Uploaded by Emine Durmaz

01 Stokastik Matematiksel Modeller1

advertisement
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - II
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
1/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Herhangi bir süreç birçok sebepten dolayı rastsal bir
karakteristik gösterebilir:
1. Gerçek bir fiziksel süreç olayların büyük ölçüde
gözlemlendiği gibi stokastiktir.
2. Süreç, bilgi eksikliğimizden dolayı süreç rastsallık
gösterebilir.
3. Süreç için kurulan model süreci yeteri derecede
temsil etmeyebilir.
4. Süreç insan davranışlarına bağlıdır.
Yani kesin bilgi sahibi olmadığımız bir yanı varsa bu
süreç rastsaldır.
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
2/35
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Stokastik matematiksel modeller:
Stokastik olayların matematiksel gösterimi olarak
tanımlanır. Stokastik modeller, olayı karakterize eden
rastsal değişkenlerin özelliğine bağlı olarak değişecektir.
Değişkenler kesikli veya sürekli olabilir.
3/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Stokastik Süreç:
Varsayalım ki x rastsal bir değişken olsun. Bu değişkenin
t=t1, t=t2 ve t=t3 zamanlarında ölçülen x1, x2, x3
değerlerine rastsal dizi veya stokastik süreç denir.
4/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Stokastik Süreç:
x’in burada t’ye bağlı olarak iki mümkün durumu vardır:
1. x yalnızca t’nin kesikli değerini alır. Bu durumda xt
kesikli zamanlı stokastik süreçtir.
2. Eğer rastsal değişken x, t zamanın bir fonksiyonu
olarak sürekli gözlenebilirse x(t) sürekli zamanlı
stokastik süreçtir.
5/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Stokastik Süreç:
x rassal değişkeninin kendisi de kesikli veya sürekli
olabilir. Buna göre x ve t’nin dört mümkün
kombinasyonu şöyle sıralanabilir: x durum, t zaman
olmak üzere;
1. Kesikli durumlu, kesikli zamanlı stokastik süreç.
2. Kesikli durumlu, sürekli zamanlı, stokastik süreç.
3. Sürekli durumlu, kesikli zamanlı stokastik süreç.
4. Sürekli durumlu, sürekli zamanlı stokastik süreç.
6/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Stokastik Süreç:
1. Kesikli durumlu, kesikli zamanlı stokastik süreç.
• Nüfusta doğum ve ölüm,
• 1 dakika aralıkla bir hatta bekleyen kişilerin sayısı,
• Bir döviz sistemine gelen telefonlar,
• Bir ailede sosyal değişkenlik.
•…
7/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Stokastik Süreç:
2. Kesikli durumlu, sürekli zamanlı stokastik süreç.
• Bekleme hattındaki kişiler,
• Gişelerden geçen araç/kişi sayısı,
• Çalışanların işgücü devri,
• Bir haberin yayılışı,
• Tedaviden sonra hayatta kalma.
•…
8/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Stokastik Süreç:
3. Sürekli durumlu, kesikli zamanlı stokastik süreç.
• Belirli zaman aralıklarında ölçülen rüzgarın hızı,
• Bir nehrin debisinin 30 dakikada bir ölçülmesi,
• Kimyasal bir prosesin değerlerinin 10 dakika
aralıklarla ölçülmesi,
•…
9/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Stokastik Süreç:
4. Sürekli durumlu, sürekli zamanlı stokastik süreç.
• Belirli bir süre için bir hastanın kalp atışlarının
sürekli izlenmesi.
• Her an ölçülen rüzgâr hızı.
• Sürekli üretim yapan bir kimyasal proses
ünitesindeki sıcaklık, basınç gibi değerlerin her an
sürekli izlenmesi.
•…
10/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Kesikli Durum, Kesikli Zamanlı Stokastik Süreçler:
x0, x1,...xt stokastik sürecini inceleyelim.
Burada indeks parametresi t’nin 0, 1, 2, ... değerlerini ve
x rastsal değişkeninin de olasılık değerler aldığı
varsayılmaktadır.
Böylece xn, xn=j ise bu süreç j durumundadır diye ifade
ederiz.
11/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Kesikli Durum, Kesikli Zamanlı Stokastik Süreçler:
x0, x1, ... xn-1, xn dizisini tanımlamak için dizideki bütün
elemanların P(j0, j1, ... jn) bileşik olasılık kütle fonksiyonu
tanımlanır. Bu da yoğun bir bilgi birikimini gerektirir.
Eğer bu özellik sağlanırsa buna Markov özelliği denir.
Markov özelliğini sağlayan süreçler ise Markov Zincirleri
olarak adlandırılır.
12/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
Stokastik Matematiksel Modeller
ÜNİVERSİTESİ
Kesikli Durum, Kesikli Zamanlı Stokastik Süreçler:
Pij(n) şartlı ihtimaline ait olmak üzere, n. adımda sistem j
durumunda xn=j iken, (n-1). adımda xn-1=i’de sistem i
durumunda olmalıdır. Diğer bir ifade ile Pij(n)  Pxn  j|xn1  i
ifadesi sistemin xn-1=i durumunda iken xn=j durumunda
bulunma veya bu duruma geçme ihtimali olarak
yazabiliriz.
n-1
i
n
(n)
ij
P
j
13/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
Stokastik Matematiksel Modeller
ÜNİVERSİTESİ
Kesikli Durum, Kesikli Zamanlı Stokastik Süreçler:
Geçiş ihtimali şunları sağlamak zorunluluğundadır:
0  Pij  1 dir
1  i, j  M
M
için ve
P
j 1
ij
 1,
i  1, 2, ... , M
Bu ihtimallerden oluşan MxM boyutlu matrise geçiş
ihtimaller matrisi veya geçiş matrisi denir ve P ile
gösterilir.
14/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
Stokastik Matematiksel Modeller
ÜNİVERSİTESİ
Kesikli Durum, Kesikli Zamanlı Stokastik Süreçler:
Geçiş Matrisi:
 P11
P
P   21
 .

