E.4 Markov-láncok E.4 Markov-láncok. Sok sorbanállási hálózat viselkedése leírható "folytonos idejű Markovláncok " segítségével.

Hasonló dokumentumok
előadás Diszkrét idejű tömegkiszolgálási modellek Poisson-folyamat Folytonos idejű Markov-láncok Folytonos idejű sorbanállás

Számítógép-rendszerek fontos jellemzői (Hardver és Szoftver):

Sztochasztikus folyamatok alapfogalmak

Sztochasztikus temporális logikák

e (t µ) 2 f (t) = 1 F (t) = 1 Normális eloszlás negyedik centrális momentuma:

0,424 0,576. f) P (X 2 = 3) g) P (X 3 = 1) h) P (X 4 = 1 vagy 2 X 2 = 2) i) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2 X 0 = 2) j) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2)

6. Előadás: Sorbanállási modellek, III.

12. előadás - Markov-láncok I.

Legyen adott egy S diszkrét halmaz. Leggyakrabban S az egész számoknak egy halmaza, például S = {0, 1, 2,..., N}, {0, 1, 2,... }.

Markov-láncok stacionárius eloszlása

4 Approximációs algoritmusok szorzatalakú hálózatok esetén

A Markovi forgalomanalízis legújabb eredményei és ezek alkalmazása a távközlő hálózatok teljesítményvizsgálatában

Bemenet modellezése (III.), forgalommodellezés

Hidden Markov Model. March 12, 2013

Operációkutatás. 4. konzultáció: Sorbanállás. Exponenciális elsozlás (ismétlés)

Tömegkiszolgálás. Dr. Györfi László Győri Sándor Dr. Pintér Márta

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 26.

Abszolút folytonos valószín ségi változó (4. el adás)

Rádiós hozzáférő hálózatok elemzése és méretezése analitikus módszerekkel Rákos Attila Nokia Siemens Networks

1. Példa. A gamma függvény és a Fubini-tétel.


Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása, június 10

Sztochasztikus folyamatok

G Alkalmazások G Alkalmazások

Készítette: Trosztel Mátyás Konzulens: Hajós Gergely

Optimalizálás alapfeladata Legmeredekebb lejtő Lagrange függvény Log-barrier módszer Büntetőfüggvény módszer 2017/

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

(Diszkrét idejű Markov-láncok állapotainak

A következő feladat célja az, hogy egyszerű módon konstruáljunk Poisson folyamatokat.

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

Sorbanállás elmélete

Sztochasztikus Petri-hálók

Véletlen szám generálás

Dinamikus modellek szerkezete, SDG modellek

Mátrixok 2017 Mátrixok

Gyakorló feladatok I.

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Megkülönböztetett kiszolgáló routerek az

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

1. Mátrixösszeadás és skalárral szorzás

Tantárgy kódja Meghirdetés féléve 3 Kreditpont 4 Összóraszám (elm+gyak) 2+2

4. Előadás: Sorbanállási modellek, I.

Teljesítménymodellezés

3. el adás: Determinánsok

Matematika (mesterképzés)

10. Exponenciális rendszerek

3. előadás Stabilitás

Valószínűségi modellellenőrzés Markov döntési folyamatokkal

Gauss-Seidel iteráció

Operációkutatás vizsga

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Tartalom. 1. Állapotegyenletek megoldása 2. Állapot visszacsatolás (pólusallokáció)

Testek. 16. Legyen z = 3 + 4i, w = 3 + i. Végezzük el az alábbi. a) (2 4), Z 5, b) (1, 0, 0, 1, 1) (1, 1, 1, 1, 0), Z 5 2.

Lineáris algebra (10A103)

A sorbanállási elmélet alapjai

Lineáris algebra és a rang fogalma (el adásvázlat, szeptember 29.) Maróti Miklós

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

HETEROGÉN MOBILHÁLÓZATOK, MOBIL BACKHAUL ÉS GERINC HÁLÓZAT GYAKORLAT

Mátrixok, mátrixműveletek

Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Valószínűségelméleti és Statisztika Tanszék. Csatolás

egyenletesen, és c olyan színű golyót teszünk az urnába, amilyen színűt húztunk. Bizonyítsuk

Proxy Cache szerverek hatékonyságának vizsgálata. Performance Modeling of Proxy Cache Servers

Forgalmi adatsorok illesztése Markov érkezési folyamattal

Numerikus módszerek 1.

