KOI
WIN
LATEX
PS
PDF
Стохастические транспортные сети и
устойчивость динамических систем
В.И. Оселедец, Д.В. Хмелёв
11 ноября 1998
Аннотация
Рассмотрена сеть содержащая N узлов и rN приборов,
первоначально находящихся в узлах. В каждый узел поступает
пуассоновский поток заявок интенсивностиl(t). Заявка, попавшая в
пустой узел, покидает систему. Если в узле есть приборы, то из
них равновероятно выбирается прибор, который забирает
заявку и перемещает ее в случайный узел, который выбирается
равновероятно. Время перемещения распределено экспоненциально со
средним значением 1. Число обслуживающих приборов в каждом из N
узлов не превосходит m.
Мы исследуем устойчивость предельного детерминированного процесса,
получаемого при N®Ґ. Далее, мы применяем наши результаты к
системе массового обслуживания со сложной дисциплиной выбора прибора.
Ключевые слова:
Марковские процессы, нелинейные динамические системы,
глобальная асимптотическая устойчивость, производящий оператор,
сходимость, метод среднего поля, теория массового обслуживания.
Содержание
1 Введение
2 Основные определения и результаты
3 Вспомогательные утверждения
3.1 Коэффициент эргодичности и его свойства.
3.2 Глобальная асимптотическая устойчивость некоторых динамических систем.
4 Доказательства теорем 2.1-2.4
5 Замечание о модели из [4]
1 Введение
Рассмотрим сеть из N узлов, 1 виртуального узла и rN обслуживающих
приборов. В каждый узел пуассоновским потоком с интенсивностью
l(t) поступают заявки. Пуассоновские потоки заявок в разные узлы
независимы. Заявка, попавшая в пустой узел, покидает
систему. Если заявка попадает в узел с приборами, то
случайно и равновероятно выбирается один из приборов,
который забирает заявку и переходит в
виртуальный узел. Там прибор находится экспоненциально
распределенное
время со средним значением 1, затем прибор перемещается в узел,
равновероятно выбираемый из всех N узлов. Если число приборов в
выбранном узле равно m, прибор ждет следующей попытки в виртуальном
узле экспоненциально распределенное время со средним 1. Таким образом,
в каждом узле (кроме виртуального) может находиться от
0 до m приборов.
Введем дроби fk = nk/N, V = W/N, где nk - (случайное) число
узлов, количество приборов в которых равно k, а W - количество
приборов, находящихся в виртуальном узле. В технических целях удобно
перейти к накопленным вероятностям uk =еi = km fi.
Пространство XN состояний марковского процесса
UN(t), который описывает систему,
содержит всех такие вектора u = (u1,ј,
um, V)т из (1/N)Z+m+1, что
1 = u0і u1 іјі um і 0, Vі 0и V+u1+ј+um = r. |
| (1) |
Производящий оператор AN(t) процесса UN(t) действует на
функции и задается следующим образом
|
|
= Nl(t) |
m-1 е
k = 1
|
(uk-uk+1)[f(u-ek/N+em+1/N)-f(u)]+ |
|
|
+Nl(t)um[f(u-em/N+em+1/N)-f(u)]+ |
|
|
+N V |
m е
k = 1
|
(uk-1-uk)[f(u+ek/N-em+1/N)-f(u)], |
|
|
|
|
| (2) |
где ei - вектор, i-тая координата которого равна 1, а остальные
координаты равны 0.
Метод среднего поля подсказывает, что в пределе при N®Ґ
эволюция u становится детерминированной. Более точно: пусть X
означает множество всех векторовRm+1,
удовлетворяющих (1). Тогда, если распределение начального
состояния UN(0) сходится к дираковской дельта-функции,
сконцентрированной в точке gО X, то распределение UN(t)
сосредотачивается при больших N на траектории u(t)О X,
удовлетворяющей системе дифференциальных уравнений
где
|
|
=l(ui+1-ui)+V(ui-1-ui), i = 1,ј, m-1, u0 = 1, |
|
| |
| |
|
|
| (4) |
Техническим инструментом в исследовании поведения этой нелинейной
системы служит теорема 3.3
о глобальной асимптотической устойчивости систем дифференциальных
уравнений весьма общего вида.
