2022年随机过程知识点 .pdf
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1、随机过程复习1 第一章:预备知识 1.1概率空间随机试验,样本空间 记为。定义 1.1设是一个集合,F 是的某些子集组成的集合族。如果(1)F;(2)A若F,AA则F;(3)若nAF,21n,则1nnAF;则称 F 为代数(Borel 域)。(,F)称为 可测空间,F 中的元素称为事件。由定义易知:.216,)5)4(111FAAAiFAFBAFBAFiiniiniii,则,)若(;则若(;定义 1.2 设(,F)是可测空间,P()是定义在F上的实值函数。如果1121,31210,)1(iiiijiAPAPAAjiAAPAPFA有时,当)对两两互不相容事件(;)(;任意则称 P是F,上的概率,
2、(PF,)称为 概率空间,P(A)为事件 A的概率。定义 1.3设(PF,)是概率空间,FG,如果对任意GAAAn,21,,2,1n有:,11niiniiAPAP则称G为独立事件族。1.2 随机变量及其分布随机变量X,分布函数)(xF,n 维随机变量或 n 维随机向量,联合分布函数,TtXt,是独立 的。1.3随机变量的数字特征定义 1.7设随机变量X的分布函数为)(xF,若)(|xdFx,则称)(XE)(xxdF为 X的数学期望 或 均值。上式右边的积分称为Lebesgue-Stieltjes积分。方差,EYYEXXEBXY为 X、Y 的协方差,而DYDXBXYXY为 X、Y的相关系数。若,
3、0XY则称 X、Y 不相关。(Schwarz 不等式)若,22EYEX则.222EYEXEXY 1.4 特征函数、母函数和拉氏变换定义 1.10 设随机变量的分布函数为F(x),称()(),jtXjtxg tE ee dFxt名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 19 页 -随机过程复习2 为 X 的特征函数随机变量的特征函数具有下列性质:(1)(0)1,()1,()()gg tgtg t1(2)g(t)在,上一致连续。(3)()(0)()kkkgi E X(4)若12,nXXXL是相互独立的随机变量,则12nXXXXL的特征函数12()()()()ng tg t gt
4、gtL,其中()ig t是随机变量Xi的特征函数,1,2,inL.定义 1.11 设12(,)nXXXXL是 n 维随机变量,t=(12,nt ttL),R则称121()(,)()exp()nitXnkkkg tg t ttE eEit XL,为 X 的特征函数。定义 1.12设 X是非负整数值随机变量,分布列,2,1,kxXPpkk则称)()(XdefsEsPkkksP0为 X的母函数。1.5 n维正态分布定义 1.13 若 n 维随机变量),(21nXXXX的联合概率密度为)()(21exp)2(1),()(12/2/21TnnnaxBaxBxxxfxf式中,),(21naaaa是常向量,
5、nnijbB)(是正定矩阵,则称X为 n 维正态随机变量或服从n 维正态分布,记作),(BaNX。可以证明,若),(BaNX,则X的特征函数为21exp),()(21tiBtiatttgtgn为了应用的方便,下面,我们不加证明地给出常用的几个结论。性质 1 若),(BaNX则nlbBaXEklXXkklk,2,1,)(。性质2 设),(BaNX,XAY,若BAA正定,则),(BAAaANY。即正态随机变量的线性变换仍为正态随机变量。性质 3 设),(4321XXXXX是四维正态随机变量,4,3,2,1,0)(kXEk,则)()()()()()()(3241423143214321XXEXXEX
6、XEXXEXXEXXEXXXXE 1.6 条件期望给定 Y=y 时,X 的条件期望定义为dxyxxfyxxdFyYXE)|()|()|(由此可见除了概率是关于事件Y=y 的条件概率以外,现在的定义与无条件的情况完全一样。E(X|Y=y)是 y 的函数,y 是 Y 的一个可能值。若在已知Y 的条件下,全面地考虑X 的均值,需要以Y 代替 y,E(X|Y)是随机变量Y 的函数,也是随机变量,称为X 在 Y 下的条件期望。条件期望在概率论、数理统计和随机过程中是一个十分重要的概念,下面我们介绍一个极其有用的性质。性质若随机变量X 与 Y 的期望存在,则)()|()|()(ydFyYXEYXEEXEY
7、-(1)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 19 页 -随机过程复习3 如果 Y 是离散型随机变量,则上式为yyYPyYXEXE)|()(如果 Y 是连续型,具有概率密度f(x),则(1)式为dyyfyYXEXE)()|()(第二章随机过程的概念与基本类型2.1 随机过程的基本概念定义 2.1设(PF,)是概率空间,T是给定的参数集,若对每个tT,有一个随机变量X(t,e)与之对应,则称随机变量族),(TtetX是(PF,)的随机过程,简记为随机过程),(TttX。T称为参数集,通常表示时间。通常将随机过程),(TtetX解释为一个物理系统。X(t)表示在时刻t所处的
