100% tevredenheidsgarantie Direct beschikbaar na betaling Zowel online als in PDF Je zit nergens aan vast
logo-home
Summary - Stochastic Modeling period 1 (X_400646) €10,48   In winkelwagen

Samenvatting

Summary - Stochastic Modeling period 1 (X_400646)

 20 keer bekeken  1 keer verkocht

This summary includes all material of the first period that is needed for the midterm. The summary includes detailed examples on all topics.

Laatste update van het document: 11 maanden geleden

Voorbeeld 4 van de 20  pagina's

  • 18 oktober 2023
  • 18 oktober 2023
  • 20
  • 2023/2024
  • Samenvatting
Alle documenten voor dit vak (4)
avatar-seller
havikjavanas
Stochastic Modeling X 400646 period 1

Havikja van As

October 18, 2023


Contents
1 Introduction DTMC 2

2 Transient distribution, Hitting time and probabilities 4

3 Communicating classes 7

4 Long-term behaviour 9
4.1 Existence of . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5 Costs 13

6 Exponential distribution 15
6.1 Memorylessness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.2 Total probability law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.3 Competing exponentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

7 The Poisson Process 17
7.1 Definition 1 via Exponential inter-arrivals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
7.2 Definition 2 via Poisson increments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
7.3 The Poisson Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
7.3.1 Merging and splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
7.4 Merging and splitting for Poisson Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19




1

,1 Introduction DTMC
A Discreet Time Markov Chain (DTMC) on a countable state space S that is time-homogeneous.
• is a sequence of random variables {Xn , n = 0, 1, 2, . . . } with values in S,
– n is referred to as time
– Xn is referred to as the state at time n, Xn ∈ S
• which has the Markov property: for all n = 0, 1, 2, . . . , for all i, j, i1 , . . . , in−1 ∈ S,
P (Xn+1 = j|X0 = i0 , X1 = i1 , . . . , Xn−1 in−1 ,Xn = i) = P (Xn+1 = j|Xn = i)
i.e. the history does not influence the future (only the present can influence the future).
• and lastly whose one-step transition probabilities are the same at all times n, P (Xn+1 = j|Xn =
i) =: pij
– P := (pij , i, j ∈ S) is the transition matrix
– a transition diagram depicts the pij ’s on S

Example - machine reliability

Formulate a DTMC of the following situation. A machine can be up(1) or down(0),
• if up today then up tomorrow with a probability of 0.98
• if down today then up tomorrow with a probability of 0.97

Xn := state of the machine on day n
S = {0, 1}

P (X1 = 1|X0 = 1) = P (Up tomorrow given up today) = 0.98
P (X1 = 0|X0 = 1) = P (Down tomorrow given up today) = 1 − 0.98 = 0.02
P (X1 = 1|X0 = 0) = P (Up tomorrow given down today) = 0.97
P (X1 = 0|X0 = 0) = P (Down tomorrow given down today) = 1 − 0.97 = 0.03

The transition diagram:
0.97

0.03 0 1 0.98

0.02
The transition matrix

0.03 0.02
 
P =
0.97 0.98


The Markov property holds since it is implicitly given, that only the present influences the
transition probabilities.

Time-homogeneity holds since the value of n does not influence the transition probabilities.




2

,Example - Harry’s diner

Harry has dinner at either restaurant A or B. His choice depends on the previous two evenings:
• After . . . AA in A wp 0.2
• After . . . BA in A wp 0.4
• After . . . AB in B wp 0.5
• After . . . BB in B wp 0.3

Xn := The restaurant at evening n,
S = {A, B}

Time-homogeneity holds since the value of n does not influence the transition probabilities.

However, the Markov property does not hold because the history influences the future. We
solve this by formulating a new variable:

Yn := {Xn−1 , Xn } and S = {AA, AB, BA, BB}

Now the Markov property does apply since: P (Yn+1 = j|Y0 , Y1 , . . . , Yn ) = P (Yn+1 = j|Yn )

0.2 AA BB 0.3




0.5
0.8 0.7
0.4

0.6

AB BA

0.5




3

, 2 Transient distribution, Hitting time and probabilities
The probability to visit a sequence of states:
P (Xn = in , Xn−1 = in−1 , . . . , X1 = i1 ) = pin−2 in−1 pi1 i2 . . . pin−2 in−1 pin−1 in
Proof.



