随机过程的基本概念和基本类型ppt课件.ppt
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1、 第2章 随机过程的基本 概念和基本类型2.1 基本概念在概率论中,我们研究了随机变量,在概率论中,我们研究了随机变量,n维随机向量。维随机向量。 在极限定理中,我们研究了无穷多个随机变量在极限定理中,我们研究了无穷多个随机变量,但局限但局限在它们相互独立的情形。在它们相互独立的情形。 将上述情形加以推广,将上述情形加以推广, 即研究即研究一族无穷多个、相互有关的随机变量,一族无穷多个、相互有关的随机变量, 这就是随机过程。这就是随机过程。定义定义2.12.1:设设),(P是一概率空间,是一概率空间, 对每一个参数对每一个参数Tt, ),(tX是一定义在概率空间是一定义在概率空间),(P 上的
2、随机上的随机变量,变量, 则称随机变量族则称随机变量族);,(TttXXT 为该概率为该概率空间上的一随机过程。空间上的一随机过程。T称为参数集。称为参数集。随机过程的两种描述方法:随机过程的两种描述方法:用映射表示用映射表示,TXRTtX :),( ),( X T即即是一定义在是一定义在上的二元单值函数,上的二元单值函数, ,Tt ),( tX固定固定是一定义在样本空间是一定义在样本空间 上的函数,上的函数, 即为一随机变量;即为一随机变量;对于固定的对于固定的,0 ),(0 tX是一个是一个关于参数关于参数Tt 的函数,的函数,或称随机或称随机过程的一次实现。过程的一次实现。记号记号通常称
3、为样本函数,通常称为样本函数,),( tX有时记为有时记为)( tX或简记为或简记为).(tX参数参数T一般表示时间或空间。一般表示时间或空间。参数常用的一般有:参数常用的一般有:(1)(2), 2, 1, 0 T,baT (3), 2 , 1 , 00 NT时间时间此时称之为随机序列或此时称之为随机序列或0)(. nnX,随机序列写为随机序列写为序列序列., 1 , 0, nXn或或.,0 可以取可以取或或可以取可以取其中其中ba当参数取可列集时,当参数取可列集时, 一般称随机过程为随机序列。一般称随机过程为随机序列。随机过程随机过程);(TttX 可能取值的全体所构成的集合可能取值的全体所
4、构成的集合称为此随机过程的状态空间,记作称为此随机过程的状态空间,记作S. S中的元素中的元素称为状态。状态空间可以由复数、实数或更一般的称为状态。状态空间可以由复数、实数或更一般的抽象空间构成。抽象空间构成。同同的的类类:的的不不同同过过程程可可以以分分成成不不和和根根据据ST参数空间分类:参数空间分类: 0|2 , 1 , 0ttTT如如连续参数连续参数如如离散参数离散参数状态空间分类:状态空间分类: 取值是连续的取值是连续的连续状态连续状态取值是离散的取值是离散的离散状态离散状态SS随机过程分为以下四类:随机过程分为以下四类:(1)离散参数离散型随机过程;离散参数离散型随机过程;(2)连
5、续参数离散型随机过程;连续参数离散型随机过程;(3)连续参数连续型随机过程;连续参数连续型随机过程;(4)离散参数连续型随机过程。离散参数连续型随机过程。以随机过程的统计特征或概率特征的分类,一般有以随机过程的统计特征或概率特征的分类,一般有:独立增量过程;独立增量过程;Markov过程;过程;二阶矩过程;二阶矩过程;平稳过程;平稳过程;更新过程;更新过程;Poission过程;过程;维纳过程。维纳过程。鞅;鞅; 随机过程举例随机过程举例例例2.1 .)()(,1机游动机游动就是直线上的随就是直线上的随时刻在路上的位置,则时刻在路上的位置,则他在他在记记以以相同)相同)后退一步(假设其步长后退
6、一步(假设其步长以概率以概率前进一步,前进一步,概率概率一醉汉在路上行走,以一醉汉在路上行走,以随机游动:随机游动:tXttXpp 例例2.2 抛掷一枚硬币,样本空间为抛掷一枚硬币,样本空间为,THS 定义:定义: 时时当当出出现现,时时当当出出现现T2H,cos)(tttX ),( t, 2/1 TPHP其中其中是一是一则则),(, )( ttX随机过程。随机过程。例例2.3 运动。运动。则它是平面上的则它是平面上的位置,位置,为粒子在平面坐标上的为粒子在平面坐标上的碰撞的结果。记碰撞的结果。记动。同时分子大量随机动。同时分子大量随机运运来称为来称为则的运动,这种运动后则的运动,这种运动后子
