点間隔に関するマルコフ過程の
シミュレーションとその統計的性質
(昭和49平5月1B日 原稿受理)
電子工学数室矢鳴虎夫
中 原 潤一郎*
Computer simulation of Markov processes of inter−point
intervals and their statistical propertiesby Torao YANARU Junichiro NAKAHRA
Statistieal properties of M臼rkov prooesses of inter−point interΨals(MP s)are studied by com−
puter simulation method・ First, some kinds of transi亡ion probabi1 y density functiDns(TPDF s)
of the multiple MP s of orderた(A=L 3)are derived from the(片十1)−dimensional probability density funotions(PDF/s)based on expone皿tial functions. Seoond,【he point sequenees(PS s)
of MP are generated, and further, ⑪ne of the PS♪s of MP is conΨ{≧rted to other type of PS s
by inverse integral density modulation method. The serial correl3tion¢oe伍cients and intesvalhistograms of these two types of PS s are obtained. The res[dts are dis¢ussed from the viewpoint
of r印ewal process. Lユst, the statisti¢al properties of the spon帖neo凹s spike trains of central single neurons are oompared with those of the gene臼ted MP s.はえがき ・ ㌫難㌶ご亡㍑鵠纂外隠
中浜ら(東北大学,脳研究施設)は猫の中枢内単一二 のTPDFの与えられた多亜MPの標本点列が実際どの ユーロンから得られる自発放電スパイク列の研究で, ような様子を呈するかがわかっていれば,これらのスパ MRF(mense皿cehalic reticular foエmation)やRN イク列と比較する上で極めて便利である.一方,数学的
(red nucleus)からのものはスパイク間隔に関して2〜 には, MPの一般論はほとんど完成されている様である 4重マルコフ過程(以後1重マルコフ過程を記号MP が,実際的な点列の様子と結びつけて行われた研究は見 σ)で示す。また単にマルコフ過程という場合をMPで あたらない。 このような意味あいから,本研究は多重 表わす。)に従っていると主張している1]2,。このMP( ) MPの計算機シミュレーションの方法を考えた。多重 の多重度,∫の検定は点間隔(以後スパイク間隔と同じ MPとしてのTPDFは数値解析のし易い指数関敷を基 意味として用いる)が多次元正規分布に従うものとして 本としたものを用いた。そしてシミュレーシ目ンの結果 行われている。実際,点聞隔列が与えられたとき,これ 得られた点列について,点間隔ヒストグラム,系列相関係 をノンパラメトリックな方法でMP(Dとしての多重度 数(serial correlation coe伍cieロt, SCC),を求めた。
目≧2)を推測することは充分大きな標本量とぼう大な 点列の性質を研究する上で,上記のように点間隔に注 計算量を要するのでほとんど不可能に近い。まして多重 目する場合と,今一つ点密度の時間的変化に注目する場 MPとしての遮移確率密度関数(TPDF)の形を推測する 合がある。この双方から研究がなされているが,これら ことがほとんど不可能であることはいうまでもない。そ 点間隔と点密度を結びつけた研究は純数学的一般論(た の意味で中浜らが点間隔に関して正規分布を前提にした とえば3〕個)をのぞいてほとんど実際的意味での研究は のは止むを得ない。しかし得られたスパイク間隔列は正 なされていない。筆者らは.一方において,点密度を基 規分布にならない場合が多いし,また相互に従属しあっ 本とした研究の一端として「積分型密度変鯛(integra1