Эта теорема, которая, в частности, дает
возможность исследовать случай зависимых от времени коэффициентов,
представляет несомненный практический и теоретический интерес.
2 Основные определения и результаты
Норма||·|| определяется как||u|| =|u1|+ј+|um|+|V|.
Мы предполагаем, что
|
min
tіt
|
l(t) = |
l
|
> 0 и |
sup
tіt
|
l(t) <Ґ. |
| (5) |
Теорема 1
Пустьl(t) - кусочно-непрерывная функция. Тогда
(а) для всех gО X в X существует единственное решение u(t,
t, g), tіt задачи Коши (3) с u(t,
t, g) = g;
(б) существует такоеg > 0, что для любых g, gўО X
||u(t,t,g)-u(t,t,gў)||Ј const·exp(-g(t-t)); |
|
(в) если функцияl(t) периодическая с периодом T, то существует
такое единственное g*О X, что
u(t,t, g*) является T-периодическим
решением (3) и для любого gО X
||u(t,t,g)-u(t,t,g*)||Ј const·exp(-g(t-t)); |
|
(г) еслиl(t) постоянна, то существует и единственно
такое g*О X, что u(t,t, g*) = g* и
для любого gО X
||u(t,t,g)-g*||Ј const·exp(-g(t-t)). |
|
Стационарное решение g* пункта (г) легко находится
(см. [1]). Определим семейство операторов TN = TN(t,t)
по правилу
TN(t,t)f(g) =E(f(UN(t)) | UN(t) = g),gО XN. |
| (6) |
Теорема 2
Еслиl(t) кусочно-постоянна,
то для всех fО C(X), равномерно по t
на произвольном отрезке изRt+ = {t іt},
|
lim
N®Ґ
|
|
sup
tЈ sЈ t
|
|
sup
gО XN
|
|TN(s,t)f(g)-f(u(s,t,g))| = 0. |
| (7) |
Обозначим черезeg дельта-меру Дирака,
сосредоточенную в точке gО X.
Теорема 3
Пусть выполнены условия теоремы 2.2.
Если UN(t) по распределению сходится кeg,
то
"tіt |
sup
tЈ sЈ t
|
||UN(s)-u(s,t,g)||® 0 по вероятности. |
|
Еслиl(t) периодична с периодом T, то
процессы UN,t(n) = UN(t+nT), где n = 0, 1, ... , образуют
множество однородных цепей Маркова с дискретным временем и конечным
числом состояний, каждая из которых в силу связности обладает
единственной инвариантной меройmN,t =mN,t+T. Пункт (в)
теоремы 2.1 утверждает, что у системы (3)
существует единственный инвариантный цикл u(t, 0, g*).
Теорема 4
Пустьl(t) =l(t+T). Тогда
(а) для tО [0,T)
на множестве X существует единственная вероятностная
мера, инвариантная относительно динамической системы g®u(t+T,t,g), gО X. Эта мера
сосредоточена в точке u(t, 0, g*), т.е. равна
eu(t, 0, g*);
(б) инвариантные мерыmN,t процессов UN,t сходятся
по вероятности кeu(t, 0, g*),
Последняя теорема охватывает также случай
l(t)є const. Действительно, тогдаmN,t =mN,
гдеmN - стационарная мера процесса UN и
mN®eg* по вероятности.
3 Вспомогательные утверждения
3.1 Коэффициент эргодичности и его свойства.
Введем линейное подпространство L = {xОRn: x1+ј+xn = 0}.
Линейное отображение A:Rn®Rn назовеммарковским, если
ARn+НRn+, (1,ј, 1)A = (1,ј, 1).
Заметим, что отображение A - марковское, если его
транспонированная матрица является стохастической. Пусть
A = aB - отображение, пропорциональное марковскому
отображению B с коэффициентом пропорциональности a > 0.
Для такого отображения A определим
коэффициент эргодичности k(A) по правилу
k(A) =||A||-||A||L. Здесь
||A|| = |
sup
xОRn,||x|| = 1
|
||Ax|| = |
max
i
|
||Aei||, |
|
||A||L = |
sup
xО L,||x|| = 1
|
||Ax|| = |
max
i,j
|
||A(ei-ej)||/2, |
| (8) |
где||x|| =|x1|+ј+|xn|, а {ek} - стандартный базис
вRn.
