단의 현재 크기를 나타냅니다. 출생-사망 과정은 인구 통계학, 대기열 이론, 성능 공학, 역학, 생물학 및 기타 분야에서 많은 응용 분야가 있습니다. 예를 들어, 박테리아의 진화, 개체군 내 질병을 가진 사람들의 수 또는 슈퍼마켓에서 줄을 선 고객의 수를 연구하는 데 사용될 수 있습니다.

정의.

출산이 일어나면, 그 과정은 n에서 n+1로 진행됩니다. 사망이 발생하면 프로세스는 상태 n에서 상태 n - 1로 진행됩니다. The process is specified by positive birth rates and positive death rates . Specifically, denote the process by , and . Then for small , the function is assumed to satisfy the following properties:

State diagram of a birth-death process

재발과 일시성

마르코프 프로세스의 반복 및 과도성에 대해서는 마르코프 체인의 섹션 5.3을 참조하십시오.

재발 및 일시불 조건

재발과 과도의 조건은 Samuel KarlinJames McGregor에 의해 확립되었습니다.[2]

출생과 사망의 과정은 다음과 같은 경우에만 반복됩니다.
탄생과 죽음의 과정은 에르고딕(ergodic)입니다. 오직 다음과 같은 경우에만 말이죠.
출생과 사망 과정은 오직 다음과 같은 경우에만 무효로 반복됩니다.

Extended Bertrand의 검정(Ratio test의 섹션 4.1.4 참조)을 사용하면 재발, 과도, 에르고딕성 및 무효 재발 조건을 보다 명확한 형태로 도출할 수 있습니다.[3]

For integer let denote the th iterate of natural logarithm, i.e. and for any , () (x ) ln ( k -1 ) ⁡ ln ⁡ ( x ) {\displaystyle \ln _{(k)}(x) =\ln _{(k-1)} (\ln(x))}.

그렇다면 출생과 사망 과정의 재발과 과도기의 조건은 다음과 같습니다.

> 1, {\ c > ≥ 1 {\\ }및 n 0 {\n_{0}이 존재하는 경우 출생과 사망 과정은 일시적입니다. 이는 n > n 0 > n_{0}에 수행됩니다.

여기서 = 1displaystyle K = 1}의 빈 합은 0으로 가정합니다.

≥ 1 {\K\ 1과 n 0 {\n_{0}이 존재하면 모든 n> n 0 n> n_{0}에 출생과 사망 과정이 반복됩니다.

재발과 일시성의 조건이 확립될 수 있는 더 넓은 계층의 출생과 사망 과정은 다음에서 찾을 수 있습니다.[4]

어플

다음과 같이 정의되는 1차원 랜덤 워크 = 0 …, {\displaystyle S_{t},\t = 0,1,\ldots,}를 생각해 보십시오. Let , and where takes values , and the distribution of is defined by the following conditions:

0< n< { C n/ > C > 만족합니다

여기에 설명된 임의 보행은 출생과 사망 과정의 이산 시간 유사성(마코프 체인 참조)과 출생률.

그리고 사망률은

= - α n {\displaystyle \mu{n} = {\frac {1}{2}-{\frac {\alpha_{n}}{n}}.

따라서 임의 보행의 재발 또는 일시성은 출생과 사망 과정의 재발 또는 일시성과 관련이 있습니다.[3]

워크는 c> c {\K\geq }및 n 0 {\n_{0}이 존재하면 일시적이므로 모든n > n 0 n_{0}입니다

여기서 = 1displaystyle K = 1}의 빈 합은 0으로 가정합니다.

≥ 1 {\displaystyle K\geq1} 및 0{\{0}이 존재하는 경우 랜덤 워크는 모든n > n > n 0 n> n_{0}에 반복됩니다.

정지해

If a birth-and-death process is ergodic, then there exists steady-state probabilities where is the probability that the birth-and-death process is in state at time 한계는 초기 값 와 무관하게 존재하며 다음 관계에 의해 계산됩니다.

제한 확률은 에 대한 미분 방정식의 무한 체계로부터 얻어집니다

조건 ∑ =∞ p k ( ) = 1. {\displaystyle \sum _{k=0}^{\infty }p_{k}(t) = 1.}

차례로, 미분 방정식의 마지막 시스템은 작은 시간δ t {\displaystyle 시스템의 동적을 설명하는 미분 방정식 시스템에서 파생됩니다. 이 δ t \Delta} 동안 세 가지 유형의 전이만 한 죽음 또는 한 탄생으로 간주됩니다. 출생이나 사망이 없는 경우. 이 전환 중 처음 두 전환의 확률은δ t {\displaystyle\} 정도입니다. 이 작은 동안의 다른 전환은 한 번 이상의 출생 또는 한 번 이상의 사망과 같은 \Delta} δ t입니다. 또는 적어도 하나의 출생과 적어도 하나의 사망δ t \}보다 작은 차수의 확률을 가지므로 파생은 무시할 수 있습니다. 시스템이 k 상태인 경우 간격δ {\displaystyle\ t} 동안 출생할 λKδ t + o (δ t) \lambda _{k}\Delta t+Deltat)},δ t + δ t {\displaystyle \mu _{k}\Delta t+o(\Delta t)}, 그리고 출생하지 않을 확률과 사망하지 않을 은 1 -λ Kδt - μkδ t + o δ t)1- _}\t -\mu _{k}\Delta t+o(\Delta t)}입니다. 인구 과정에서 "출산"은 인구 규모를 1명 늘리는 방향으로, "사망"은 인구 규모를 1명 줄이는 방향으로 전환됩니다.