Matematikai geodéziai számítások 10.

4. Az A és B események egymást kizáró eseményeknek vagy idegen (diszjunkt)eseményeknek nevezzük, ha AB=O

Markov modellek

Dekoherencia Markovi Dinamika Diósi Lajos. Elméleti Fizikai Iskola Tihany, augusztus szeptember 3.

Diszkrét állapotú rendszerek modellezése. Petri-hálók

INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK HATÉKONYSÁG- ELEMZÉSÉRE SZOLGÁLÓ ESZKÖZÖK

1. Geometria a komplex számsíkon

Differenciálegyenletek gyakorlat december 5.

Matematika A3 Valószínűségszámítás, 5. gyakorlat 2013/14. tavaszi félév

1. Határozzuk meg, hogy mikor egyenlő egymással a következő két mátrix: ; B = 8 7 2, 5 1. Számítsuk ki az A + B, A B, 3A, B mátrixokat!

Diszkrét állapotú rendszerek modellezése. Petri-hálók

ODE SOLVER-ek használata a MATLAB-ban

A szimplex tábla. p. 1

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Bevezetés az algebrába 1

Megoldások. ξ jelölje az első meghibásodásig eltelt időt. Akkor ξ N(6, 4; 2, 3) normális eloszlású P (ξ

7. gyakorlat megoldásai

V. Békés Megyei Középiskolai Matematikaverseny 2012/2013 Megoldások 12. évfolyam

WINPEPSY ALKALMAZÁSA SORBANÁLLÁSI MODELLEKNÉL

Fourier-sorfejtés vizsgálata Négyszögjel sorfejtése, átviteli vizsgálata

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

1. David Blackwell tétele

Matematikai statisztika I. témakör: Valószínűségszámítási ismétlés

Bevezetés az algebrába 2

Convergence analysis of Markovian systems

Megerősítéses tanulási módszerek és alkalmazásaik


3

Debreceni Egyetem Informatika Kar. Call Centerek matematikai modellezése

GPK M1 (BME) Interpoláció / 16

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 9.

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

Teljesítménymodellezés

Véletlen mátrix extrém-érték statisztika: Tracy-Widom eloszlás

Átírás:

E.4 Markov-láncok Sok sorbanállási hálózat viselkedése leírható "folytonos idejű Markovláncok " segítségével. Egy Markov-láncot (MC) meghatároznak az alapját adó sorbanállási hálózat állapotai és az ezek közötti átmenetintenzitások. Globális egyensúlyi egyenletek egy sorbanállási hálózat alapján kapott Markov-lánc esetén: π j q ji = π i q ij, j S j S i S S: Állapottér (A sorbanállási hálózat összes állapotának halmaza) q ij : Átmenetintenzitás az i és j átmenetek között p i : Az i állapot stacionárius valószínűsége E.187

Szavakban: összes beérkezés az i állapotba = összes távozás az i állapotból az i állapotba való átmenetintenzitások összege = az i állapotból való átmenetintenzitások összege Egyszerűsített globális egyensúlyi egyenletek: i S : π j q ji π i q ij =0 j i j i πq =0 Vagy a generátormátrixszal: p: A stacionárius valószínűségek vektora (π 1,..., π n ) q ii = j i q ij E.188

Q: Generátormátrix q ij átmenetintenzitásokkal Példa: Zárt csillaghálózat µ 1 µ 2 Jobok száma K = 3 Kiszolgálási intenzitások: 1/µ 1 = 5 sec és 1/µ 2 = 2.5 sec (exp. eloszlás) Stratégia: FCFS A Markov-lánc állapottere: {(3, 0), (2, 1), (1, 2), (0, 3)} Állapot: (k 1, k 2 ) k 1 job az 1-es és k 2 job a 2-es csomópontnál E.189

Stacionárius valószínűségek: π(k 1, k 2 ) E.4 Markov-láncok Állapotátmenet diagram vagy átmenetdiagram: µ 1 µ 1 µ 1 3,0 2,1 1,2 0,3 µ 2 µ 2 µ 2 Globális egyensúlyi egyenletek (Markov-egyenletrendszer): π(3, 0)µ 1 = π(2, 1)µ 2, π(2, 1)(µ 1 + µ 2 )=π(3, 0)µ 1 + π(1, 2)µ 2, π(1, 2)(µ 1 + µ 2 )=π(2, 1)µ 1 + π(0, 3)µ 2, π(0, 3)µ 2 = π(1, 2)µ 1. E.190

