Рассмотрим математическое описание марковского процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем

на примере случайного процесса из задачи 15.1, граф которого изображен на рис. 15.1. Будем полагать, что все переходы системы из состояния 5 в 5 происходят под воздействием простейших потоков событий с интенсивностями λ . (i, j = = 0, 1,2, 3); так, переход системы из состояния S 0 в 5, будет происходить под воздействием потока отказов первого узла, а обратный переход из состояния в S 0 – под воздействием потока "окончаний ремонтов" первого узла и т.п.

Граф состояния системы с проставленными у стрелок интенсивностями будем называть размеченным (см. рис. 15.1). Рассматриваемая система S имеет четыре возможных состояния. 5q, iSj, S 2, 5"->-

Вероятностью i-го состояния называется вероятность pit) того, что в момент t система будет находиться в состоянии 5(.. Очевидно, что для любого момента t сумма вероятностей всех состояний равна единице:

Рассмотрим систему в момент t и, задав малый промежуток At, найдем вероятность p 0(t + At) того, что система в момент (ί + Δί) будет находиться в состоянии 50. Это достигается разными способами.

1. Система в момент t с вероятностью p Q(t) находилась в состоянии 50, а за время At не вышла из него.

Вывести систему из этого состояния (см. граф на рис. 15.1) можно суммарным простейшим потоком с интенсивностью (λ01 + λ02), т.е. в соответствии с (15.7) с вероятностью, приближенно равной (λ01 + λ0.,)Δί. Л вероятность того, что система не выйдет из состояния 50, равна [ΐ-(λοι + λ0.,)Δί]. Вероятность того, что система будет находиться в состоянии 50 по первому способу (т.е. того, что находилась в состоянии 50 и не выйдет из него за время Δί), равна по теореме умножения вероятностей

2. Система в момент t с вероятностью p^t) (или p 2(t)) находилась в состоянии 5) или S2 и за время At перешла в состояние 50.

Потоком интенсивностью λ10 (или λ20 – см. рис. 15.1) система перейдет в состояние 50 с вероятностью, приближенно

равной λ,0Δί (или λ20Δί) Вероятность того, что система будет находиться в состоянии 50 по этому способу, равна Ρι(ί)10Δί (или ρ2(ί)λ20Δί).

Применяя теорему сложения вероятностей, получим откуда

Переходя к пределу при At → 0 (приближенные равенства, связанные с применением формулы (15.7), перейдут в точные), получим в левой части уравнения производную р" 0 (ί) (обозначим ее для простоты р "0):

Получили дифференциальное уравнение первого порядка, т.е. уравнение, содержащее как саму неизвестную функцию, так и ее производную первого порядка.

Рассуждая аналогично для других состояний системы 5, можно получить систему дифференциальных уравнений Колмогорова для вероятностей состояний:

(15.9)

Сформулируем правило составления уравнений Колмогорова. В левой части каждого из них стоит производная вероятности i-го состояния. В правой части – сумма произведений вероятностей всех состояний (из которых идут стрелки в данное состояние) на интенсивности соответствующих потоков событий, минус суммарная интенсивность всех потоков, выводящих систему из данного состояния, умноженная на вероятность данного (i-го состояния).

В системе (15.9) независимых уравнений на единицу меньше общего числа уравнений. Поэтому для решения системы необходимо добавить уравнение (15.8).

Особенность решения дифференциальных уравнений вообще состоит в том, что требуется задать так называемые начальные условия, т.е. в данном случае вероятности состояний системы в начальный момент t = 0. Так, например, систему уравнений (15.9) естественно решать при условии, что в начальный момент оба узла исправны и система находилась в состоянии 50, т.е. при начальных условиях р 0 (0) = 1, р х (о) = р 2 (О) = р 3 (О) = 0.

Уравнения Колмогорова дают возможность найти все вероятности состояний как функции времени. Особый интерес представляют вероятности системы р-(!) в предельном, стационарном режиме, т.е. при t → ∞, которые называются предельными (или финальными) вероятностями состояний.