−__@ dθns y modulation, IDM)をうけた点過程6]7)の性質 亀現在九州大学大学院学生 を調べている。したがって今回も点間隔と点密度を結び
つける意味で,シミュレーションの結果得られた多重 も対称である必要はない。まず理論解}斤をする上で出来 MPの標本点列の1つをフィルターして,近似的な変澗 るだけ簡単なものとして考えたにすぎない)。品に閥す 信号をつくり,「逆積分型密度変調(5・3で説明)」をほ る一次元周辺PDFは
蒜蕊㌶麟㌶畿鷲: 五ω一∫元(x1,工2)古1−÷(・+・・)・Xp(一工・)
ロ多重MPの中にはほとんど「IDMをうけた再生過程」 (4)
に近いものがあることを把握した。更に実際に中浜らよ となる。」質工bエ2)キ五(x1)ゾ1(苫2)であるのでエ、と工2は り提供されたMRFのスパイク列について同じ操作をほ 従属している。また, x2<。。であるかぎり∫1(xD>0で
どこしてみたところ単なる「1DMをうけた離過程」 あるので紺付PDF,
といえないことがわかり,かなり複雑な点列であること
力鞠された。 宮1(エ11x2)一五(⊇旅・・)一誓欝・・(一・1)
2.点順に関するマルコフ過程につ・・て α・≧°・°≦xK°°) (5)
点間馴{卍、},α,〉・,∫一・±・,±2.…)の・っの標 を得る・また
i竃曇琴鷲璽耀藻l l≡麗欝璽蕊一叫(6)
ぺての整数πに対して が簡単に求められる。しかしρ (∫>1)の計算は困難で Prob(xr1≦エ1,x冑.2≦よ2,一・・江旬一1≦x口) ある。ρ1<0であるので(5)式の91をMP(1)Nρ1の =F身(工b工苫ジー−,工白) (1) TPDFの1っとする。また相続く点間隔の和(X・十工2)
が成立つ場合をいう。 のPDFは
に㌶㌶⊇程[°醐 て 次の条件幽 九一ω一∫三(一・)ゴ・一÷緬(一)(7)
o P・・bα・一・・縞一・=ズ・・XH=x・・… 1 で与えられる。
X・一・一・一刷一F(工1jr2,X3,●・㌔苫占)(2) 3.1.2.MP(3)Nρエ が成立する{ζ}を・一般によく知られている痘重マルコ 3,1.1.と同様に4次元PDF
フ連鎖のタイプに属するものとして「Stochastic pomt
P…e…f1…1…t・gi・n wi・h…ft・・−ef・ct 五(・・ぷ.・・)一去壽1x・・xp(一昆工・)
。・t・・di・g。…力…P・」8 と名づけている・C°x )は (苦1,κ3,エ3.エ4≧0) (8)
これを「Wold 5 MarkoΨprooe360f intervals」とも
いっている.ここでは騨にMP(A)ということにす を考えると(8)式より
る・W・ dはこのMP(是)に(A+1)次元ランダムペクト
@五(エ1)一÷(3+x・)・・p(一工1) (9)
ルを導入しMP(ユ)に変換して一般論を展開している。
せ
_れ係ご㌶係:㌶合 一⇒、頴一)(1°)
以後,遅れ係数∫での相関係数を角で表わす。また を得る。また
3.1.1. MP(1)Nρ1
灘鰺㍊綴㌶;;F漂質5 伝・ω一去(2x十x2)exp(一工) (ユ2)
議遼蕊㌶㌫‡婁あ⊇‡,隠続きからわかるように一般に
一一一( サほ│旱‡f)・Xp障,) (遮1誉芸㌣)
(13)
を考えれば
なるタイプの⑭十1)次元PDFから負の相関をもつ
MP(P)のTPDFの例を見いだすことカ できる・これ 五(・1)一貴…e・p⌒1)+畜・1e・・(一α・・1)
はパフメータ列{α }を変化させることによってかなり
(20)
色々な分布を:考えることができる。このことは負の相関 81(xllx21エ3,エ4)=【βlexp(_α1瓦23、(x、exp(_α1エ、)
のある実際の点列の点間隔ヒストグラムのパターンに合
十β2exp(一α2工234)Xle工P(一α2x1)〕
せながらシミュレートする上で都合がよい。 次の3.2.
