停留(駐留)時間(holding/sojourn time)
停留時間(或駐留時間)是連續時間馬可夫鏈在下一次跳躍前停留於某狀態的隨機時間長度。它是 CTMC 的基本計時元素:路徑停在狀態 i 一段停留時間、跳躍、停在下一狀態又一段停留時間,如此往復。理解這些時間為何服從指數分配——以及其速率代表什麼——是建構與推理每個 CTMC 的關鍵。
馬可夫性迫使停留時間無記憶:給定鏈在 i 且已停留時間 s,它再停 t 的機率不能依賴 s,因為對現在狀態取條件會抹除過去。在半線上唯一具此無記憶性質的分配是指數分配。因此狀態 i 的停留時間服從速率 q_i >= 0 的指數分配;等價地其期望為 1/q_i。q_i = 0 的狀態是吸收態(鏈永不離開)。最透明的建構方式是競爭指數鐘:對每個可能目標 j 配一個速率 q_ij 的獨立指數鐘;停留時間是這些鐘的最小值,服從速率 q_i = sum_{j != i} q_ij 的指數分配,而目的地是最先響的那個鐘,機率為 q_ij/q_i——關鍵在於最小值與取最小者(argmin)相互獨立,這正是下一狀態與停留時間獨立的原因。
停留時間使 CTMC 的動態變得乾淨:過程完全且僅由速率 q_ij 決定。常見的混淆是認為停留時間依賴鏈接下來會去哪;並非如此——在 i 停留的時間不論目的地皆為指數(q_i),這是獨立指數變數的最小值與 argmin 互相獨立的結果。第二個微妙處:若有許多目的地開放且總速率 q_i 很大,平均停留時間 1/q_i 就很小。若 q_i 沿某狀態路徑無界增長,停留時間之和可能為有限值,鏈即發生爆炸。
在到達率 lambda、服務率 mu 的 M/M/1 佇列中,當有 n >= 1 位顧客時,下一事件是到達(速率 lambda)或離開(速率 mu)。狀態 n 的停留時間服從速率 lambda + mu 的指數分配,下一狀態以機率 lambda/(lambda+mu) 為 n+1,以機率 mu/(lambda+mu) 為 n-1。
兩個競爭的指數鐘:其最小值是停留時間,勝者是下一狀態,兩者相互獨立。
無記憶性把停留時間釘成指數分配,但僅限其邊際分配:速率 q_i 固定,而下一狀態的選擇則由跳躍鏈另行決定。停留時間與目的地的獨立性(指數變數的最小值對 argmin)是人們最常記錯的事實。