В теории случайных процессов доказывается, что если число состояний системы конечно и из каждого из них можно (за конечное число шагов) перейти в любое другое состояние, то предельные вероятности существуют.

Предельная вероятность состояния S j имеет четкий смысл: она показывает среднее относительное время пребывания системы в этом состоянии. Например, если предельная вероятность состояния 50, т.е. р 0 = 0,5, то это означает, что в среднем половину времени система находится в состоянии 50.

Так как предельные вероятности постоянны, то, заменяя в уравнениях Колмогорова их производные нулевыми значениями, получим систему линейных алгебраических уравнений, описывающих стационарный режим. Для системы S с графом состояний, изображенном на рис. 15.1, такая система уравнений имеет вид:

(15.10)

Систему (15.10) можно составить непосредственно по размеченному графу состояний, если руководствоваться правилом, согласно которому слева в уравнениях стоит предельная вероятность данного состояния р г умноженная на суммарную интенсивность всех потоков, ведущих из данного

состояния, а справа – сумма произведений интенсивностей всех потоков, входящих в i-е состояние, на вероятности тех состояний, из которых эти потоки исходят.

15.2. Найти предельные вероятности для системы S из задачи 15.1, граф состояний которой приведен на рис. 15.1, при

Решение. Система алгебраических уравнений, описывающих стационарный режим для данной системы, имеет вид (15.10) или

(15.11)

Здесь мы вместо одного "лишнего" уравнения системы (15.10) записали нормировочное условие (15.8).

Решив систему (15.11), получим р () = 0,40, p i = 0,20, р 2 = 0,27, р 3 = 0,13, т.е. в предельном, стационарном режиме система S в среднем 40% времени будет находиться в состоянии 5Н (оба узла исправны), 20% – в состоянии 5, (первый узел ремонтируется, второй работает), 27% – в состоянии S 2 (второй узел ремонтируется, первый работает) и 13% времени – в состоянии 53 (оба узла ремонтируются).

15.3. Найти средний чистый доход от эксплуатации в стационарном режиме системы 5 в условиях задач 15.1 и 15.2, если известно, что в единицу времени исправная работа первого и второго узлов приносит доход соответственно в 10 и 6 ден. ед., а их ремонт требует затрат соответственно в 4 и 2 ден. ед. Оценить экономическую эффективность имеющейся возможности уменьшения вдвое среднего времени ремонта каждого из двух узлов, если при этом придется вдвое увеличить затраты на ремонт каждого узла (в единицу времени).

Решение. Из задачи 15.2 следует, что в среднем первый узел исправно работает долю времени, равную р {) + р 2 = = 0,40 + 0,27 = 0,67, а второй узел – р 0 + p = 0,40 + 0,20 = = 0,60. В то же время первый узел находится в ремонте в среднем долю времени, равную р { + р3 = 0,20 + 0,13 = 0,33, а второй узел – р 2 + р 3 = 0,27 + 0,13 = 0,40. Поэтому средний чистый доход в единицу времени от эксплуатации системы, т.е. разность между доходами и затратами, равен

Уменьшение вдвое среднего времени ремонта каждого из узлов в соответствии с (15.6) будет означать увеличение вдвое интенсивностей потока "окончаний ремонтов" каждого узла, т.е. теперь, и система линейных алгебраических уравнений (15.10), описывающая стационарный режим системы У, вместе с нормировочным условием (15.8) примет вид :

Решив систему, получим р 0 = 0,60, р, = 0,15, р 2 = 0,20, р 3 = 0,05.

Учитывая, что р 0 + р 2 = 0,60 + 0,20 = 0,80, р 0 + р { = 0,60 + + 0,15 = 0,75, р { + р 3 = 0,15 + 0,05 = 0,20, р 2 + р 3 = 0,20 + + 0,05 = 0,25, а затраты на ремонт первого и второго узла составляют теперь соответственно 8 и 4 ден. ед., вычислим средний чистый доход в единицу времени:

Так как Д1 больше Д (примерно на 20%), то экономическая целесообразность ускорения ремонтов узлов очевидна.

