更新函數與基本更新定理(renewal function and the elementary renewal theorem)
一旦你有了一個更新過程,最基本要問的量是:到時刻 t 為止平均發生了多少次更新?那個期望計數 m(t) = E[N(t)] 就是更新函數。它是更新過程對「對卜瓦松過程而言只是 lambda*t」這個問題的回答。對一般更新過程,m(t) 在短時間內通常「不」是一條直線——它會彎曲,因為間隔分配的形狀使早期更新或多或少可能——但它的長期斜率才是最重要的結果。
基本更新定理說:當 t 變大時,m(t) / t 趨向 1 / E[T],即平均到達間隔時間的倒數。白話說,更新的長期平均速率是一除以平均間隔——正是直覺所要求的,但現在它是一個定理,對任何具有有限平均的到達間隔分配都成立。所以若零件平均維持 4 年,你以每年 1/4 的長期速率更換它們,而到第 t 年為止的期望更換次數,當 t 大時約為 t/4。(一個更精細的伴隨結果,即真正的更新定理,甚至釘出了常數修正項,但基本版本捕捉了本質的速率。)
這正是使更新理論可用於規劃的原因:編列備用零件預算、配置維護人力、或估計壽命成本,全都繫於長期速率 1/E[T],而它「只」依賴平均間隔,而非其完整形狀。兩個誠實的提醒。第一,這個極限是漸近的——早期,在過程穩定之前,m(t)/t 可能與 1/E[T] 有明顯差異。第二,基本定理需要 E[T] 為有限;若間隔分配的尾巴重到其平均為無限,長期速率會崩塌為零,而通常的規劃直覺便失效。
一輛送貨卡車平均每 E[T] = 50,000 公里需要一條新輪胎(不論確切的壽命分配為何)。依基本更新定理,在長期下它以每公里約 1/50,000 的速率消耗輪胎,所以在 600,000 公里內你期望大約 600,000/50,000 = 12 次輪胎更換。
m(t) = E[N(t)] 早期會彎曲,但其長期斜率是 1/E[T],即平均間隔的倒數。
長期速率 1/E[T] 只依賴「平均」間隔,而非其完整形狀——且此定理需要 E[T] 有限。平均為無限的間隔分配會使長期速率為零。