Отметим, что||B|| = 1, k(B) = 1-||B||L и k(A) = ak(B).
Для стохастических матриц Bт коэффициент эргодичности ввел
Р.Л. Добрушин и его определение совпадает с нашим (см. [2] и [3]).
Наше определение обладает важным свойством монотонности,
доказанным в лемме 3.2.
Линейное отображение Aнеотрицательно
(положительно), если ARn+НRn+
(ARn+М Int(Rn+)). Если A-B неотрицательно, мы пишем
Aі B, (если A-B положительно, A > B). Из определений следует, что
матрицы просто сравниваются покомпонентно.
В дальнейшем нам потребуются следующие две леммы
относительно неотрицательных матриц.
Лемма 1
Пусть Aі Bі 0 и
Cі Dі 0. Тогда ACі BDі 0.
Для доказательства достаточно сложить неравенства (A-B)Cі 0 и
B(C-D)і 0. По индукции из этой леммы получаем, что если A1і Bі 0,ј, Anі Bі 0, то AnјA1і Bn.
Лемма 2
Пусть A = aC и B = bD, где C и D - марковские отображения
и a, b > 0.
Если A > Bі 0, то k(A) > k(B). Если Aі Bі 0, то
k(A)і k(B)
Доказательство. Пусть||A|| = a,||B|| = b. Ввиду неравенства
треугольника||A||LЈ||A-B||L+||B||L. Если A-B > 0, то,
ввиду (8),||A-B||L <||A-B||. Поскольку
||(A-B)ei|| = a-b, то||A-B|| =||A||-||B||.
Следовательно,||A||L <||A||-||B||+||B||L или
||B||-||B||L <||A||-||A||L, что и требовалось. Случай
Aі B рассматривается аналогично.
q.e.d.
3.2 Глобальная асимптотическая устойчивость
некоторых динамических систем.
Рассмотрим систему дифференциальных уравнений
|
. x
|
= f(x,z(t)), xОRn,z(t)ОW, |
| (9) |
гдеW - компакт в евклидовом пространстве, f(x,z)
дифференцируемо по x
и матрица Якоби
J(x,z) =¶f/¶x = (¶fi /¶xj) |
|
непрерывны по своим аргументам.
Эти условия обеспечивают существование и единственность
решения x(t, t0, g) системы (9)
с x(t0, t0, g) = g.
Положим по определению
a(z) =- |
min
i
|
|
min
xО X
|
Jii(x,z), X МRn. |
| (10) |
Пусть
еi = 1n xi - первый интеграл
системы (9), т.е.еi = 1n fi(x,z) = 0.
Отсюда следует, что J(x, z)L М L. Мы наложим более сильное
ограничение: для всех tі 0, xО X и zОW матрица
exp(tJ) задает марковское отображение, что эквивалентно условию
неотрицательности недиагональных элементов и равенству нулю суммы
всех строк матрицы J.
Пусть X - компактное выпуклое подмножество аффинного многообразия
L+c, cОRn, и, кроме того, X инвариантно относительно
динамической системы (9). Теперь предположим, что
существует такая матрица B і 0, что
(а) для всех zОW, x О X
J(x,z) + (z+a(z))I і B,
где I является единичной матрицей,zі 0;
(б) B - пропорциональна марковской матрице и
для некоторого n0 ОN коэффициент эргодичности k( (I +B)n0 ) > 0.
Теорема 3
Для любого t0ОR иt > 0 отображение
x(t0+t, t0, ·):
X® X является сжимающим. Если, сверх того,
при фиксированномt и фиксированной функции z(t)
|
sup
t0ОR
|
exp |
ж з
и
|
|
у х
|
t0+t
t0
|
a(z(t))dt |
ц ч
ш
|
= C(t) <Ґ, |
|
то коэффициент сжатия отображения x(t0+t,
t0, ·) равномерно по t0 ограничен сверху числом q < 1.
Доказательство.
ПустьF(t0+t, t0, g) =¶x(t0+t, t0, g)/¶g
матрица Якоби отображения x(t0 +t, t0, ·): X® X.