• При записи системы (15.10) одно "лишнее" уравнение мы исключили.

Рассматривая марковские процессы с дискретными состояниями и непрерывным временем, удобно будет представлять себе, что все переходы системы S из состояния в состояние происходят под действием каких-то потоков событий (поток вызовов, поток отказов, поток восстановлений и т.д.). Если все потоки событий, переводящие систему S из состояния в состояние – простейшие, то процесс протекающий в системе, будет марковским (простейший характер потоков – достаточное, но не необходимое условие для марковского процесса, т.к. простейший поток не обладает последействием: в нем "будущее" не зависит от "прошлого").

Если система S находится в каком-то состоянии S i , из которого есть непосредственный переход в другое состояние S j , то это представим так, что на систему, пока она находится в состоянии S i , действует простейший поток событий, переводящий ее по стрелке . Как только появится первое событие этого потока, происходит переход системы изS i в S j . Для наглядности на графе состояний у каждой стрелки проставим интенсивность того потока событий, который переводит систему по данной стрелке. Обозначим λ ij интенсивность потока событий, переводящего систему из состояния S i в S j . Такой граф будем называть размеченным (рис. 4.8). (вернемся к примеру технического устройства из двух узлов).

Напомним состояния системы:

S 0 – оба узла исправны;

S 1 – первый узел в ремонте, второй исправен;

S 2 – второй узел в ремонте, первый исправен;

S 3 – оба узла в ремонте.

Интенсивности потоков событий, переводящих систему из состояния в состояние, будем вычислять, предполагая, что среднее время ремонта узла не зависит от того, ремонтируется один узел или оба сразу. Это будет так, если ремонтом каждого узла занят отдельный специалист.

Найдем все интенсивности потоков событий, переводящих систему из состояния в состояние. Пусть система находится в состоянии S 0 . Какой поток событий переводит ее в состояние S 1 ? Очевидно, поток отказов первого узла. Его интенсивность  1 равна единице, деленной на среднее время безотказной работы первого узла. Поток событий, переводящий систему обратно из S 1 в S 0 – поток окончаний ремонтов первого узла. Его интенсивность  1 равна единице, деленной на среднее время ремонтов первого узла. Аналогично вычисляются интенсивности потоков событий, переводящих систему по всем стрелкам графа рис. 4.9.

Имея размеченный граф состояний системы, можно построить математическую модель данного процесса.

Пусть рассматривается система S, имеющая n возможных состояний S 1 , S 2 , …, S n . Назовем вероятностью i – го состояния вероятность P i (t) того, что в момент t система будет находится в состоянии S i . Очевидно, что для любого момента сумма всех вероятностей состояний равна единице.

(4.5)

Имея в своем распоряжении размеченный граф состояний, можно найти все вероятности состояний P i (t) как функции времени. Для этого составляются и решаются уравнения Колмогорова – особого вида дифференциальные уравнения, в которых неизвестными функциями являются вероятности состояний.

Посмотрим на примере, как эти уравнения составляются. Пусть система S имеет 4 состояния: S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , размеченный граф которых показан на рис. 4.10. Рассмотрим одну из вероятностей состояний, например P 1 (t). Это – вероятность того, что в момент t система будет в состоянии S 1 . Придадим t малое приращение t и найдем P 1 (t+t) – вероятность того, что в момент t+t система будет находится в состоянии S 1 . Как это может произойти? Очевидно, двумя способами:

в момент t система уже была в состоянии S 1 , а за время t не вышла из него; либо

в момент t система была в состоянии S 2 , а время t перешла из него в S 1 .

