Лекция 13 Случайные процессы Основные понятия. Закон распределения и . Стационарные, эргодичес
Лекция 13Случайные процессы
Основные понятия. Закон распределения и основные характеристики
случайных процессов. Стационарные, эргодические, элементарные случайные
процессы
(Ахметов С.К.)
Определения
Случайным процессом X(t) называется процесс, значение которого прилюбом фиксированном t = ti является СВ X(ti)
Реализацией случайного процесса X(t) называется неслучайная функция
х(t), в которую превращается случайный процесс X(t) в результате опыта
Сечение случайного процесса (случайной функции) – это случайная
величина X(ti) при t = ti.
Случайный процесс X(t) называется процессом с дискретным
временем, если система, в которой он протекает, может менять
свои состояния только в моменты t1, t2, t3….. tn, число которых
конечно или счетно
временем, если переходы системы из состояния в состояние могут
происходить в любой момент времени t наблюдаемого периода
Случайный процесс X(t) называется процессом с непрерывным
состоянием, если его сечение в любой момент t представляет
собой не дискретную, а непрерывную величину
Случайный процесс X(t) называется процессом с дискретным
состоянием, если в любой момент времени t множество его
состояний конечно или счетно, то есть, если его сечение в любой
момент t характеризуется дискретной случайной величиной
Классификация случайных процессов
Таким образом, все СП можно разделить на 4 класса:Процессы
временем;
Процессы
временем;
Процессы
временем;
Процессы
временем.
с дискретным состоянием и дискретным
с дискретным состоянием и непрерывным
с непрерывным состоянием и дискретным
с непрерывным состоянием и непрерывным
Большинство гидрологических процессов являются
процессами с непрерывным состоянием и непрерывным
временем. Но при вводе шага дискретности по времени они
превращаются из процесса с непрерывным временем в
процесс с дискретным временем. При этом процесс остается
непрерывным по состоянию
Основные характеристики случайных процессов
Сечение случайного процесса х(t) при любом фиксированном значенииаргумента t представляет собой СВ, которая имеет закон распределения
F (t, x) = P{X(t) < x}
Это одномерный закон распределения случайного процесса X(t)
Но, он не является исчерпывающей характеристикой СП, так как
характеризует свойства любого, но отдельно взятого сечения и не дает
представления о совместном распределении двух или более сечений.
Это видно на рисунке, где показаны два СП с разными вероятностными
структурами, но примерное одинаковыми распределениями СВ в каждом
сечении
Основные характеристики случайных процессов
Поэтому более полной характеристикой СП является двумерный законраспределения
F(t1,t2,x1,x2) = P {X(t1) < x1, X(t2) < x2}
В общем случае исчерпывающей характеристикой СП является n мерный закон распределения
На практике вместо многомерных законов распределения используют
основные характеристики СП, такие как МО, дисперсия, начальные и
центральные моменты, но только для СП эти характеристики будут не
числами, а функциями
Математическое ожидание СП X(t) - неслучайная функция mx(t),
которая при любом значении аргумента t равна математическому
ожиданию соответствующего сечения СП:
где f1(x,t) – одномерная плотность распределения СП X(t)
Основные характеристики случайных процессов
МО СП представляет собой некоторую «среднею» функцию, вокругкоторой происходит разброс СП
Если из СП X(t) вычесть его МО, то получим центрированный СП:
X0(t) = X(t) – mx(t)
Дисперсией СП X(t) называется неслучайная функция СП X(t), которая
при любом значении аргумента t равна дисперсии соот – го сечения СП X(t)
СП X(t) = D = M{2}
Среднеквадратическим отклонением СП X(t) называется неслучайная
функция σx(t), которая равна корню квадратному из дисперсии СП:
σx(t) = σ = √Dx(t)
Основные характеристики случайных процессов
Для полной характеристики СП необходимо учитывать взаимосвязьмежду различными сечениями. Поэтому, к комплексу перечисленных
характеристик нужно добавить также корреляционную функцию СП:
Корреляционной (или ковариационной) функцией СП X(t) называется
неслучайная функция Kx(t,t’), которая при каждой паре значений
аргументов t и t’ равна корреляции соответствующих сечений X(t) и X(t’)
Kx(t,t’) = M{ x }
или
Kx(t,t’) = M = M - mx(t) mx(t’)
Свойства корреляционной функции:
- при равенстве t = t’ корреляционная функция равна дисперсии СП, т. е.