 PM 1
P12
P22
.
PM 2
P1M 
. . P2 M 
. .
. 

. . PMM 
. .
15/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Zamana Bağlı Markov Zincirleri:
Markov sürecini simgeleyen modellerin kurulabilmesi
için, incelenen sistemin içinde bulunabileceği farklı
durumların ve bu durumlardan birinden diğerine geçiş
ihtimallerinin bilinmesi gerekir.
16/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Zamana Bağlı Markov Zincirleri:
Bir sistemin, bir t zamanındaki durumu yalnız ondan bir
önceki (t-1) zamanındaki durumuna bağlı olup, ondan
önceki zamanlardaki durumlarına bağlı değilse, böyle bir
sürece Zamana Bağlı Markov Süreci denir.
17/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Zamana Bağlı Markov Zincirleri:
P(x t 1  x t 1 | x t  x t , x t 1  x t 1 ,..., x 0  x 0 )  P(x t 1  x t 1 | x t  x t )
Bu ifadeye ise, Markov özelliği, bu özelliği sağlayan
rastsal süreçlere de Markov süreci denir.
18/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
Stokastik Matematiksel Modeller
ÜNİVERSİTESİ
Zamana Bağlı Markov Zincirleri:
Geçiş Matrisi:
Şimdiki
Durum
P=
1
2
.
.
M
Gelecek Durum
1 2 ...... m
P11 . . . . . .
.
.
.
PM1 . . . . . .
P1M
.
.
.
PMM.
Vi geçiş matrisinin satır vektörü
19/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
Stokastik Matematiksel Modeller
ÜNİVERSİTESİ
Zamana Bağlı Markov Zincirleri:
S1, S2, S3, S4 gibi sonlu sayıda muhtemel durumlara sahip
n=4 durumlu bir sistem düşünelim. Sistemin çeşitli
durumlar içinde bulunması ihtimalleri şöyle gösterilebilir:
P21
S2
P11
P12
S1
P31
P14
P33
S3
S4
20/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
Stokastik Matematiksel Modeller
ÜNİVERSİTESİ
Problemlerin Markov Zincirleri ile Formülize Edilmesi:
(Current State)
Mevcut Durum
n=0
(Si)
Gelecek Durumlar
(Sj)
Planlama - 1 Onarım - 2 Araştırma - 3
Planlama - 1
0.70
0.10
0.20
Onarım
-2
0.10
0.80
0.10
Araştırma - 3
0.10
0
0.90
0 .7 0 .1 0 .2
P  0 . 1 0 .8 0 .1
0.1
0
0 .9
21/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
Problemlerin Markov Zincirleri ile Formülize Edilmesi:
Pij’lerin hesaplanması için yoğunluk yöntemi
kullanılmıştır:
Fij
F11 140
Pij  