Найдем вероятность первого варианта. Вероятность того, что в момент t система была в состоянии S 1 , равна P 1 (t). Эту вероятность нужно умножить на вероятность того, что находившись в момент t в состоянии S 1 , система за время t не перейдет из него ни в S 2 , ни в S 3 . Суммарный поток событий, выводящий систему из состояния S 1 тоже будет простейшим, с интенсивностью  12 + 13 (при наложении – суперпозиции – двух простейших потоков получается опять простейший поток, т.к. свойства стационарности, ординарности и отсутствия последействия сохраняются), значит, вероятность того, что за время t система выйдет из состояния S 1 , равна ( 12 + 13) t, вероятность того, что не выйдет: 1-( 12 + 13) t. Отсюда вероятность первого варианта равна P 1 (t).

Найдем вероятность второго варианта. Она равна вероятности того, что в момент t система будет в состоянии S 2 , а за время t перейдет из него в состояние S 1 , т.е. она равна P 2 (t) 21 t.

Складывая вероятности обоих вариантов (по правилу сложения вероятностей), получим: P 1 (t+t)=P 1 (t)+P 2 (t) 21 t.

Раскроем квадратные скобки, перенесем P 1 (t) в левую часть и разделим обе части на t:

Устремим t к нулю; слева получим в пределе производную функции P 1 (t). Т.о., запишем дифференциальное уравнение для P 1 (t):

, или, отбрасывая аргумент t у функций P 1 , P 2:

(4.6)

Рассуждая аналогично для всех остальных состояний, напишем еще три дифференциальных уравнения. В результате получим систему дифференциальных уравнений для вероятностей состояний:

(4.7)

Это – система из 4-х линейных дифференциальных уравнений с четырьмя неизвестными функциями P 1 , P 2 , P 3 , P 4 . Одно из них (любое) можно отбросить, пользуясь тем, что
; выразить любую из вероятностейP i через другие, это выражение подставить в (4.7), а соответствующее уравнение с производной отбросить.

Сформулируем теперь общее правило составления уравнений Колмогорова. В левой части каждого из них стоит производная вероятности какого-то (i -го) состояния. В правой части – сумма произведений вероятностей всех состояний, из которых идут стрелки в данное состояние, на интенсивности соответствующих потоков событий, минус суммарная интенсивность всех потоков, выводящих систему из данного состояния, умноженная на вероятность данного (i -го) состояния.

Пользуясь этим правилом, напишем уравнения Колмогорова для системы S (рис. 4.9):

(4.8)

Чтобы решить уравнения Колмогорова и найти вероятности состояний, необходимо задать начальные условия. Если мы точно знаем начальное состояние системы S i (при t=0) P i (0)=1, а все остальные начальные вероятности равны 0. Так уравнения (4.8) естественно решать при начальных условиях P 0 (0)=1, P 1 (0)=P 2 (0)=P 3 (0)=0 (в начальный момент оба узла исправны). Обычно, когда число уравнений больше двух (трех) их решают численно на ЭВМ.

Т.о., уравнения Колмогорова дают возможность найти все вероятности состояний как функции времени.

Рассмотрим математическое описание марковского процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем* на примере случайного процесса из примера 1, граф которого изображен на рис. 1. Будем полагать, что все переходы системы из состояния впроисходят под воздействием простейших потоков событий с интенсивностями; так, переход системы из состояниявбудет происходить под воздействием потока отказов первого узла, а обратный переход из состоянияв- под воздействием потока "окончаний ремонтов" первого узла и т.п.

Граф состояний системы с проставленными у стрелок интенсивностями будем называть размеченным (см. рис. 1). Рассматриваемая система имеет четыре возможных состояния:.

Вероятностью i-го состояния называется вероятность того, что в моментсистема будет находиться в состоянии. Очевидно, что для любого моментасумма вероятностей всех состояний равна единице:

Рассмотрим систему в момент и, задав малый промежуток, найдем вероятностьтого, что система в моментбудет находиться в состоянии. Это достигается разными способами.

1. Система в момент с вероятностьюнаходилась в состоянии, а за времяне вышла из него.