Kx(t,t’) = Dx(t)
- корреляционная функция Kx(t,t’) симметрична относительно своих
аргументов, то есть
Kx(t,t’) = Kx(t’,t)
Основные характеристики случайных процессов
Нормированной корреляционной функцией rx(t,t’) СП X(t) называетсяфункция, полученная делением корреляционной функции на произведение
среднеквадратических отклонений σx(t) σx(t’)
rx(t,t’) = /(σx(t)σx(t’)) = /(√(Dx(t)Dx(t’))
Свойства нормированной корреляционной функции:
- при равенстве аргументов t и t’ нормированная корреляционная функция
равна единице rx(t,t’) = 1
-нормированная корреляционная функция симметрична относительно
своих аргументов, то есть rx(t,t’) = rx(t’,t)
- нормированная корреляционная функция по модулю не превышает
единицу rx(t,t’) ≤ 1
Основные характеристики случайных процессов
Скалярный СП – это когда речь идет об одном СП, как было до сихпор.
Векторный СП – это когда рассматриваются 2 и более СП.
Допустим заданы расходы воды в нескольких створах во времени
В этом случае для характеристики СП нужно знать для каждого
скалярного процесса:
-МО
-корреляционную функцию
-взаимную корреляционную функцию
Взаимной корреляционной функцией Ri,j(t,t’) двух случайных
процессов X(t) и X(t’) называется неслучайная функция двух
аргументов t и t’, которая при каждой паре значений t и t’ равна
ковариации (линейной связи) двух сечений СП X(t) и X(t’)
Ri,j(t,t’) = M
Стационарные случайные процессы
Стационарные СП – это СП, у которых все вероятностныехарактеристики не зависят от времени, то есть:
- mx = const
- Dx = const
Отличие стационарных и нестационарных СП показано на рисунке
а) стационарный СП
б) нестационарный СП по МО
с) нестационарный СП по дисперсии
Свойства корреляционной функции стационарного СП
Четность функции от своего аргумента, то есть kx(τ) = kx(-τ)τ – сдвиг всех временных аргументов СП на одинаковую величину Θ
k – корреляционная функция СП при Kx(t1,t2) = kx(τ)
Значение корреляционной функции стационарного СП при нулевом
сдвиге τ равно дисперсии СП
Dx = Kx(t1,t2) = kx(t - t) = kx(0)
|kx(τ)| ≤ kx(0)
Помимо корреляционной функции используется нормированная
корреляционная функция стационарного СП, которую называют
автокорреляционной функцией
rx(τ) = kx(τ)/Dx = kx(τ)/kx(0)
Эргодические случайные процессы
Эргодическое свойство СП – это когда по одной достаточнопродолжительной реализации СП можно судить о СП в целом
Достаточным условием эргодичности СП является условие
lim kx(τ) = 0
при τ → ∞, т.е. при увеличении сдвига между сечениями
корреляционная функция затухает
На рисунке показаны а) неэргодический и б) эргодический СП
На практике (чаще всего) мы вынуждены принимать гипотезу о
стационарности и эргодичности гидрологических процессов, чтобы по
имеющемуся раду судить о всей генеральной совокупности
Элементарные случайные процессы
Элементарный СП (э.с.п) – это такая функция аргумента t, длякоторой зависимость от t представлена обычной неслучайной функцией,
в которую в качестве аргумента входит одна или несколько обычных СВ
То есть каждая СВ порождает свою реализацию СП
К примеру, если в каком – то створе ветвь спада половодья является
устойчивой и описывается уравнением
Q(t) = Qнe-at
a - районный параметр (a>0)
Qн - расход воды в начальный момент времени t = t0
то процесс спада половодья можно считать э.с.п., где a - неслучайная
величина, Qн -случайная величина
Основные задачи
Можно выделить два основных вида задач, решение которых требует использования теории случайных функций.
Прямая задача {анализ): заданы параметры некоторого устройства и его вероятностные характеристики (математические ожидания, корреляционные функции, законы распределения) поступающей на его «вход» функции (сигнала, процесса); требуется определить характеристики на «выходе» устройства (по ним судят о «качестве» работы устройства).
Обратная задача {синтез): заданы вероятностные характеристики «входной» и «выходной» функций; требуется спроектировать оптимальное устройство (найти его параметры), осуществляющее преобразование заданной входной функции в такую выходную функцию, которая имеет заданные характеристики. Решение этой задачи требует кроме аппарата случайных функций привлечения и других дисциплин и в настоящей книге не рассматривается.
Определение случайной функции
Случайной функцией называют функцию неслучайного аргумента t, которая при каждом фиксированном значении аргумента является случайной величиной. Случайные функции аргумента t обозначают прописными буквами X{t), Y{t) и т.д.