Generátormátrix: E.4 Markov-láncok Q= µ 1 µ 1 0 0 µ 2 (µ 1 + µ 2 ) µ 1 0 0 µ 2 (µ 1 + µ 2 ) µ 1 0 0 µ 2 µ 2 A stacionárius valószínűségek vektora: π =(π(3, 0),π(2, 1),π(1, 2),π(0, 3)) Generátormátrix µ 1 = 0.2 és µ 2 = 0.4 esetén: Q= 0.2 0.2 0 0 0.4 0.6 0.2 0 0 0.4 0.6 0.2. 0 0 0.4 0.4 E.191

A πq = 0 egyenletrendszer megoldásával kapjuk meg a stacionárius valószínűségeket: π(3, 0) = 0.5333, π(2, 1) = 0.2667, π(1, 2) = 0.1333, π(0, 3) = 0.0667 A stacionárius valószínűségekből kapjuk a marginális valószínűségeket: π 1 (0) = π 2 (3) = π(0, 3) = 0.0667, π 1 (1) = π 2 (2) = π(1, 2) = 0.133, π 1 (2) = π 2 (1) = π(2, 1) = 0.2667, π 1 (3) = π 2 (0) = π(3, 0) = 0.5333. Kihasználtságok: ρ 1 =1 π 1 (0) = 0.9333, ρ 2 =1 π 2 (0) = 0.4667. E.192

Áteresztőképesség: E.4 Markov-láncok λ = λ 1 = λ 2 = ρ 1 µ 1 = ρ 2 µ 2 =0.1867. A jobok átlagos száma: K 1 = 3 k=1 kπ 1 (k) =2.2667, K 2 = 3 k=1 kπ 2 (k) =0.7333. Átlagos válaszolási idők: T 1 = K 1 λ 1 =12.1429, T 2 = K 2 λ 2 =3.9286. E.193

Példa: M/M/1 - rendszer: E.4 Markov-láncok Az alapul vett Markov-lánc állapottere: {0, 1, 2, 3, 4,... } Átmenetdiagram: λ λ λ λ λ 0 1 2 n µ µ µ µ µ E.194

A stacionárius valószínűségek vektora: E.4 Markov-láncok π = (π 0, π 1, π 2, π 3, π 4,... ) λ µ Generátormátrix: λ λ 0 0 µ (λ + µ) λ 0 Q= 0 µ (λ + µ) λ 0 0 µ (λ + µ)....... Globális egyensúlyi egyenletek (Markov-egyenletrendszer): 0= π 0 λ + π 1 µ, 0= π k (λ + µ)+π k 1 λ + π k+1 µ, k 1 E.195

A π 1 és π 2 stacionárius valószínűségek: π 1 = λ µ π 0, π 2 = λ λ µ µ π 0 Általánosan: π k = ( ) λ k π 0 µ A normalizáló feltétel használatával: π 0 =1 λ µ E.196

ρ = λ/µ helyettesítéssel: E.4 Markov-láncok π 0 =1 ρ M/M/1 - rendszer stacionárius valószínűségei: π k =(1 ρ)ρ k M/M/1 - rendszer kihasználtsága: ρ =1 π 0 A jobok átlagos száma M/M/1 - rendszer esetén: K = ρ 1 ρ E.197

Zárt csillaghálózat E 2 -eloszlású kiszolgálási idejű egyik kiszolgálóval: µ 11 µ 12 µ 2 Jobok száma: K = 2 Kiszolgálási idők: Kiszolgáló 2: exp. eloszlás, µ 2 = 0.4 Kiszolgáló 1: E 2 -eloszlás,ahol a két fázis aránya µ 11 = µ 12 = 0.4 A hálózat állapotát megadja a csomópontokban lévő jobok száma és az 1-es csomópontban lévő job l = 0, 1, 2 fázisa: (k 1, l; k 2 ) A hálózat stacionárius valószínűsége: p(k 1, l; k 2 ) E.198