における関蜘ζついても同じことカ・いえる・ /[貴・xp(一α劇
3.2.ρ1が正の場合
㌫P::(1)P角 +融(』一)
五( (ただし x田=拘÷x3十エ∂ (21工1,エ2)=:β1エ1x2exp{一α1(工1十工2)})
+脚,exp[一α・α、+エ,)] (ユ4) を得る・
(ただし xい有≧0,αh偽,β1,β2>0,倒キα2,貴+畜一・)こ∵艦+畜) 1
ト
を考えると・(・4)式より が一6(寿噺)−4(畜惜∫(22)
五栖)=M顧一緬+☆脚(一b …誌1蒜認∫・ 1
舐(工11よ2)=【β1絢exp{一α1(」↑1十x2)] 五口(文
@ 十β2exp(一α2(工1十X3))])一告糟・・P(一醐
:蕊二::㌶::、 ( +β・,xp(一αぱ16) α24)}(23)
このとき, を得る。
用一2i蒜+碁)・
・・−6 リ+畜)−4僚+畜)・
㌍多鵠(1 1α1 α2)2・
4.シミュレー杉ヨンの方法
任意の確率分布関数F(幻に従う乱数列の発生は一様
(17) 乱数と逆関数F−1(め(存在が保証されていると仮定す る)を用いて発生することが出来る。つまり1様乱数ひ が与えられた場合X=F−1(のはFぴ)に従う乱数であ るo
ρ・は砥キα2であるので常に正である・また MP(のの点間隔列(乱数列)を発生する場合は」F(め
伝.ω一告工・〔胸(一α・・+β・e・p(一α・・)} の代り}こTPDF⊇かれ〔鰍撒
(18) F伽一の一∫。細(』…融
となるロ (白==工,2,…) (24)
3・2・乳 MP(3)Pρ1 を用いればよい。しかしF(エ1為,為,…、為+1)は通常条 32・1・と同様に4次元PDF 件,(工言,工3, ㌔x友干1)の値によって色々変化して,逆関
五(⌒エ・,エ・)一β1酷・・P(一α 主x・) 酬(柄・・凸…1)がきれいな醜式1こなること
4 4 は極めてまれである。したがってここでは(エ1,エ3,…,十β,巴,再exp(一α!■Σx ■1) (19) 毎、1)と一様乱数の実現値の1っμが与えられると
訂=F(エ1よ2,泊,・・㌔封克.1) (25) となる。また
なる方程式の根工=拘を計算機による反復法によって求 MP(3)Pρ1の塙合は・4,βが
㌫ぎ願蓼麟:二誼,㌫欝 A(工2,工31工4)一恥(一一)ノD]
法,Von Miser法,2等分法などを使い分けた。
4.t唖①N・.脚)Nρ坤点嗣列の発生 恥為…)一畜・・p(一α2x2ヨ4)ρ
都合上,MP(1)Np1の場合について説明する。3、1.1、
(5)式のTPDFより遷移分欄数は D−一貴・・p(一α・・…)+貴・・p(一α・・…)
ヱ
Fα1晦)一轣B(エ1十よ±ユ十x2)剛一泊)ゴ屯 ㌔一竺+為+陥 (田)
=1−[1十迂(xコ)エ}eXP(一泊 (26) となるだけである。なお次の5節での実例にはMP(1)
( 1ただし メ(為)= ユ十工2) ;醐(慧ノ;㌫=は屈⌒
したがってF(エ1エ2)=冨,α0,])の一様乱数1とおけば
〔1柏(工り)エ}・・p(一.)=1−・となる.(1−・) 5・結果と統計的処理
もまた(0 ユ)の一』様乱数であるから求めるエ}ζついて 5.1. 点間隔ヒストグラムと相続く点間隔の和のヒス の方程式は トグラム
(1十』(エ2)x〕e北P←一工)一μ=0 (27) TB(tilne biエ)の巾を0ユに選ぷ。図1,図2はモ となる。したがって「まず適当な初期値x2を与え・更に れそれMP(DNρ1, MP(3)N角をシミュレートして得 一梯乱数の1っμを発生して(27)式を解き,根工=エ1 られた点列〔MP(1)Nρ、],{MP(3)Nρ1}のヒストグラム を求める。続いてこのx1をx2に置き換えて同様の操作 である。図3は{MP(3)P向}のヒストグラムである。
を繰返す・このようにして1つの乱数列を発生する。初 (A)には点間隔ヒストグラム(記号H、で表わす),