Вывести систему из этого состояния (см. граф на рис. 1) можно суммарным простейшим потоком с интенсивностью , т.е. в соответствии с формулой (7), с вероятностью, приближенно равной. А вероятность того, что система не выйдет из состояния, равна. Вероятность того, что система будет находиться в состояниипо первому способу (т.е. того, что находилась в состояниии не выйдет из него за время), равна по теореме умножения вероятностей:

2. Система в момент с вероятностями(или) находилась в состоянииилии за времяперешла в состояние.

Потоком интенсивностью (или- с- рис. 1) система перейдет в состояниес вероятностью, приближенно равной(или). Вероятность того, что система будет находиться в состояниипо этому способу, равна(или).

Применяя теорему сложения вероятностей, получим

Переходя к пределу при (приближенные равенства, связанные с применением формулы (7), перейдут в точные), получим в левой части уравнения производную(обозначим ее для простоты):

Получили дифференциальное уравнение первого порядка, т.е. уравнение, содержащее как саму неизвестную функцию, так и ее производную первого порядка.

Рассуждая аналогично для других состояний системы , можно получить систему дифференциальных уравнений Колмогорова для вероятностей состояний:

Сформулируем правило составления уравнений Колмогорова . В левой части каждого из них стоит производная вероятности i-го состояния. В правой части - сумма произведений вероятностей всех состояний (из которых идут стрелки в данное состояние) на интенсивности соответствующих потоков событий, минус суммарная интенсивность всех потоков, выводящих систему из данного состояния, умноженная на вероятность данного (i-го состояния).

В системе (9) независимых уравнений на единицу меньше общего числа уравнений. Поэтому для решения системы необходимо добавить уравнение (8).

Особенность решения дифференциальных уравнений вообще состоит в том, что требуется задать так называемые начальные условия, т.е. в данном случае вероятности состояний системы в начальный момент . Так, например, систему уравнений (9) естественно решать при условии, что в начальный момент оба узла исправны и система находилась в состоянии, т.е. при начальных условиях.

Уравнения Колмогорова дают возможность найти все вероятности состояний как функции времени . Особый интерес представляют вероятности системы впредельном стационарном режиме , т.е. при , которые называютсяпредельными (или финальными) вероятностями состояний.

В теории случайных процессов доказывается, что если число состояний системы конечно и из каждого из них можно (за конечное число шагов) перейти в любое другое состояние, то предельные вероятности существуют.

Предельная вероятность состояния имеет четкий смысл: она показываетсреднее относительное время пребывания системы в этом состоянии . Например, если предельная вероятность состояния , т.е., то это означает, что в среднем половину времени система находится в состоянии.

Так как предельные вероятности постоянны, то, заменяя в уравнениях Колмогорова их производные нулевыми значениями, получим систему линейных алгебраических уравнений, описывающих стационарный режим. Для системы с графом состояний, изображенном на рис. 1), такая система уравнений имеет вид:

Систему (10) можно составить непосредственно по размеченному графу состояний, если руководствоваться правилом, согласно которому слева в уравнениях стоит предельная вероятность данного состояния , умноженная на суммарную интенсивность всех потоков, ведущих из данного состояния, а справа - сумма произведений интенсивностей всех потоков, входящих в i-е состояние, на вероятности тех состояний, из которых эти потоки исходят.

Пусть имеется физическая система S с дискретными состояниями:

в которой протекает марковский случайный процесс с непрерывным временем (непрерывная цепь Маркова). Граф состояний показан на рис. 4.32.

Предположим, что все интенсивности потоков событий, переводящих систему из состояния в состояние, постоянны:

другими словами, все потоки событий - простейшие (стационарные пуассоновские) потоки.

Записав систему дифференциальных уравнений Колмогорова для вероятностей состояний и проинтегрировав эти уравнения при заданных начальных условиях, мы получим вероятности состояний, как функции времени, т. е. функций:

при любом t дающих в сумме единицу:

Поставим теперь следующий вопрос: что будет происходить с системой S при Будут ли функции стремиться к каким-то пределам? Эти пределы, если они существуют, называются предельными (или «финальными») вероятностями состояний.