P (Xn = in , Xn−1 = in−1 , . . . , X1 = i1 ) =P (Xn = in |Xn−1 = in−1 , . . . , X2 = i2 , X1 = i1 , X0 = i0 )∗
P (Xn−1 = in−1 |Xn−2 = in−1 , . . . , X2 = i2 , X1 = i1 , X0 = i0 ) ∗ · · · ∗
P (X2 = i2 |X1 = i1 , X0 = i0 ) ∗ P (X1 = i1 |X0 = i0 )
= P (Xn = in |Xn−1 = in−1 ) ∗ P (Xn−1 = in−1 |Xn−2 = in−2 ) ∗ · · · ∗
P (X2 = i2 |X1 = i1 ) ∗ P (X1 = i1 |X0 = i0 )
= pin−2 in−1 pi1 i2 . . . pin−2 in−1 pin−1 in

n-step transition probabilities:
(n)
pij := P (Xn = j|X0 = i)
Time-homogeneity also applies for n-step transition probabilities, thus:
(n)
P (Xm+n = j|Xm = i) = pij , same for all m.
(n)
Theorem 2.1. The matrix (pij : i, j ∈ S) of n-step transition probabilities is equal to (P n )ij .
The transient distribution at time n is the distribution of Xn , with the following notation:
(n)
πj := P (Xn = j),
(n)
π (n) := rowvector(πj : j ∈ S)


The distribution of π (0) is called the initial distribution of the Markov chain.
Theorem 2.2. The transient distribution at time n is give by π (n) = π (0) P n

Example - machine reliability

• if the machine is up today, what is the probability that it will be up three days from now?
(3)
P (X3 = 1|X0 = 1) = p11 = 0.979798

• if today the machine is up with probability 0.3, what are the chances it will be up on day 3
from now and what is the probability it will be down on day 3 from now?

π (0) = (0.7; 0.3)

π (3) = (P (X3 = 0), P (X3 = 1))
= π (0) P 3
= (0.7 ∗ 0.020203 + 0.3 ∗ 0.020202; 0.7 ∗ 0.979797 + 0.3 ∗ 0.979798)
= (0.0202027; 0.9797973)




4

Voordelen van het kopen van samenvattingen bij Stuvia op een rij:

Verzekerd van kwaliteit door reviews

Verzekerd van kwaliteit door reviews

Stuvia-klanten hebben meer dan 700.000 samenvattingen beoordeeld. Zo weet je zeker dat je de beste documenten koopt!

Snel en makkelijk kopen

Snel en makkelijk kopen

Je betaalt supersnel en eenmalig met iDeal, creditcard of Stuvia-tegoed voor de samenvatting. Zonder lidmaatschap.

Focus op de essentie

Focus op de essentie

Samenvattingen worden geschreven voor en door anderen. Daarom zijn de samenvattingen altijd betrouwbaar en actueel. Zo kom je snel tot de kern!

Veelgestelde vragen

Wat krijg ik als ik dit document koop?

Je krijgt een PDF, die direct beschikbaar is na je aankoop. Het gekochte document is altijd, overal en oneindig toegankelijk via je profiel.

Tevredenheidsgarantie: hoe werkt dat?

Onze tevredenheidsgarantie zorgt ervoor dat je altijd een studiedocument vindt dat goed bij je past. Je vult een formulier in en onze klantenservice regelt de rest.

Van wie koop ik deze samenvatting?

Stuvia is een marktplaats, je koop dit document dus niet van ons, maar van verkoper havikjavanas. Stuvia faciliteert de betaling aan de verkoper.

Zit ik meteen vast aan een abonnement?

Nee, je koopt alleen deze samenvatting voor €10,48. Je zit daarna nergens aan vast.

Is Stuvia te vertrouwen?

4,6 sterren op Google & Trustpilot (+1000 reviews)

Afgelopen 30 dagen zijn er 76449 samenvattingen verkocht

Opgericht in 2010, al 14 jaar dé plek om samenvattingen te kopen

Start met verkopen
€10,48  1x  verkocht
  • (0)
  Kopen