Átmenetdiagram: µ 11 µ 12 µ 11 µ 12 2,1;0 2,2;0 1,1;1 1,2;1 0,0;2 µ 2 µ 2 µ 2 Globális egyensúlyi egyenletek (Markov-egyenletrendszer): π(2, 1; 0)µ 11 = π(1, 1; 1)µ 2, π(2, 2; 0)µ 12 = π(2, 1; 0)µ 11 + π(1, 2; 1)µ 2, π(1, 1; 1)(µ 11 + µ 2 )=π(2, 2; 0)µ 12 + π(0, 0; 2)µ 2, π(1, 2; 1)(µ 12 + µ 2 )=π(1, 1; 1)µ 11, π(0, 0; 2)µ 2 = π(1, 2; 1)µ 12. E.199

Generátormátrix: Q= µ 11 µ 11 0 0 0 0 µ 12 µ 12 0 0 µ 2 0 (µ 11 + µ 2 ) µ 11 0 0 µ 2 0 (µ 12 + µ 2 ) µ 12 0 0 µ 2 0 µ 2 E.4 Markov-láncok Generátormátrix a kiszolgálási intenzitások értékeivel: Q= 0.4 0.4 0 0 0 0 0.4 0.4 0 0 0.4 0 0.8 0.4 0 0 0.4 0 0.8 0.4 0 0 0.4 0 0.4 E.200

A πq = 0 megoldásával vagy a globális egyensúlyi egyenletekkel: π(2, 1; 0) = 0.2219, π(2, 2; 0) = 0.3336, π(1, 1; 1) = 0.2219, π(1, 2; 1) = 0.1102, π(0, 0; 2) = 0.1125. Marginális valószínűségek: π 1 (0) = π 2 (2) = π(0, 0; 2) = 0.1125, π 1 (1) = π 2 (1) = π(1, 1; 1) + π(1, 2; 1) = 0.3321, π 1 (2) = π 2 (0) = π(2, 1; 0) + π(2, 2; 0) = 0.5555. A marginális valószínűségek használatával az összes többi hatékonyságjellemző számolható. E.201

Példa: Egyszerű zárt sorbanállási hálózat: E.4 Markov-láncok µ 2 µ 1 µ 3 Jobok száma K = 2 Kiszolgálási idők: exp. el.,: µ 1 = 4/sec, µ 2 = 1/sec és µ 3 = 2/sec Stratégia: FCFS E.202

Útvonalvalószínűségek: p 12 = 0.4, p 13 = 0.6 p 21 = p 31 = 1 A Markov-lánc állapottere: {(2, 0, 0), (0, 2, 0), (0, 0, 2), (1, 1, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1)} Állapot: (k 1, k 2, k 3 ) k 1 job az 1-es csomópontban, k 2 job a 2-es csomópontban és k 3 job a 3-as csomópontban Stacionárius valószínűségek: π(k 1, k 2, k 3 ) E.203

Átmenetdiagram: 2, 0, 0 µ 3 p 31 µ 1 p 21 µ 3 p 31 µ 1 p 13 µ 2 p 21 µ 1 p 12 0, 0, 2 1, 0, 1 1, 1, 0 0, 2, 0 µ 1 p 13 µ 1 p 12 µ 3 p 31 µ 2 p 21 µ 2 p 21 µ 1 p 13 0, 1, 1 E.204

Globális egyensúlyi egyenletek: (1) π(2, 0, 0)(µ 1 p 12 + µ 1 p 13 )=π(1, 0, 1)µ 3 p 31 + π(1, 1, 0)µ 2 p 21, (2) π(0, 2, 0)µ 2 p 21 = π(1, 1, 0)µ 1 p 12, (3) π(0, 0, 2)µ 3 p 31 = π(1, 0, 1)µ 1 p 13, (4) π(1, 1, 0)(µ 2 p 21 + µ 1 p 13 + µ 1 p 12 )=π(0, 2, 0)µ 2 p 21 + π(2, 0, 0)µ 1 p 12 + π(0, 1, 1)µ 3 p 31, (5) π(1, 0, 1)(µ 3 p 31 + µ 1 p 12 + µ 1 p 13 )=π(0, 0, 2)µ 3 p 31 + π(0, 1, 1)µ 2 p 21 + π(2, 0, 0)µ 1 p 13, (6) π(0, 1, 1)(µ 3 p 31 + µ 2 p 21 )=π(1, 1, 0)µ 1 p 13 + π(1, 0, 1)µ 1 p 12. E.205