Можно доказать следующее общее положение. Если число состояний системы S конечно и из каждого состояния можно перейти (за то или иное число шагов) в каждое другое, то предельные вероятности состояний существуют и не зависят от начального состояния системы.

На рис. 4.33 показан граф состояний, удовлетворяющий поставленному условию: из любого состояния система может рано или поздно перейти в любое другое. Напротив, для системы, граф состояний которой показан на рис. 4.34, условие не выполнено. Очевидно, что если начальное состояние такой системы то, например, состояние при может быть достигнуто, а если начальное состояние - не может.

Предположим, что поставленное условие выполнено, и предельные вероятности существуют:

Предельные вероятности мы будем обозначать теми же буквами что и сами вероятности состояний, разумея подними на этот раз не переменные величины (функций времени), а постоянные числа.

Очевидно, предельные вероятности состояний, так же как и допредельные, в сумме должны давать единицу:

Таким образом, при в системе S устанавливается некоторый предельный стационарный режим: он состоит в том, что система случайным образом меняет свои состояния, но вероятность каждого из них уже не зависит от времени: каждое из состояний осуществляется с некоторой постоянной вероятностью. Каков смысл этой вероятности? Она представляет собой не что иное, как среднее относительное время пребывания системы в данном состоянии. Например, если у системы S три возможных состояния: причем их предельные вероятности равны 0,2, 0,3 и 0,5, это означает, что после перехода к установившемуся режиму система S в среднем две десятых времени будет находиться в состоянии три десятых - в состоянии и половину времени в состоянии Возникает вопрос: как вычислить предельные вероятности состояний

Оказывается, для этого в системе уравнений Колмогорова, описывающих вероятности состояний, нужно положить все левые части (производные) равными нулю.

Действительно, в предельном (установившемся) режиме все вероятности состояний постоянны, значит, их производные равны нулю.

Если все левые части уравнений Колмогорова для вероятностей состояний положить равными нулю, то система дифференциальных уравнений превратится в систему линейных алгебраических уравнений. Совместно с условием

(так называемым «нормировочным условием») эти уравнения дают возможность вычислить все предельные вероятности

Пример 1. Физическая система 5 имеет возможные состояния: размеченный граф которых дан на рис. 4.35 (у каждой стрелки поставлено численное значение соответствующей интенсивности). Вычислить предельные вероятности состояний:

Решение. Пишем уравнения Колмогорова для вероятностей состояний:

Полагая левые части равными нулю, получим систему алгебраических уравнений для предельных вероятностей состояний:

Уравнения (7.4) - так называемые однородные уравнения (без свободного члена). Как известно из алгебры, эти уравнения определяют величины только с точностью до постоянного множителя. К счастью, у нас есть нормировочное условие:

которое, совместно о уравнениями (7.4), дает возможность найти все неизвестные вероятности.

Действительно, выразим из (7.4) все неизвестные вероятности через одиу из них, например, через Из первого уравнения:

Подставляя во второе уравнение, получим:

Четвертое уравнение дает:

Подставляя все эти выражения вместо в нормировочное условие (7.5), получим

Таким образом, предельные вероятности состояний получены, они равиы:

Это значит, что в предельном, установившемся режиме система S будет проводить в состоянии в среднем одну двадцать четвертую часть времени, в состоянии - половину времени, в состоянии - пять двадцать четвертых и в состоянии - одну четверть времени.

Заметим, что решая эту задачу, мы совсем не пользовались одним из уравнений (7 4) - третьим Нетрудно убедиться, что оно является следствием трех остальных: складывая все четыре уравнения, мы получим тождественный нуль. С равным успехом, решая систему, мы могли бы отбросить любое из четырех уравнений (7.4).