출생-사망 과정의 예

순수 출생 과정은 모든 i ≥ 0 {\style i\geq 0}에 = \mu _{i} = 을 표시하는 출생-사망 과정입니다.

순수 사멸 과정은 모든 i\geq 0}에 대해 λ i = 0 \lambda _{i=}을표시하는 출생-사멸 과정입니다.

대기열 이론에서 사용되는 M/M/1 모델과 M/M/c 모델은 무한 대기열에 있는 고객을 설명하는 데 사용되는 출생-사망 프로세스입니다.

계통역학에서 사용

출생-사망 과정은 계통발생학의 사전 분포, 즉 출생 사건이 나무의 가지에 해당하고 사망 사건이 잎 마디에 해당하는 이진 트리로 계통역학에서 사용됩니다.[5] 특히, 바이러스[6] 계통역학에서는 전염 과정과 시간에 따라 감염된 사람의 수가 어떻게 변하는지를 이해하는 데 사용됩니다.[7]

계통역학에서 일반화된 출생-사망 과정의 사용은 데이터로부터 출생과 사망의 비율을 식별할 수 있는 정도에 대한 조사를 자극했습니다.[8] 일반적으로 모형은 식별할 수 없지만 일반적으로 사용되는 모형의 부분 집합은 식별할 수 있습니다.[9]

대기열 이론에 사용

대기열 이론에서 출생-사망 과정은 대기열 모델인 M/M/C/K/\infty} /FIFO완전한 켄달 표기법) 대기열의 가장 기본적인 예입니다. 이는 무한 모집단에서 추출된 포아송 도착이 있는 큐이며, K개의 위치가 있는 기하급수적으로 분포서비스 시간이 있는 C 서버입니다. 무한한 인구라는 가정에도 불구하고 이 모델은 다양한 통신 시스템에 좋은 모델입니다.

M/M/1 큐

M/M/1은 버퍼 크기가 무한대인 단일 서버 대기열입니다. 랜덤이 아닌 환경에서 대기열 모델의 출생-사망 과정은 장기 평균인 경향이 있으므로 평균 도달률은λ {\displaystyle\lambda}, 평균 서비스1/μ {\1/\mu}로 제공됩니다. 출생-사망 과정은 M/M/1 대기열입니다.

시간 t에서 계가 k 상태에 있을 확률에 대한 미분방정식은 다음과 같습니다.

M/M/1 큐와 관련된 순수 출생 프로세스

λ≡ λdisplaystyle \lambda _{k}\equiv \lambda }를 사용하는 순수 출생 프로세스는 M/M/1 대기열 프로세스의 특정 경우입니다. 우리는 다음과 같은 미분 방정식 체계를 가지고 있습니다.

조건 = 1 }(0) = 1} 및 p(0) = 0, k = 1, 2, … {\displaystyle p_{k}(0) = 0,\ k = 1, 2,\ldots }에서 시스템의 솔루션은

즉, (동차적인) 포아송 과정은 순수한 출생 과정입니다.

M/M/c 큐

M/M/C는 C 서버와 무한 버퍼가 있는 다중 서버 큐입니다. 다음과 같은 출생 및 사망 파라미터를 특징으로 합니다.

그리고.

와 함께

이 경우 미분 방정식 체계는 다음과 같은 형태를 갖습니다.

M/M/C 큐와 관련된 순수 사멸 프로세스

= displaystyle \mu _{k} = k\mu}를 사용하는 순수 사멸 프로세스는 M/M/C 큐잉 프로세스의 특정 경우입니다. 우리는 다음과 같은 미분 방정식 체계를 가지고 있습니다.

초기 조건 ( = 1 }(0) = 및 p (0) = 0, k = 0, 1, …, C - 1, {\displaystyle p_{k}(0) = 0,\ k = 0, 1,\ldots, C-1,}에서 해를 얻습니다.

는 시간 파라미터 t에 따라 이항 분포의 버전을 나타냅니다(이항 공정 참조).

M/M/1/K queue

M/M/1/K 큐는 크기가 K인 버퍼가 있는 단일 서버 큐입니다. 이 대기열은 인구가 용량 제한을 가질 때 생물학뿐만 아니라 통신 분야에도 적용됩니다. 전기 통신에서는 다시 M/M/1 큐의 파라미터를 사용합니다.

생물학에서, 특히 박테리아의 성장은 인구가 0일 때 성장할 수 있는 능력이 없습니다.

추가적으로 개인이 인구 과잉으로 사망하는 한계를 나타내는 능력이라면,

시간 t에서 계가 k 상태에 있을 확률에 대한 미분방정식은 다음과 같습니다.