A Globális egyensúlyi egyenletek megoldása: E.4 Markov-láncok Iteratív módszer: Globális egyensúlyi egyenletek: πq = 0 Skalárral történő szorzás: πq = 0 π hozzáadása mindkét oldalhoz: πq + π = π Egységmátrix kiemelése : π(q + I) = π Iteráció: π (j+1) = π (j) (Q + I) megválasztása aszerint, hogy az iteráció konvergens legyen : = 1/max q ii vagy = 0.99/max q ii E.206

Példa: Csillaghálózat: Generátormátrix: Q = 0.2 0.2 0 0 0.4 0.6 0.2 0 0 0.4 0.6 0.2 0 0 0.4 0.4 E.4 Markov-láncok Skalár : = 1 max q ii = 1 0.6 =1.6667 Invariáns mátrix: (Q +I) = 0.6667 0.3333 0 0 0.6667 0 0.3333 0 0 0.6667 0 0.3333 0 0 0.6667 0.3333 E.207

A kezdeti vektor tetszőlegesen választható: π (0) =(π(3, 0),π(2, 1),π(1, 2),π(0, 3)) (0) Normalizáló feltétel: π(3, 0) + π(2, 1) + π(1, 2) + π(0, 3) = 1 A kezdeti vektor: π (0) =(0.65; 0.35; 0; 0) E.208

Iteration π(3, 0) π(2, 1) π(1, 2) π(0, 3) 1 0.6667 0.2166 0.1167 0 2 0.5889 0.3000 0.0722 0.0389 3 0.5926 0.2444 0.1259 0.0371 4 0.5580 0.2815 0.1062 0.0543 5 0.5597 0.2568 0.1300 0.0535 6 0.5443 0.2733 0.1213 0.0612 7 0.5450 0.2623 0.1319 0.0608 8 0.5382 0.2696 0.1280 0.0642 9 0.5385 0.2647 0.1327 0.0641 10 0.5355 0.2680 0.1309 0.0656 11 0.5356 0.2658 0.1330 0.0655 Pontos értékek: E.209

Az iteratív módszer mindig alkalmazható, de nagyon sok számolási időt és memóriát igényel Más módszerek (gyorsabbak és kisebb memóriaigényűek): Stacionárius módszerek: Hatvány módszer Jacobi-módszer Gauß-Seidel-módszer Többszintű módszer Tranziens módszerek: Uniformizálás π(3, 0) = 0.5333,π(2, 1) = 0.2667,π(1, 2) = 0.1333,π(0, 3) = 0.0667 E.210

A Globális egyensúlyi egyenletek tranziens megoldása: Globális egyensúlyi egyenletek: πq = 0 csak a stacionárius eloszlásra érvényesek A tranziens állapot esetén: dπ(t) dt = π(t)q, π(0) = (π 0 (0),π 1 (0),...) A tranziens esetben az "állapotba érkezés" és az "ebből az állapotból távozás" közötti különbség az állapot állapotvalószínűségéből származtatható. Megoldás nagyon nehéz (Uniformizálás!). E.211

Példa: Születési folyamat (pl. beérkezések egy sorbanállási halózatba): λ λ λ 0 1 2 Generátormátrix: Q= λ λ 0 0... 0 λ λ 0... 0 0 λ λ.......... E.212

Egyensúlyi egyenletek: d dt π 0(t) = λπ 0 (t), d dt π k(t) = λπ k (t)+λπ k 1 (t), k 1 Kezdeti feltételek: π k (0) = { 1 k =0 0 k 1 E.213

A születési folyamat állapotvalószínűsége (Poisson-folyamat, Poisson eloszlás): π k (t) = (λt)k k! e λt, k 0 Annak valószínűsége, hogy t idő alatt k születés történt (k job érkezett) Annak valószínűsége, hogy t idő alatt történt születés(beérkezés) P( T A > t ): π 0 (t) =e λt Két születés (beérkezés) közötti idő eloszlása: P( T A t ) = 1 - π 0 (t) = 1 - e -λt A beérkezési időközök exponenciális eloszlásúak!! E.214

1 Poisson eloszlás λ = 0.5 0.8 Probabilities 0.6 0.4 0.2 π 0 (t) π 1 (t) π 2 (t) π 3 (t) λ =0.5 π 4 (t) 0 5 10 15 20 t E.215

Poisson eloszlás λ = 1 E.4 Markov-láncok 1 0.8 0.6 π 0 (t) λ =1.0 Probabilities 0.4 0.2 π 1 (t) π 2 (t) π 3 (t) π 4 (t) 0 5 10 15 20 t E.216