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.
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:
재발과 일시성
마르코프 프로세스의 반복 및 과도성에 대해서는 마르코프 체인의 섹션 5.3을 참조하십시오.
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 1차원랜덤 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:
서 는 0< n< { C n/ > C >을 만족합니다
여기에 설명된 임의 보행은 출생과 사망 과정의 이산 시간유사성(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.
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 사망은δ t \}보다 작은 차수의 확률을 가지므로 파생은 무시할 수 있습니다. 시스템이 k 상태인 경우 간격δ {\displaystyle\ t} 동안 출생할 은λKδ t + o (δ t) \lambda _{k}\Delta t+Deltat)},할은 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 대기열모델인 M/M/C/K/ ∞ \infty} /FIFO완전한 켄달 표기법) 대기열의 가장 기본적인 예입니다. 이는 무한 모집단에서 추출된 포아송 도착이 있는 큐이며, K개의 위치가 있는 기하급수적으로 분포된 서비스 시간이 있는 C 서버입니다. 무한한 인구라는 가정에도 불구하고 이 모델은 다양한 통신 시스템에 좋은 모델입니다.
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 서비스은1/μ {\1/\mu}로 제공됩니다. 출생-사망 과정은 M/M/1 대기열입니다.
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 상태이 = → ∞ 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.
,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 및 \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.
^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.