ТогдаF задает марковское отображение. Из теории дифференциальных
уравнений известно, что
Fўt = J(x(t0+t, t0, g), z(t))F(t0+t,
t0, g),F(t0, t0, g) = I (это - т.н. уравнение в
вариациях). Введем
Y(t) =Fexp |
ж з
и
|
zt+ |
у х
|
t0+t
t0
|
a(z(t))dt |
ц ч
ш
|
|
|
и
A(t) = J |
ж и
|
x(t0+t,t0,g),z(t) |
ц ш
|
+(z+a(z(t0+t)))I. |
|
Из неравенства A(t) і B и уравненияYў(t) = A(t)Y(t),Y(0) = I,
с помощью леммы 3.1
можно получить следующие оценки:
Y(t) і exp(tB) і |
tn0exp(-t) (n0)!
|
(I+B)n0. |
|
Принимая во внимание лемму 3.2, получаем
k(Y(t)) і |
tn0exp(-t) (n0)!
|
k((I+B)n0) > 0. |
|
Поскольку
k(F) = k(Y)exp |
ж з
и
|
-zt- |
у х
|
t0+t
t0
|
a(z(t))dt |
ц ч
ш
|
, |
|
обнаруживаем, что k(F) > 0, или||F||-||F||L > 0.
Поскольку||F|| = 1, находим, что supg О X||F||L < 1. При условии C(t) < Ґ легко получить
равномерную оценку по t0.
Наконец, положим
g(s) = (1-s)g1+sg2, 0Ј s Ј 1, g1, g2О X. |
|
Замечая, чтоgў(s) = g2- g1О L, получаем
||x(t0+t,t0,g2)-x(t0+t,t0,g1)||Ј |
у х
|
1
0
|
||F |
ж и
|
t0+t,t0,g(s) |
ц ш
|
gў(s)||dsЈ |
|
Ј |
sup
g О X
|
||F||L |
у х
|
1
0
|
||gў(s)||ds = |
sup
g О X
|
||F||L||g2- g1||. |
|
Последнее доказывает теорему.
q.e.d.
4 Доказательства теорем 2.1-2.4
Доказательство. [Доказательство теоремы 2.1.]
Матрица Якоби J правой части (3) равна
J(u,l) = |
ж з з з з з
з з з з з и
|
|
ц ч ч ч ч ч
ч ч ч ч ч ш
|
, |
|
гдеb = l+V.
Проверим выполнение условий теоремы 3.3. Во-первых,
множество X является выпуклым компактным подмножествомRm+1 и
является подмножеством аффинного многообразия L+r em+1, где L -
линейное подпространствоRm+1 векторов с суммой координат равной
0.
Во-вторых, матрица Якоби задает марковское отображениеF и
a(l) =- |
min
i
|
|
min
x О X
|
Jii(x,l) = |
max
| (l+r, 1+r/m). |
|
Далее, J(x,l(t))+([`(l)]+a(l(t)))Iі B,
где
B = |
ж з з з з з з з з з з
з з з з з з з з з и
|
|
ц ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч
ч ч ч ч ч ч ч ч ч ш
|
, |
|
[`(l)] определена в (5).
Матрица (I+B)m имеет следующий вид:
(I+B)m = |
ж з з з з з
з з з з з и
|
|
ц ч ч ч ч ч
ч ч ч ч ч ш
|
, |
|
где * обозначены положительные элементы матрицы.
Отсюда вытекает, что k((I+B)m) > 0.
Остается проверить инвариантность X относительно (3).
Достаточно проверить инвариантность IntX. Если последнее
утверждение выполнено, ввиду непрерывной зависимости
траекторий (9) от начального условия, всякое
решение (9) с начальной точкой на относительной границе
X, никогда не покинет X.
Пусть компоненты вектора u(t,t, g) = (u1(t),ј,
um(t), V(t))О IntX. Выполнены следующие строгие
неравенства
1 = u0 > u1 > u2 >ј > um > 0, V > 0. |
| (11) |
Пусть для любого tО [t,t0) u(t,t, g)О IntX, но
u(t0,t, g)П IntX. В момент t0 некоторые
неравенства в (11) превращаются в равенства.
Если V(t0) = 0 то
[dV/dt]|t = t0-0 =l(t0-0) u1(t0)і [`(l)]r/m > 0
и мы приходим к противоречию с тем, что V(t0)-V(t) < 0 для t < t0.