期値の影響を取りのぞくため最初の50個を捨てる。新 (B)には相続く点間隔の和のヒストグラム(記号」馬 しく51個目からの乱数列をもうてMP(1)ρ1の点間隔 で表わす)を示す。 (C)はモれそれ[MP(1)Np1},
列とする。 [MP(3)Nρ1},{MP(3)Pρ1}をシヤッフル(shu田e)し MP(3)N角では遠がズ2,エ3,為の関数で て得られた点列[MP(DNρ1〕、h,{MP(3)Nρハ} h,{MP 1
遠α口・エ )=1+x,+x、+x (田)
0.05 となる。初期値為,為,為を与えてMP(1)Nρ1のときと 卓 「 同じ操作によりMP(3)Nρ1の点間隔列を発生できる。 言 4.2 MP臼)Pρ1, MP(3)Pρ1の点間隔列の発生 ご MP(1)の場合について説明する。遷移分布関数は
F(ズ1エ2)=:ユーメ(x2xα1x十ユ)眺P(一α1π)
一」9(有xα2x十1)e冨P(一一α2:暫) (29) む
むとなる6こ乙に 昌住03
ヘ ロ リ
』 =
∠国「鼻・・P(一血1x・)/D 三罐
三』
(A) {MP(1)Nρ11 n=4000
・ m=1.5 m竃==1.52 ・ σ2:=1.75 σ」〜二=1.83
4 蠕 0 5 _x 10 {MP(1)Nρ1}
α22 .、 α03 ロ
_ . = Dr=1曇re宝P(一α1工2)→ニー念exp(一α,ズ量) . 三匡
9 求めるエに関する方程式は 」
Bα、)=.互・・P(一α2x2)ノD 遣 0 5−・ 10、
(C) ・ {MP(1)Nρ1LhI
]1
ぷ国(α1」オ十1),、P(一刷 0 』5−・ 1°
十β(萌Xα 十1)e:P(・一α2x)一窟二=0 (20) 図一.1
(A)IMP(3)Nρ1;
1 n =4000
} m=1.25,m=126
α05 σ =1.44. σ =1.48
、 α05
三 ゴ
言 二
む
§ 0 5_・ 10
訂
占α03 白 =コ ー
= パ ロ × ゴ エ ロ コ
匡 』,
0 5 _x lO N
0.03
£ 言 モ
㍊
(由
1 {MP(3)Pρ11
l n =4000
m=:1、25 m :=1.23
」 σ =1.63 σ =:161
1・ {MP〔3〕Nρ11 0 5_x 10
(B)
、 {MP(3)P角}
囑
畦゜IMP 3)N・11曲 璽
ロ
㌔」 』・ 5_X l・
u「LL、一
0 5 10 −x
O.03 図一2
宮 ?
(3)PρD曲の1占である。〔・).hは(弓の点間隔の順序 百
を締序1較換し鯛締互間の欄を取りのぞいた点 }0 5 10
列である。そのため〔・〕曲の・「f1は〔弓の乃「1そのも 一 X のである。また[・)曲は{・}の1次元PDF,五(め(そ 図一3 れそれの(A)図に破線で示された曲線)で決められる だけでも再生過程との区別がつく。
再生過程の標本点列であるとほとんどみなされる。 5.2,系列相蘭係敷,SCC.
[MP(1)Pρ1]については選ばれたパラメータ(α1=4, 図4の(A),(B),(C).(D)にモれそれ〔MP(1)
α2=1 β1=44/2・β2=1/2)の時は・理論上・五 )、五遁 Nρ1},{MP(3)Nρ1},{MP(1)Pρ1},〔MP(3)Pρ1}の点間
(よ)・1π=L25・σ2=1・63・ρ1=0・346がすべて{MP(3) 隔SCCを示す。破線で描かれたものは{・』のSCCで Pρ1}の場合のそれに一致するし,また」ぜ1やH2もほと ある。これらの図から
んど[MP(3)Pρ1}のそれに一致するので敢えて示さな 1)標本統計量〃』,σノ,ρ.、の値はそれぞれ理論統計 かった。図中に挿入された砺,σ〜の値はそれぞれm, 量m,σ2,角の値にほとんど近い。
σ2に対応する標本統計量である。またnは標本量であ 2)正の相関ρ1がかなり大きく選ばれた〔MP(1)Pρ1]