평형

정상 상태 = → ∞ p k ( k = 1, …, \pi _{k} =\lim _{t\to \infty }p_{k}(t),\k = 0,1,\ldots,}인 경우 큐가 평형 상태에 있다고 합니다. M/M/1 큐의 경우 이러한 정상 상태 확률의 존재 조건은ρ =λ / μ < 1 displaystyle \rho =\lambda /\mu < 1}이고 M/M/C 큐의 경우 ρ = λ / (C μ) < 1 {\displaystyle \rho =\lambda / (C\mu ) < 1}입니다. 파라미터ρ {\displaystyle\rho}는 일반적으로 로드 파라미터 또는 사용률 파라미터라고 합니다. 때때로 그것은 교통 강도라고도 불립니다.

M/M/1 큐를 예로 들어 정상 상태 방정식은 다음과 같습니다.

이는 다음으로 줄일 수 있습니다.

,π0 + π1 + … ={\displaystyle \pi _{0}+\pi _{1}+\ldots = 1}인 것을 고려하면, 우리는 다음을 얻을 수 있습니다.

양자간의 출생과 죽음의 과정

양자 출생 및 사망 과정은 출생 및 사망률λ i lambda _{i \mu _{i}}가 인덱스 i =,± 1, ± 2, … {\displaystyle i=0,\pm 1,\pm 2,\ldots }의 값에 대해 정의된다는 유일한 차이점과 함께 표준과 유사하게 정의됩니다. 이에 따라 양쪽의 출생과 사망 과정은 다음과 같은 경우에만 반복됩니다.

에르고딕성과 무효 반복의 개념은 표준 출생과 사망 과정의 해당 개념을 확장하여 유사하게 정의됩니다.

참고 항목

메모들

  1. ^ Feller, William (1939). "Die Grundlagen der Volterraschen Theorie des Kampfes ums Dasein in wahrscheinlichkeitstheoretischer Behandlung". Acta Biotheoretica. 5 (1): 11–40. doi:10.1007/BF01602932.
  2. ^ Karlin, Samuel; McGregor, James (1957). "The classification of birth and death processes" (PDF). Transactions of the American Mathematical Society. 86 (2): 366–400. doi:10.1090/S0002-9947-1957-0094854-8.
  3. ^ a b Abramov, Vyacheslav M. (2020). "Extension of the Bertrand–De Morgan test and its application". The American Mathematical Monthly. 127 (5): 444–448. arXiv:1901.05843. doi:10.1080/00029890.2020.1722551. S2CID 199552015.
  4. ^ Abramov, Vyacheslav M. (2022). "Necessary and sufficient conditions for the convergence of positive series" (PDF). Journal of Classical Analysis. 19 (2): 117–125. arXiv:2104.01702. doi:10.7153/jca-2022-19-09. S2CID 233025219.
  5. ^ Stadler T (December 2010). "Sampling-through-time in birth-death trees". Journal of Theoretical Biology. 267 (3): 396–404. Bibcode:2010JThBi.267..396S. doi:10.1016/j.jtbi.2010.09.010. PMID 20851708.
  6. ^ Kühnert D, Wu CH, Drummond AJ (December 2011). "Phylogenetic and epidemic modeling of rapidly evolving infectious diseases". Infection, Genetics and Evolution. 11 (8): 1825–41. doi:10.1016/j.meegid.2011.08.005. PMC 7106223. PMID 21906695.
  7. ^ Zarebski AE, du Plessis L, Parag KV, Pybus OG (February 2022). "A computationally tractable birth-death model that combines phylogenetic and epidemiological data". PLOS Computational Biology. 18 (2): e1009805. Bibcode:2022PLSCB..18E9805Z. doi:10.1371/journal.pcbi.1009805. PMC 8903285. PMID 35148311.
  8. ^ Louca S, Pennell MW (April 2020). "Extant timetrees are consistent with a myriad of diversification histories" (PDF). Nature. 508 (7804): 502–505. Bibcode:2020Natur.580..502L. doi:10.1038/s41586-020-2176-1. PMID 32322065. S2CID 215775763.
  9. ^ Legried B, Terhorst (August 2022). "A class of identifiable phylogenetic birth–death models". PNAS. 119 (35): e2119513119. Bibcode:2022PNAS..11919513L. doi:10.1073/pnas.2119513119. PMC 9436344. PMID 35994663.
  10. ^ Pruitt, William E. (1963). "Bilateral birth and death processes" (PDF). Transactions of the American Mathematical Society. 107 (3): 508–525. doi:10.1090/S0002-9947-1963-0150858-0.

참고문헌

  • Latouche, G.; Ramaswami, V. (1999). "Quasi-Birth-and-Death Processes". Introduction to Matrix Analytic Methods in Stochastic Modelling (1st ed.). ASA SIAM. ISBN 0-89871-425-7.
  • Nowak, M. A. (2006). Evolutionary Dynamics: Exploring the Equations of Life. Harvard University Press. ISBN 0-674-02338-2.
  • Virtamo, J. "Birth-death processes" (PDF). 38.3143 Queueing Theory. Retrieved 2 December 2019.