Mean field approximation is a powerful technique which has been used in many settings to study large-scale stochastic systems. In the case of two-timescale systems, the approximation is obtained by a combination of scaling arguments and the use of the averaging principle. This paper analyzes the approximation error of this `average' mean field model for a two-timescale model $(\boldsymbol{X}, \boldsymbol{Y})$, where the slow component $\boldsymbol{X}$ describes a population of interacting particles which is fully coupled with a rapidly changing environment $\boldsymbol{Y}$. The model is parametrized by a scaling factor $N$, e.g. the population size, which as $N$ gets large decreases the jump size of the slow component in contrast to the unchanged dynamics of the fast component. We show that under relatively mild conditions, the `average' mean field approximation has a bias of order $O(1/N)$ compared to $\mathbb{E}[\boldsymbol{X}]$. This holds true under any continuous performance metric in the transient regime, as well as for the steady-state if the model is exponentially stable. To go one step further, we derive a bias correction term for the steady-state, from which we define a new approximation called the refined `average' mean field approximation whose bias is of order $O(1/N^2)$. This refined `average' mean field approximation allows computing an accurate approximation even for small scaling factors, i.e., $N\approx 10 -50$. We illustrate the developed framework and accuracy results through an application to a random access CSMA model.


翻译:平均字段近似是一种强大的技术, 在许多场合中, 以 $\ boldsymbol{ x} 来研究大规模校正系统。 在两个时间尺度系统中, 近近接近是通过一个缩放系数( 缩放参数) 和平均原则的结合获得的。 本文分析了这个“ 平均” 平均字段模型在两个时间尺度模型$ (\ boldsymbol{ x} y} 的近近似错误。 在一个相对温和的条件下, “ 平均” 平均模型比 $\ boldsymbol{ x} 描述一个互动粒子群群, 与迅速变化的环境 $\ boldsymall{ Y} 完全相伴以 快速变化的环境 $\\ boldysymall} 。 该模型以 $50_ boldymallsylority ority oroundal exprilation $. 10\ bold milling a streal rode a train pril rodeal romade.

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