る。これらの図から次のようなことがいえる。 (または{MP(3)Pρ1〕)は原理的には10c日1 contagion 1)4000個程度の標本があればH1. H麿からほとん (Woldのいう)の範囲は1(または3)ステップであ ど五(x)・九囮(泊のパターンを推測できる。 るにもかかわらず相関が遅れ係数4程度(または25程 2)(MP(1)Nρ1},{MP(3)Nρ1}においてはH1がパタ 度)までも長びく。
一ンの上でそれぞれシャッフルされた{MP(1)Nρ1)。h, 5,3.〔MP(3)Pρ1}と「IDMされた再生過程」
{MP(3)Np1}.hと大差なくヒストグラムからだけでは再 都合上本題にはいる前に2っの事項(a),(b)を説明 生過程の標本とみなされる可能性がある。 する。
3) {MP(3)Pρ日、(または[MP(1)Pρ1))の」占は (a) n個からなる標本点列,ζのフィルタリングによ
{・}.hのH2とパターンの上ではっきり相異があり,∫f呈 る1つの近似点密度の表現方法。
い),ユ1(のの最小値力副.を見いだし,次のようなな変
0.1
可 0
−0.1
0.1
q
@0
−0.1
. @ ・ A ,、 ユ2(∫)二且、(r十∫〃1.)一λ1皿ln,
丁2=ユ 75 σ2=1 83 (0≦「≦(n−21ンπエ,」《雁,π1.;ζの平均間隔)(35)
ρ1=一α143 とし,更に平均点密度(1/mエ)に合せるため
O lO 20 __−i 30 40 50 [H_2R}■∫
{MP(3M ・ω一(・−2∫)臓・・ωノ∫・・(・)ぜ・ (36)
o
:1翌。435σ鍵=L4匿 を離た・この・(・)を点列ζの区間・[「m・・(π一 測 20 30 40 50 における近似点密度とする。
−1 (b)逆積分形密度変調(inverse integral density
l:l/l…)P㌧:1:II障:{二1{㎜d IIDM)
鵠_.エ㌧
一〇・1 . 1 −1
−■ ×一一一一喝.一一一一司一■一一一一一一一一ひ一一一一一一一
〇 −i l
×一一一司r−・−r− 一一 一一 A(11 1
{MPωN,・11
A
C≠ ^ A
m=1.5 mエ巴1.52
イ
丁2=ユ.75 σ〜=1.83
ρ1=−0.143
0 10 20
__−堰@30 40 50
{MP(3)Nρ11
_■亀 五 ・.
L .1 @ 白 .1
..ゴ」 一 .
香=≠P.25 m真=L26
σ2=L44 σ鍵=L4匿
ρ1=−0.0435
0 10 20
30 40 50−−10.3 ミ
0
−02
σ2=1.63 σ』ニ1.61 冥__頃_________ l l
ρ1=0.346 1 1 1∨≒㎡〔 一・・∴°・⌒ ,L・晶皐 . 静 ii l
コ
コ・2・4・_i6°8°1°° @ _一一 ii i
l ll l
1・2・3・4・5・ ll l
lMP(3)Pρ11 m−L25 m・−1・23 1 1 i
ノ コ ロ サ ヨく ちくぽウく と
一般に点列ζは数学的には∂関数を用いて表現され ξ _t る。つまり 図一6
ζ一宮δ(・一・ ),(・1峰象の発生点)・(32) 図6はIIDMの方灘示す.点列ζとモの点密度
1■1
一方図5に示されるような中心周波数,ん巾,んなる _ 。 図一4 / { {1 ↑
一 ・(・)が与えられたとき調の時間齢」(・)一∫hωゴ・
長方鯛灘ウインドウP(∫)は時間ウインドウ 観いだす・次に×印で不されたζの靱の発竺を
τω=。。、(21活}r)5i皿(2耳ノ「』r)ノ(2輪 )(33) 」ωを写像関数としてt°軸1嚇する・このよっ1こし
耐耐る.したがってζとT①の合成積から て「酬こはζから皿Mlζよる点列ζ章を得る・(この 操作の逆をたどる場合がIDMである)
」1( )=】…1ア(ご一rf) (34) 図7は点列{MP(3)Pρ1]がIIDMによる時の様子
メコロ
㌶霊驚魏㌶≧言:蕊竃i籔竃竃i竃霧霧
パラメーターを,五=0.02,∫』=0・02、1=300に選ん
, ㍗ , で[.}をフ.、レターして得られた近似点密鹿λ(・)を