Примененный нами способ составления алгебраических уравнений для предельных вероятностей состояний сводился к следующему: сперва написать дифференциальные уравнения, а затем положить в них левые части равными нулю. Однако можио записать алгебраические уравнения для предельных вероятностей и непосредственно, не проходя через этап дифференциальных. Проиллюстрируем это на примере.

Пусть имеется физическая система S с дискретными состояниями:

S 1 ,S 2 ,...,S n ,

в которой протекает марковский случайный процесс с непрерывным временем (непрерывная цепь Маркова). Граф состояний показан на рис. 23.

Предположим, что все интенсивности потоков событий, переводя­щих систему из состояния в состояние, постоянны:

другими словами, все потоки событий – простейшие (стационарные. пуассоновские) потоки.

Записав систему дифференциальных уравнений Колмогорова для вероятностей состояний и проинтегрировав эти уравнения при заданных начальных условиях, мы получим вероятности состояний, как функции времени, т. е. n функций:

p 1 (t), p 2 (t),…,p n (t),

при любом t дающих в сумме единицу: .

Поставим теперь следующий вопрос: что будет происходить с сис­темой S при t®¥? Будут ли функции p 1 (t), p 2 (t),…,p n (t) стремиться к каким-то пределам? Эти пределы, если они существуют, называются предельными (или «финальными») вероятностями состояний.

Можно доказать следующее общее положение. Если число состоя­ний системы S конечно и из каждого состояния можно перейти (за то или иное число шагов) в каждое другое, то предельные вероятности со­стояний существуют и не зависят от начального состояния системы .

На рис. 24 показан граф состояний, удовлетворяющий постав­ленному условию: из любого состояния система может рано или позд­но перейти в любое другое. Напротив, для системы, граф состояний которой показан на рис. 25, условие не выполнено. Очевидно, что если начальное состояние такой системы S 1 то, например, состояние S 6 при t®¥ может быть достигнуто, а если начальное состояние S 2 – не может.

Предположим, что поставленное условие выполнено, и предель­ные вероятности существуют:

(i = 1, 2,..., n). (6.1)

Предельные вероятности мы будем обозначать теми же буквами р 1 , р 2 , … р n , что и сами вероятности состояний, разумея подними на этот раз не переменные величины (функции времени), а постоянные числа.

Очевидно, предельные вероятности состоянии, так же как и допредельные, в сумме должны давать единицу:

Таким образом, при t®¥ в системе S устанавливается некоторый предельный стационарный режим: он состоит в том, что система случайным образом меняет свои состояния, но вероятность каждого из них уже не зависит от времени: каждое из состояний осу­ществляется с некоторой постоянной вероятностью. Каков смысл этой вероятности? Она представляет собой не что иное, как сред­нее относительное время пребывания си­стемы в данном состоянии. Например, если у системы S три возможных состояния: S 1 ,S 2 и S 3 , причем их предельные вероят­ности равны 0,2, 0,3 и 0,5, это означает, что после перехода к устано­вившемуся режиму система S в среднем две десятых времени будет находиться в состоянии S 1 три десятых – в состоянии S 2 и полови­ну времени – в состоянии S 3 . Возникает вопрос: как вычислить пре­дельные вероятности состояний р 1 , р 2 , … р n ?

Оказывается, для этого в системе уравнений Колмогорова, описывающих вероятности состояний, нужно положить все левые час­ти (производные) равными нулю.

Действительно, в предельном (установившемся) режиме все вероят­ности состояний постоянны, значит, их производные равны нулю.

Если все левые части уравнений Колмогорова для вероятностей состояний положить разными нулю, то система дифференциальных уравнений превратится в систему линейных алгеб­раических уравнений. Совместно с условием

(так называемым «нормировочным условием») эти уравнения дают возможность вычислить все предельные вероятности

р 1 , р 2 , … р n

Пример 1 . Физическая система S имеет возможные состояния: S l , S 2 , S 3 , S 4 , размеченный граф которых дан на рис. 26 (у каждой стрелки поставлено численное значение соответствующей интенсивности). Вычислить предельные ве­роятности состояний: р 1 , р 2 , р 3 , р 4 .