7、不断进行无规子不断进行无规漂浮在液面上的微小粒漂浮在液面上的微小粒注意到注意到英国植物学家英国植物学家运动:运动:BrowntYtXBrownBrownBrown)(),( 2.2 有限维分布与有限维分布与Kolmogvrov定理定理一、随机过程的分布函数一、随机过程的分布函数 1. 一维分布函数一维分布函数是一随机过程,称是一随机过程,称设设)(tX)(),()(xtXPxtFxFt .)(的一维分布函数的一维分布函数称为称为tX , 0),( xtf若若 xtdyytfxtFxF-),(),()(使得使得.)(),(的的一一维维概概率率密密度度为为则则称称tXxtf 2. 二维分布函数二维
8、分布函数),()(),(2121TtttXtX 设设二二维维随随机机向向量量)(,)(),(),(2211212121,21xtXxtXPxxttFxxFtt .),(2121为为二二维维概概率率密密度度则则称称xxttf的分布函数。的分布函数。称为二维随机向量称为二维随机向量)(),(21tXtX, 0),(2121 xxttf若若),(),(212121,21xxttFxxFtt 21-212112),(dydyyyttfxx 3. n维分布函数维分布函数.),;,(11维维概概率率密密度度为为则则称称nxxttfnn的联合分布函数为的联合分布函数为维随机向量维随机向量)(,),(),(2
9、1ntXtXtXn),;,(),(111,1nnnttxxttFxxFn )(,)(11nnxtXxtXP , 0),;,(11 nnxxttf若若),;,(),(111,1nnnttxxttFxxFn nxxnndydyyyttfn1-111),;,( .)(,),(),(21维分布函数维分布函数的的维随机向量维随机向量称为称为ntXtXtXnn 4. 有限维分布族有限维分布族),(1,1nttxxFn )(,)(11nnxtXxtXP :维分布函数的全体维分布函数的全体,一维、二维,一维、二维,n 称为有限维分布族称为有限维分布族1,),(11,1 nTttxxFnnttn, 5. 有限维
10、分布族的性质有限维分布族的性质 (1) 对称性对称性),;,(),(1111,nnnnjjjjjjjjttxxttFxxF )(,)(11nnjjjjxtXxtXP ),;,(11nnxxttF (2) 相容性相容性有有对于对于nm ),(1,11 mttttxxFnjmjmjj),(1,1mttxxFmjj 注注1:随机过程的统计特性完全由它的有限维分:随机过程的统计特性完全由它的有限维分 布族决定。布族决定。注注2:有限维分布族与有限维特征函数族相互唯有限维分布族与有限维特征函数族相互唯 一确定。一确定。问题:问题:一个随机过程一个随机过程是否描述了该过程的全部概率特性?是否描述了该过程的
11、全部概率特性?);(TttX 的有限维分布族,的有限维分布族,定理:定理:(Kolmogorov存在性定理)存在性定理)设分布函数族设分布函数族1,),(11,1 nTttxxFnnttn,满足以上提到的对称性和相容性满足以上提到的对称性和相容性,则必有一随机过程则必有一随机过程,);(TttX 1,),( 11,1 nTttxxFnnttn,使使恰好是恰好是);(TttX 的有限维分布族,即:的有限维分布族,即:),(1,1nttxxFn)(,)(11nnxtXxtXP 定理说明定理说明:);(TttX );(TttX 的有限维分布族包含了的有限维分布族包含了的所有概率信息。的所有概率信息。