示す。Jbニ0・02=1ノ(2×25)の値は,{・〕のSCCがβ38 あたりで 0 に近い値になることを目安にして決め f た。∫ご=0.02の値はIIDMによる点列,{MP(3)Pρ1)in▼
イ。−f.二f・−f。+f・Ofrf・1。 f・+f・ の点喘SCCが出来るだ}ナ小さくなるよう噛々変化
図一5 きせてみた結果,最も小さくなった場合である。(C)1 1
¶
●
■ 1
■
1
1
1
4
{A)3
0
(B)_烈一…一…㌧。.1烈lll!1_.印…一.1!,.竺,_三1._9・ll・・11・12・・㎡
{C)−1・−lll−1−…一・・……ll…・・・…一…1_・..一_ 1.、._1.,〆書、、,__.、,_1,1 . ,
(B):PUP(3)Pρ1},(C):IMP③P、ρ11i。w図一7
は{ }1・・である。図8は{・〕1・・の点間隔SCCである このSCCのパターンを見るかぎり{・] n.は点間隔相
(破線は{・}自身のSCC)。図8はλ( )の自己相関関 互間にほとんど相関が認あられない。また結合点間隔ヒ 数φ(「)である。図10は{・)1・・の正「1(実線)と{・) ストグラム(ここには示していない)によっても充分独 の昂(破線)である。 立性を認めることが出来た。このことは逆の見方をすれ ば,{・}は図10の実線で示された昂のパターシに充分
近いパターンのPDFをもつ再生過程が」⑦に充分よ o・3咋s く似た信号によって「IDMをうけた再生過程」とほぼ 、 へ、、へ、. 同等であることを意味している。
o ・㌔へ^」r・ ・−」 ヘノマ㌔
一〇2 6.猫の中枢単・一ニューロンからのスパイク列
エ ロ ロ ヨ コロロ
ーi 図11,図ユ2は中浜らより提供されたMRF 323のス 図一8 パイク列1川(以後[MRF〕で表す)を統計処理したも のである。図1ユの破線は〔MRF〕の点間隔SCCであ 三 る。このSCCパターンが大体{MP(3)Pρ1}のそれと
1』
よく似ているので5・3・と同じような手続でIIDMをほ
0.5
どこして[MRF}1。.を考えてみた。その結果パラメー
0 ……− … … … … @… …1 …… 『 タ五,九を種々変化させてみたが相関をある程度以上
o 加 40 60 旬 100 取りのぞくことはできなかった。図コ1の実線はそのう
一1 ち最も小さくなった場合のSCCである。なお図12に図一9 このときの[MRF}1。.のHPを実線で示す.囎は
_ {MRF〕のH1である。相関をもっと小さくする方法と =
0.1
ぎ
呂 コ訂0』6占
3
冨 冠
0.02
r1 して多モードの周波数ウィンドウを用いてみることも考
ココ
r:、 えられるがいささか不自然である。 このようなことか
コ コ
il ら,たいして積極的なことはいえないが,{MRF]をか
i
@ り1、MPとみなした1、してもかなり雌端過融あロ
i ることが予想される。
ii
i㌔
L. 、 〜
、
lil o・3
」P
1、Mぷ、.1 ・
・1 1 【」.
1■・ _02
0 1 2 3 4 5・m. ° ° 4° 曲_.、8° 1°°
図一10 図一11
0.16
葺
0.12
詮
5
昌
巴 一
@〇.08
掌
岩 已
o出
0.04
近い過程で ある。
4) [MRF}はかなり複雑な点列である。
〔謝辞〕
この研究1こあたり数々の有益な助言を得た本学情報工 学科磯教授に,また図面の整理に多大の尽力を得た本学 電子工学科職員辻連之氏に深謝する。
参考文献
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巾{・上まわ磁の遅れ係辮で゜肚の相関繊く・て 2仙(19、8).
のため{唖(3)P・・}などの点離{塒間的1ζかなりゆ 9)C・・.D. R. L・wi・, P・A・W・・Th・・t・d・ti・・1 っくりした変動をする。 analy8is of series of events, Chap.4. Lo血don:
3)MP(3)Pρ1はrlDMをうけた再生過程」}・ほぼ Methuen 1966・
1