<?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE document PUBLIC "-//CNX//DTD CNXML 0.5 plus MathML//EN" "http://cnx.rice.edu/cnxml/0.5/DTD/cnxml_mathml.dtd">
<document xmlns="http://cnx.rice.edu/cnxml" xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="m10748">

  <name xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Occupancy Distribution as Seen by a Poisson Arrival</name>

  <metadata xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
  <md:version xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">2.3</md:version>
  <md:created xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">2002/07/19</md:created>
  <md:revised xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">2003/03/05</md:revised>
  <md:authorlist xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
      <md:author xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="bs">
      <md:firstname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Bart</md:firstname>
      
      <md:surname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Sinclair</md:surname>
      <md:email xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">bs@rice.edu</md:email>
    </md:author>
  </md:authorlist>

  <md:maintainerlist xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
    <md:maintainer xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="charlet">
      <md:firstname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Charlet</md:firstname>
      
      <md:surname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Reedstrom</md:surname>
      <md:email xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">charlet@rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
    <md:maintainer xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="bs">
      <md:firstname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Bart</md:firstname>
      
      <md:surname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Sinclair</md:surname>
      <md:email xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">bs@rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
  </md:maintainerlist>
  
  <md:keywordlist xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
    <md:keyword xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">arrival times</md:keyword>
    <md:keyword xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Bayes' rule</md:keyword>
    <md:keyword xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">occupancy distribution</md:keyword>
    <md:keyword xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">open system</md:keyword>
    <md:keyword xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Poisson process</md:keyword>
  </md:keywordlist>

  <md:abstract xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">(Blank Abstract)</md:abstract>
</metadata>

  <content xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
    <para xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="para1">
      The occupancy distribution of a system is the steady state
      probability distribution of the number of jobs in the system.
      We can also look at the system only at arrival instants (or to
      be precise, just before each arrival instant) and talk about the
      occupancy distribution of the system as seen by each arrival.
      When the arrivals are the results of a Poisson process and the
      system is open (the rate of arrivals is independent of the
      number of jobs in the system), we can show that the arrival time
      occupancy distribution is the same as the occupancy distribution
      over all time.  In effect, there is nothing special about the
      arrival instants of a Poisson process.
    </para>

    <para xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="para2">
      This can be shown as follows:
    </para>

    <para xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="para3">
      Define 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:ci type="fn">N</m:ci>
	  <m:ci>t</m:ci>
	</m:apply>
      </m:math> to be the number of jobs in an (open) system with
      Poisson arrivals at time <m:math><m:ci>t</m:ci></m:math>.
    </para>

    <para xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="para4">
      Assume that the following limits exist.
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:ci><m:msub>
	      <m:mi>a</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msub></m:ci>
	  <m:apply>
	    <m:limit/>
	    <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
	    <m:lowlimit>
	      <m:infinity/>
	    </m:lowlimit>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">N</m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci>n</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>|</m:ci>
		<m:mtext>arrival just after time t</m:mtext>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:ci><m:msub>
	      <m:mi>p</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msub></m:ci>
	  <m:apply>
	    <m:limit/>
	    <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
	    <m:lowlimit>
	      <m:infinity/>
	    </m:lowlimit>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">N</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>n</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      Then 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:ci><m:msub>
	      <m:mi>a</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msub></m:ci>
	  <m:ci><m:msub>
	      <m:mi>p</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msub></m:ci>
	</m:apply>
      </m:math>.
    </para>

    <para xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="para5">
      Proof:
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:equivalent/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">A</m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:ci>t</m:ci>
	      <m:ci>δ</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">
	      <m:mtext>event that an arrival occurs in </m:mtext>
	    </m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:ci>t</m:ci>
	      <m:ci>δ</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:equivalent/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn"><m:msub>
		<m:mi>p</m:mi>
		<m:mi>n</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">N</m:ci>
		<m:ci>t</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci>n</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:equivalent/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn"><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mi>n</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">N</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>n</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci>|</m:ci>
	      <m:mtext>arrival just after t</m:mtext>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      By the definition of conditional probability,

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn"><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:limit/>
	    <m:bvar><m:ci>δ</m:ci></m:bvar>
	    <m:lowlimit>
	      <m:cn>0</m:cn>
	    </m:lowlimit>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:eq/>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">N</m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci>n</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>|</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">A</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:ci>t</m:ci>
		    <m:ci>δ</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:limit/>
	    <m:bvar><m:ci>δ</m:ci></m:bvar>
	    <m:lowlimit>
	      <m:cn>0</m:cn>
	    </m:lowlimit>
	    <m:apply>
	      <m:divide/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">Pr</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:and/>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">N</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>n</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">A</m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci>t</m:ci>
		      <m:ci>δ</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">Pr</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">A</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:ci>t</m:ci>
		    <m:ci>δ</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:limit/>
	    <m:bvar><m:ci>δ</m:ci></m:bvar>
	    <m:lowlimit>
	      <m:cn>0</m:cn>
	    </m:lowlimit>
	    <m:apply>
	      <m:divide/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">A</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:plus/>
			<m:ci>t</m:ci>
			<m:ci>δ</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		    <m:ci>|</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:eq/>
		      <m:apply>
			<m:ci type="fn">N</m:ci>
			<m:ci>t</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>n</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">N</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>n</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">Pr</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">A</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:ci>t</m:ci>
		    <m:ci>δ</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      For Poisson arrivals in an open system, we know that the number
      of arrivals in any interval
      
      <m:math>
	<m:interval>
	  <m:ci>t</m:ci>
	  <m:apply>
	    <m:plus/>
	    <m:ci>t</m:ci>
	    <m:ci>δ</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:interval>
      </m:math> where 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:gt/>
	  <m:ci>δ</m:ci>
	  <m:cn>0</m:cn>
	</m:apply>
      </m:math> is independent of 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:ci type="fn">N</m:ci>
	  <m:ci>t</m:ci>
	</m:apply>
      </m:math>.

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:implies/>
	</m:apply>
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">A</m:ci>
		<m:ci>t</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:ci>t</m:ci>
		  <m:ci>δ</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:ci>|</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">N</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>n</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">A</m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:ci>t</m:ci>
		<m:ci>δ</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:implies/>
	</m:apply>
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn"><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">Pr</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:ci type="fn">N</m:ci>
		<m:ci>t</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci>n</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn"><m:msub>
		<m:mi>p</m:mi>
		<m:mi>n</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      Hence,
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:ci><m:msub>
	      <m:mi>a</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msub></m:ci>
	  <m:apply>
	    <m:limit/>
	    <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
	    <m:lowlimit>
	      <m:infinity/>
	    </m:lowlimit>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn"><m:msub>
		  <m:mi>a</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:limit/>
	    <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
	    <m:lowlimit>
	      <m:infinity/>
	    </m:lowlimit>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn"><m:msub>
		  <m:mi>p</m:mi>
		  <m:mi>n</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:ci><m:msub>
	      <m:mi>p</m:mi>
	      <m:mi>n</m:mi>
	    </m:msub></m:ci>
	</m:apply>
      </m:math>

    </para>   
  </content>
  
</document>