Решение . Пишем уравнения Колмогорова для вероятностей состояний:

(6.3)

Полагая левые части равными нулю, получим систему алгебраических уравнений для предельных вероятностей состояний:

(6.4)

Уравнения (6.4) – так называемые однородные уравнения (без свободного члена). Как известно из алгебры, эти уравнения определяют величины р 1 , р 2 , р 3 , р 4 только с точностью до постоянного множителя. К счастью, у нас есть нор­мировочное условие:

p 1 + p 2 + p 3 + p 4 = 1, (6.5)

которое, совместно с уравнениями (64), дает возможность найти все неизвест­ные вероятности.

Действительно, выразим из (6.4) все неизвестные вероятности через одну из них, например, через p 1 . Из первого уравнения:

p 3 = 5p 1

Подставляя во второе уравнение, получим:

р 2 = 2 p 1 + 2р 3 = 12 p 1 .

Четвертое уравнение дает:

p 4 = 1/2p 2 = 6 p 1 .

Подставляя все эти выражения вместо р 2 , р 3 , р 4 в нормировочное условие (6.5), получим

p 1 + 12p 1 + 5 p 1 + 6 p 1 = 1.

24 p 1 = 1, p 1 = 1/24, p 2 =12p 1 = 1/2.

p 3 = 5p 1 = 5/24. p 4 = 6 p 1 = 1/4.

Таким образом, предельные вероятности состояний получены, они равны;

p 1 = 1/24, p 2 = 1/2, p 3 = 5/24, p 4 = 1/4 (6.6)

Это значит, что в предельном, установившемся режиме система S будет проводить в состоянии S 1 в среднем одну двадцать четвертую часть времени, в состоянии S 2 – половину времени, в состоянии S 3 – пять двадцать четвертых и в состоянии S 4 – одну четверть времени.

Заметим, что решая эту задачу, мы совсем не пользовались одним из уравнений (6.4) – третьим. Нетрудно убедиться, что оно является следствием трех остальных: складывая все четыре уравнения, мы получим тождественный нуль. С равным успехом, решая систему, мы могли бы отбросить любое из четырех уравнений (6.4).

Примененный нами способ составления алгебраических уравнений для предельных вероятностей состояний сводился к следующему: сперва написать дифференциальные уравнения, а затем положить в них левые части равными ну­лю Однако можно записать алгебраические уравнения для предельных вероят­ностей и непосредственно, не проходя через этап дифференциальных. Проиллюстрируем это на примере.

Пример 2 . Граф состоянии системы показан на рис. 27. Написать ал­гебраические уравнения для предельных вероятностей состояний.

Решение . Не записывая дифференциальных уравнений, прямо пишем соот­ветствующие правые части и приравниваем их нулю; чтобы не иметь дела с от­рицательными членами, сразу переносим их в другую часть, меняя знак:

(6.7)

Чтобы в дальнейшем сразу же писать такие уравнения, полезно запом­нить следующее мнемоническое правило: «что втекает, то и вытекает», то есть для каждого состояния сумма членов, соответствующих входящим стрелкам, рав­на сумме членов, соответствующих выходящим; каждый член равен интенсивнос­ти потока событий, переводящего систему по данной стрелке, умноженной на вероятность того состояния, из которого выходит стрелка.

В дальнейшем мы во всех случаях будем пользоваться именно этим кратчай­шим способом записи уравнений для предельных вероятностей.

Пример 3 . Написать алгебраические уравнения для предельных вероят­ностей состояний системы S , граф состояний которой дан на рис. 28. Решить эти уравнения.

Решение. Пишем алгебраические уравнения для предельных вероятно­стей состояний;

Нормировочное условие;

p 1 + p 2 + p 3 = 1 . (6.9)

Выразим с помощью первых двух уравнений (6.8) р 2 и р 3 через р 1:

Подставим их в нормировочное условие (6.9):

,

откуда .

; .