Следовательно, заведомо V(t0) > 0. Для уменьшения числа частных
случаев введем виртуальную переменную um+1є 0. С ее помощью
мы можем переписать выражение для fm
в (4):
fm(u,l) =l(um+1-um)+V(um-1-um). |
|
Поскольку 1 = u0 > um+1 = 0 возможны только следующие два случая.
1) Существует такое i, что
ui-1(t0) = ui(t0) > ui+1(t0), 2) существует такое j,
что uj-1(t0) > uj(t0) = uj+1(t0).
В случае 1)
[(dui-1)/dt]|t = t0-0 = V(t0)(ui-2(t0)-ui-1(t0))і 0,
[(dui)/dt]|t = t0-0 =l(t0-0)(ui+1(t0)-ui(t0)) < 0. Получаем
[(d(ui-1-ui))/dt]|t = t0-0 > 0 и приходим к
противоречию с тем, что
[ui-1(t0)-ui(t0)]-[ui-1(t)-ui(t)] < 0 при t < t0.
Случай 2) рассматривается аналогично. Аналогичная идея
использовалась в [4].
Применение теоремы 3.3 дает все заключения
теоремы 2.1 и завершает доказательство.
q.e.d.
Доказательство. [Доказательство теоремы 2.2.]
Без потери общности предположимl(t)єl для
любого t, следовательно, TN(t,t) = TN(t-t). Теперь
воспользуемся методом, изложенным в [2].
Пусть C(X) - банахово
пространство непрерывных функций на X c равномерной метрикой
||f|| = maxxО X|f(x)|. Определим полугруппу T(t)
на C(X) по правилу
T(t)f(g) = f(u(t, 0, g)). |
| (12) |
В разделе 2 мы определили полугруппу TN(t) = TN(t,0) на C(XN).
Полугруппы T(t), TN(t) сильно непрерывны. Пусть A (AN)
обозначает производящий оператор полугруппы T(t) (TN(t)). Обозначим
через D(A) область определения оператора A. Из
(12) следует, что fО D(A) для любой функции fО C(X) с
¶f/¶u1,ј,¶f/¶um,¶f/¶V, ¶2 f/¶2 u1,ј,¶2 f/¶2 um,¶2 f/¶2 V О C(X). |
|
Обозначим через D множество всех таких функций. Можно показать, что
D является существенным (core, см. [4] и [5])
подпространством оператора A.
Ввиду теорем о сходимости марковских процессов (см., например,
[5]) достаточно проверить, что
для всех f О D
|
lim
N®Ґ
|
|
sup
x О XN
|
|AN f(x)-A f(x)| = 0, |
|
что можно проделать аналогично [4].
q.e.d.
Доказательство. [Доказательство теоремы 2.3]
Теорема является следствием теоремы 2.2 и, например,
[5]. q.e.d.
Доказательство. [Доказательство теоремы 2.4.]
Пункт (а) вытекает из пункта (в) теоремы 2.1.
Перейдем к доказательству пункта (б). ПустьmN,t -
инвариантная мера процесса UN,t(n). Множество X компактно,
следовательно, множество вероятностных мер на X также компактно
относительно слабой сходимости. Из теоремы 2.2 следует, что
всякая мераmt, являющаяся предельной точкой для
последовательности мерmN,t, инвариантна относительно полугруппы
T(t+nT), n = 0, 1, ... . Ввиду пункта (а),mt совпадает с
мерой, сосредоточенной в точке u(t, 0, g*) и доказательство
завершено.
q.e.d.
5 Замечание о модели из [4]
В [4] рассмотрена модель системы обслуживания SN, с N
одинаковыми обслуживающими приборами с неограниченной очередью к
каждому из них, наполняемая пуассоновским входным потоком с
интенсивностью Nl. Времена обслуживания н.о.р. экспоненциально
со средним 1. При прибытии каждая заявка выбирает случайно 2,
возможно, совпадающих, прибора (с вероятностью 1/N2) и затем
направляется к прибору с меньшей очередью (включая заявку, находящуюся
в обслуживании). Если очереди к обоим приборам одинаковы,
заявка наугад равновероятно выбирает одну из них. Мы рассмотрим систему
SNm с ограничением m на максимальную длину очереди.
В системе SNm заявка, выбравшая обе очереди с m
заявками, покидает систему.