Например, если U - случайная величина, то функция Х{!)=С U - случайная. Действительно, при каждом фиксированном значении аргумента эта функция является случайной величиной: при t { = 2
получим случайную величину Х х = AU, при t 2 = 1,5 - случайную величину Х 2 = 2,25 U и т.д.
Для краткости дальнейшего изложения введем понятие сечения.
Сечением случайной функции называют случайную величину, соответствующую фиксированному значению аргумента случайной функции. Например, для случайной функции X(t) = t 2 U, приведенной выше, при значениях аргумента 7, = 2 и t 2 = 1,5 были получены соответственно случайные величины X { = AUn Х 2 = 2,2577, которые и являются сечениями заданной случайной функции.
Итак, случайную ф у н к ц и ю можно рассматр и - вать как совокупность случайных величин {Х(?)}, зависящих от параметра t. Возможно и другое истолкование случайной функции, если ввести понятие ее реализации.
Реализацией (траекторией , выборочной функцией) случайной функции X(t) называют неслучайную функцию аргумента t , равной которой может оказаться случайная функция в результате испытания.
Таким образом, если в опыте наблюдают случайную функцию, то в действительности наблюдают одну из возможных ее реализаций; очевидно, при повторении опыта будет наблюдаться другая реализация.
Реализации функции X(t) обозначают строчными буквами x t (t) t x 2 (t) и т.д., где индекс указывает номер испытания. Например, если X(t) = (/sin t, где U - непрерывная случайная величина, которая в первом испытании приняла возможное значение и { = 3, а во втором испытании и 2 = 4,6, то реализациями X(t) являются соответственно неслучайные функции х { (t ) = 3sin t и х 2 (t) = 4,6sin t.
Итак, случайную функцию можно рассматривать как совокупность ее возможных реализаций.
Случайным (стохастическим ) процессом называют случайную функцию аргумента t, который истолковывается как время. Например, если самолет должен лететь с заданной постоянной скоростью, то в действительности вследствие воздействия случайных факторов (колебание температуры, изменение силы ветра и др.), учесть влияние которых заранее нельзя, скорость изменяется. В этом примере скорость самолета - случайная функция от непрерывно изменяющегося аргумента (времени), т.е. скорость есть случайный процесс.
Заметим, что если аргумент случайной функции изменяется дискретно, то соответствующие ему значения случайной функции (случайные величины) образуют случайную последовательность.
Аргументом случайной функции может быть не только время. Например, если измеряется диаметр ткацкой нити вдоль ее длины, то вследствие воздействия случайных факторов диаметр нити изменяется. В этом примере диаметр - случайная функция от непрерывно изменяющегося аргумента (длины нити).
Очевидно, задать случайную функцию аналитически (формулой), вообще говоря, невозможно. В частных случаях, если вид случайной функции известен, а определяющие ее параметры - случайные величины, задать ее аналитически можно. Например, случайными являются функции:
X{t) = sin Qf, где Q - случайная величина,
X(t) = Г/sin t, где U - случайная величина,
X(t) = Г/sin Qt, где О. и .
В частности, при Y==0 получим D z (t )= M [| (t )|] 2 =D x (t ), т. е. требование (**) выполняется.
Учитывая, что математическое ожидание суммы равно сумме математических ожиданий слагаемых, имеем
D z (t )=M [| (t )| 2 ]= M {[ (t )] 2 + [ (t ) 2 ]}= M [ (t )] 2 +M [ (t ) 2 ]= D x (t )+D y (t ).
Итак,дисперсия комплексной случайной функции равна сумме дисперсий ее действительной и мнимой частей:
D z (t )=D x (t )+D y (t ).
Известно, что корреляционная функция действительной случайной функции Х (t ) при разных значениях аргументов равна дисперсии D x (t ). Обобщим определение корреляционной функции на комплексные случайные функции Z (t ) так, чтобы при равных значениях аргументов t 1 =t 2 =t корреляционная функция K z (t , t ) была равна дисперсии D z (t ), т. е. чтобы выполнялось требование
K z (t , t )=D z (t ). (***)
Корреляционной функцией комплексной случайной функции Z (t ) называют корреляционный момент сечений (t 1)и (t 2)
K z (t 1 , t 2)= M .
В частности, при равных значениях аргументов
K z (t , t )= M =M [| | 2 ]= D z (t ).
т. е. требование (***) выполняется.