12、例例2.4 对应随机变量对应随机变量一个确定的一个确定的任取一球后放回,对每任取一球后放回,对每袋中袋中红球,每隔单位时间从红球,每隔单位时间从袋中有一个白球,两个袋中有一个白球,两个t 时取得白球时取得白球如果对如果对时取得红球时取得红球如果对如果对tetttXt3)(.维分布函数族维分布函数族试求这个随机过程的一试求这个随机过程的一例例2.5 是相同的。是相同的。设出现正面反面的概率设出现正面反面的概率出现反面出现反面,出现正面出现正面义一个随机过程义一个随机过程利用抛掷硬币的试验定利用抛掷硬币的试验定RttttX 2,cos)(. ).1 ;()21;()()2()()1(11xFxFt
13、XtX和和的以为分布函数的以为分布函数写出写出););的所有样本函数(实现的所有样本函数(实现写出写出特特征征。来来刻刻画画随随机机过过程程的的概概率率征征了了用用随随机机过过程程的的某某些些特特能能的的。因因此此,人人们们想想到到可可全全部部有有限限维维分分布布族族是是不不中中,要要知知道道随随机机过过程程的的题题完完整整描描述述,但但在在实实际际问问是是随随机机过过程程概概率率特特征征的的有有限限维维分分布布族族定定理理说说明明,随随机机过过程程的的Kolmogorov二、随机过程的数字特征二、随机过程的数字特征1. 均值函数均值函数随机过程随机过程);(TttX (假设是存在的)(假设是
14、存在的)的均值函数定义为:的均值函数定义为:)()()(tXEtmtX 的的摆摆动动中中心心。)在在时时刻刻平平均均,它它表表示示随随机机过过程程的的函函数数值值的的的的所所有有样样本本函函数数在在时时刻刻是是注注:ttXttXtm()()(2. 方差函数方差函数随机过程随机过程);(TttX 的的方差方差函数定义为:函数定义为:)()()()()(22tmtXEttXEtXDX 的偏离程度。的偏离程度。对于均值对于均值在各个时刻在各个时刻表示表示)均方差函数均方差函数:注注)()()(1tmttXtDt 3. (自自)协方差函数协方差函数是二阶矩过程。是二阶矩过程。称称若若:注注)(,)(,
15、22tXtXETt 的的二二阶阶中中心心混混合合矩矩,的的状状态态,)()(,)(2121tXtXTtttX )()()()(),(221121tmtXtmtXEttX 协协方方差差函函数数。的的自自协协方方差差函函数数,简简称称)(tX时,时,当当21tt ),()()(tttXVartXDX 2)()(tmtXE 2)()(tXEtXE 22)()(tXEtXE 4. (自自)相关函数相关函数的的二二阶阶原原点点混混合合矩矩,的的状状态态,)()(,)(2121tXtXTtttX )()(),(2121tXtXEttRX 关函数。关函数。的自相关函数,简称相的自相关函数,简称相)(tX时,
16、时,当当:注注0)()(1 tmtXE),(),(2121ttttRXX )()(-),(),(2212121tmtmttRttXX :注注时的线性相关程度。时的线性相关程度。和和时刻时刻在在反映了随机过程反映了随机过程及及:注注212121)(),(),(3tttXttRttXX 们的线性关系。们的线性关系。或互相关函数来描述它或互相关函数来描述它,要引进互协方差函数,要引进互协方差函数对两个随机过程的关系对两个随机过程的关系:注注45. (互互)协方差函数协方差函数则则称称是是两两个个二二阶阶矩矩过过程程,设设)()(TttYTttX )()()()(),(221121tmtYtmtXEt
17、tYXXY 的的互互协协方方差差函函数数。,)()(tYtX)()(),()(tYEtmtXEtmYX 其中:其中:6. 互相关函数互相关函数)()(),(2121tYtXEttRXY 的的互互相相关关函函数数。,)()(tYtX)()(-),(),(212121tmtmttRttYXXYXY 注:注:7. 互不相关互不相关0),(21 ttXY 若若互互不不相相关关。,称称)()(tYtX互不相关,则互不相关,则注:若注:若)(),(tYtX)()(),(2121tmtmttRYXXY )()()()(2121tYEtXEtYtXE 即即8. 特征函数特征函数)()(exp),;,(1121
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