Уравнения среднего поля для SNm при N®Ґ имеют следующий вид
|
|
. u
|
k
|
= (uk+1-uk) +l(uk-12- uk2), k = 1,ј,m-1 , |
|
|
. u
|
m
|
=-um +l(um-12- um2), |
|
|
|
| (13) |
где 1 = u0і u1 іјі um і 0 , uk - доля
приборов, в очереди к которым стоит не меньше k заявок (включая
обслуживаемую в данный момент).
Введем переменную V:
|
. V
|
= u1 +lum2-l,V і 0, V(0) = m- |
m е
i = 1
|
ui(0). |
| (14) |
Пусть x ОRm+1 обозначает вектор
(x1,ј,xm+1) = (u1,ј,um,V). |
|
Запишем систему (13), (14) следующим
образом
Множество X (см. раздел 3.2) определяется так:
X = {x ОRm+1| 1і x1іјі xm і 0, xm+1+ |
m е
i = 1
|
xi = m, xm+1 і 0 }. |
|
Ввиду [4], множество X инвариантно
относительно (15).
Найдем матрицу Якоби
J(x,l) = |
ж з з з з з
з з з з з и
|
|
ц ч ч ч ч ч
ч ч ч ч ч ш
|
, |
|
гдеbi = 1+2lui. Ввиду (10)
a(l) = 1+2l.
Ясно, что J(x,l)+a(l) Iі B где
B = |
ж з з з з з
з з з з з и
|
|
ц ч ч ч ч ч
ч ч ч ч ч ш
|
, |
|
Матрица (I + B)m имеет следующий вид
(I+B)m = |
ж з з з з з
з з з з з и
|
|
ц ч ч ч ч ч
ч ч ч ч ч ш
|
, |
|
где * обозначает положительные элементы матрицы.
Отсюда вытекает, что k((I + B)m) > 0 и, следовательно, справедлива
Теорема 1
Для любогоl > 0, динамическая система (5.1),
(5.2) имеет единственное экспоненциально глобально устойчивое
стационарное решение.
Рассмотрим систему
где f(x,l) определена в (15), а
T-периодичная функцияl(t) кусочно-непрерывна с
infl(t) > 0.
Следующая теорема непосредственно вытекает из
теоремы 3.3.
Теорема 2
Динамическая система (16) имеет единственную
экспоненциально притягивающую T-периодичную траекторию.
Благодарности
Авторы признательны профессору Л.Г. Афанасьевой за поддержку и
стимулирующие обсуждения.
Работа первого автора поддержана грантами РФФИ N960100377 и
N99-01-01104.
Работа второго автора частично поддержана грантом s98-2042 фонда
ISSEP.
Список литературы
- [1]
- Afanassieva L.G., Fayolle G.,
Popov S.Yu. Models for transportation networks. -
Journal of Mathematical Science, 1997
v.84, N3, p. 1092-1103.
- [2]
- Добрушин Р.Л. Центральная предельная
теорема для неоднородных цепей Маркова. I//Теория вероятностей и
её приложения, Т.1, N01, с.72-89.
- [3]
- Добрушин Р.Л. Центральная предельная
теорема для неоднородных цепей Маркова. II//Теория вероятностей и
её приложения, Т.1, N04, с.365-425.
- [4]
- Введенская Н.Д., Добрушин Р.Л., Карпелевич Ф.И.
Система обслуживания с выбором наименьшей из двух очередей -
асимптотический подход. - Проблемы передачи информации, 1996,
т. 32, N1, с. 20-34.
- [5]
- Either S.N., Kurtz T.G. Markov Processes
characterization and convergence. N.Y.: John Willey and Sons, 1986,
529 p.
- [6]
- Vvedenskaya N.D. and Suhov Yu.M.
Dobrushin's Mean-Field Approximation for a Queue with Dynamic Routing.
- Markov Processes and related fields, 1997, N3, p. 493-526.
Перевод заглавия на английский язык:
Stochastic transportation networks
and stability of dynamical systems
Содержание
1 Введение
2 Основные определения и результаты
3 Вспомогательные утверждения
3.1 Коэффициент эргодичности и его свойства.
3.2 Глобальная асимптотическая устойчивость некоторых динамических систем.
4 Доказательства теорем 2.1-2.4
5 Замечание о модели из [4]
Last modified Wed Jul 3 00:20:05 BST 2002