Если действительные случайные функции Х (t ) и Y (t )коррелированы, то
K z (t 1 , t 2)= K x (t 1 , t 2)+K y (t 1 , t 2)+ [R xy (t 2 ,t 1)]+ [ R xy (t 1 ,t 1)].
если Х (t ) и Y (t ) не коррелированы, то
K z (t 1 , t 2)= K x (t 1 , t 2)+K y (t 1 , t 2).
Обобщим определение взаимной корреляционной функции на комплексные случайные функции Z 1 (t )=Х 1 (t )+ Y 1 (t )i и Z 2 (t )=Х 2 (t )+ Y 2 (t )i так, чтобы, в частности, при Y 1 =Y 2 = 0 выполнялось требование
Взаимной корреляционной функцией двух комплексных случайных функций называют функцию (неслучайную)
В частности, при Y 1 =Y 2 =0 получим
т. е. требование (****) выполняется.
Взаимная корреляционная функция двух комплексных случайных функций выражается через взаимные корреляционные функции их действительных и мнимых частей следующей формулой:
Задачи
1. Найти математическое ожидание случайных функций:
a) X (t )=Ut 2 , где U- случайная величина, причем M (U )=5 ,
б ) Х (t )=U cos2t+Vt , где U и V- случайные величины, причем M (U )=3 , M (V )=4 .
Отв. а) m x (t)=5t 2 ; б) т x (t)=3 cos2t+4t.
2. К х (t 1 ,t 2) случайной функции X (t ). Найти корреляционные функции случайных функций:
a) Y (t )=X (t )+t; б) Y (t )=(t +1)X (t ); в) Y (t )=4X (t ).
Отв. a) К y (t 1 ,t 2)= К х (t 1 ,t 2); б) К y (t 1 ,t 2)=(t 1 +1)(t 2 +1) К х (t 1 ,t 2); в) К y (t 1 ,t 2)=16 К x (t 1 ,t 2)=.
3. Задана дисперсия D x (t ) случайной функции Х (t ). Найти дисперсию случайных функций: a) Y (t )=Х (t )+e t б ) Y (t )=tX (t ).
Отв . a) D y (t )=D x (t ); б) D y (t )=t 2 D x (t ).
4. Найти: а) математическое ожидание; б) корреляционную функцию; в) дисперсию случайной функции Х (t )=Usin 2t , где U- случайная величина, причем M (U )=3 , D (U )=6 .
Отв . а)m x (t ) =3sin 2t; б) К х (t 1 ,t 2)= 6sin 2t 1 sin 2t 2 ; в) D x (t )=6sin 2 2t .
5. Найти нормированную корреляционную функцию случайной функции X (t ), зная ее корреляционную функцию К х (t 1 ,t 2)=3cos (t 2 -t 1).
Отв. ρ x (t 1 ,t 2)=cos(t 2 -t 1).
6. Найти: а) взаимную корреляционную функцию; б) нормированную взаимную корреляционную функцию двух случайных функций X (t )=(t +1)U , и Y(t )= (t 2 + 1)U , где U- случайная величина, причем D (U )=7.
Отв . a) R xy (t 1 ,t 2)=7(t 1 +l)(t 2 2 +l); б) ρ xy (t 1 ,t 2)=1.
7. Заданы случайные функции Х (t )= (t- 1)U и Y (t )=t 2 U , где U и V - некоррелированные случайные величины, причем M (U )=2, M (V )= 3, D (U )=4 , D (V )=5 . Найти: а) математическое ожидание; б) корреляционную функцию; в) дисперсию суммы Z (t )=X (t )+Y (t ).
Указание. Убедиться, что взаимная корреляционная функция заданных случайных функций равна нулю и, следовательно, Х (t ) и Y (t ) не коррелированы.
Отв . а) m z (t )=2(t - 1)+3t 2 ; б) К z (t 1 ,t 2)=4(t 1 - l)(t 2 - 1)+6t 1 2 t 2 2 ; в) D z (t )=4(t - 1) 2 +6t 4 .
8. Задано математическое ожидание m x (t )=t 2 +1 случайной функции Х (t ). Найти математическое ожидание ее производной.
9. Задано математическое ожидание m x (t )=t 2 +3 случайной функции Х (t ). Найти математическое ожидание случайной функции Y (t )=tХ" (t )+t 3 .
Отв. m y (t)=t 2 (t+2).
10. Задана корреляционная функция К х (t 1 ,t 2)= случайной функции X (t ). Найти корреляционную функцию ее производной.
11. Задана корреляционная функция К х (t 1 ,t 2)= случайной функции Х (t ). Найти взаимные корреляционные функции.