 0.7
fi
f1 200
F11: Planlamada iken planlamaya geçen sayısı
f1: Planlamaya toplam geçenlerin sayısı
22/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Stokastik Matematiksel Modeller
Problemlerin Markov Zincirleri ile Formülize Edilmesi:
P
O
A
Şu anda (n=0) Planlamada olan bir
P 0,7 0,1 0,2
O 0,1 0,8 0,1
mühendisin iki yıl sonra (n=2) Onarım
A 0,1
0
0,9
Bölümünde olma ihtimali nedir?
Planlama
Planlama
Planlama Onarım
0.70
0.10
0.70
Araştırma Planlama
0.20
0.10
n=0. Adım
Onarım 0.10
Onarım
0.80
Araştırma Planlama
0.10
0.10
Araştırma
0.20
Onarım Araştırma
0
0.90
n=1. Adım
n=2. Adım
P->P->O = 0,7*0,1=0,07; P->O->O = 0,1*0,8=0,08; P->A->O = 0,2*0=0
Şartlı ihtimallerin toplamı = 0,07 + 0,08 + 0 = 0,15
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
23/35
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
Stokastik Matematiksel Modeller
ÜNİVERSİTESİ
Problemlerin Markov Zincirleri ile Formülize Edilmesi:
P
O
A
Planlama Bölümünde çalışan mühendisin
P 0,7 0,1 0,2
ikinci yılda Planlama, Onarım ve Araştırma O 0,1 0,8 0,1
A 0,1
0
0,9
Bölümlerine atanma olasılıkları:
Vi  Vi
n
n 1
.P
0.7 0.1 0.2
V1  V1 .P  (0.7 0.1 0.2) . 0.1 0.8 0.1  (0.52 0.15 0.33)
2
1
0.1
0
0.9
24/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
Stokastik Matematiksel Modeller
ÜNİVERSİTESİ
Problemlerin Markov Zincirleri ile Formülize Edilmesi:
P
O
A
Daha genel olarak bu problemde, n=2 yıl
P 0,7 0,1 0,2
O 0,1 0,8 0,1
sonraki bütün geçiş ihtimallerini bilmek
A 0,1
0
0,9
istersek P matrisinin karesi alınır:
0.7 0.1 0.2 0.7 0.1 0.2
0.52 0.15 0.33
P 2  0.1 0.8 0.1 . 0.1 0.8 0.1  0.16 0.65 0.19
0.1
0
0.9 0.1
0
0.9
0.16 0.01 0.83
25/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
n. Adım Sonunda Her Bir Grupta Kaç Kişi Bulunur?
m  n.P n
n=(n1, n2, …): dönem başı mevcutlar vektörü
m=(m1, m2, …): dönem sonu mevcutlar vektörü
26/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
Yöneylem Araştırması - II
Stokastik Matematiksel Modeller
n. Adım Sonunda Her Bir Grupta Kaç Kişi Bulunur?
Dönem başı personel durum mevcutları n=(100, 80, 120)
vektörü ile verilirse 2. yıl sonunda gruplar arasındaki
dağılım şöyle bulunabilir:
0.52 0.15 0.33
m  (100 80 120) . 0.16 0.65 0.19  (84 68 148)
0.16 0.01 0.83
27/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
SAKARYA
ÜNİVERSİTESİ
TEŞEKKÜRLER
SORULAR!
ouygun@sakarya.edu.tr
28/35
Yrd. Doç. Dr. Özer UYGUN
Yöneylem Araştırması - II
Download