8、状态。X(t)的所有可能状态所构成的集合称为状态空间或相空间,记为I。从数学的观点来说,随机过程),(TtetX是定义在T上的二元函数。对固定的t,X(t,e)是定义在T上的普通函数,称为随机过程),(TtetX的一个 样本函数 或轨道,样本函数的全体称为样本函数的空间。2.2 随机过程的函数特征tX=X(t),tT 的有限维分布函数族。有限维特征函数族:1,:),(2121,1nTtttgnnttn其中:)(exp),(121,1knkkntttxiEgn定义 2.3设tX=X(t),tT 的 均值函数deftmX)()(tXE,Tt。二阶矩过程,协方差函数:T,)()(),()(2ttmt
9、XEdefttBtDXXX相关函数:),(tsRX)()(tXsXE定义 2.4设X(t),tT,Y(t),tT是两个二阶矩过程,互协方差函数,互相关函数。2.3 复随机过程定义2.5设,TtXt,,TtYt是取实数值的两个随机过程,若对任意TttttiYXZ,其中1i,则称,TtZt为复随机过程 定理2.2复随机过程,TtXt的协方差函数),(tsB具有性质(1)对称性:),(),(stBtsB;(2)非负定性2.4 几种重要的随机过程一、正交增量过程名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 19 页 -随机过程复习4 定义 2.6 设tt,是零均值的二阶矩过程,若对任意
10、的,4321tttt有公式03412tttt,则称t正交增量过程。tstsRts,min,2二、独立增量过程定义 2.7 设tt,是随机过程,若对任意的正整数n和,21nttt随机变量12312,nntttttt是互相独立的,则称tt,是独立增量过程,又称可加过程。定义 2.8 设tt,是平稳独立增量过程,若对任意,ts随机变量st的分布仅依赖于st,则称tt,是平稳独立增量过程。三、马尔可夫过程定 义2.9设TttX,为 随 机 过程,若对任 意正 整数n及nttt,21,0,)(1111nnxtXxtXP,且其条件分布1111,|)(nnnnxtXxtXxtXP=11|)(nnnnxtXx
11、tXP,(2.6)则称TttX,为马尔可夫过程。四、正态过程和维纳过程定义 2.10 设TttX,是 随 机 过 程,若对任意正 整 数n和Tttt,21,(,21tXtX,ntX)是n维正态随机变量,则称TttX,是正态过程或高斯过程。定义 2.11 设ttW),(为随机过程,如果(1)0)0(W;(2)它是独立、平稳增量过程;(3)对ts,,增量0,|,0)()(22stNsWtW,则称ttW),(为维纳过程,也称布朗运动过程。定理2.3 设ttW),(是参数为2的维纳过程,则(1)任意t),(,|,0)(2tNtW;(2)对任意tsa,),min()()()()(2atasaWtWaWs
12、WE,特别:tstsRw,min,2。五、平稳过程定 义2.12 设TttX,是 随 机 过 程,如 果 对 任 意 常 数和 正 整 数,n当nntttt,11时,nttt,21与nttt,21有相同的联合分布,则称TttX,为严平稳过程,也称 狭义平稳过程。定义 2.13 设TttX,是随机过程,如果(1)TttX,是二阶矩过程;名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 19 页 -随机过程复习5(2)对于任意ttmt,常数;(3)对任意的stRtsRts,,则称TttX,为广义平稳过程,简称为平稳过程。若 T 为离散集,则称平稳过程TttX,为平稳序列。第三章泊松过程
13、.1 泊松过程的定义和例子定义 3.1计数过程定义 3.2称计数过程 0),(ttX为具有参数0 的泊松过程,若它满足下列条件(1)X(0)=0;(2)X(t)是独立增量过程;(3)在任一长度为t 的区间中,事件A 发生的次数服从参数t0 的泊松分布,即对任意 s,t0,有)1.3(),2,1,0(,!)()()(nntensXtsXPnt注意,从条件(3)知泊松过程是平稳增量过程且ttXE)(。由于,ttXE)(表示单位时间内事件A 发生的平均个数,故称为此过程的 速率 或强度。定义 3.3称计数过程0),(ttX为具有参数0 的泊松过程,若它满足下列条件(1)X(0)=0;(2)X(t)是
14、独立、平稳增量过程;(3)X(t)满足下列两式:)(2)()(),(1)()(hotXhtXPhohtXhtXP(3.2)定理 3.1定义 3.2 与定义 3.3 是等价的。3.2 泊松过程的基本性质一、数字特征设0),(ttX是泊松过程,stmsmtsRtsBtstXsXEtsRttXDtttXEtmXxXXXXX)()(),(),()1()()(),()()()()(2一般泊松过程的有),min(),(tstsBX。有特征函数定义,可得泊松过程的特征函数为)1(exp)()(iutiuXXeteEug二、时间间隔与等待时间的分布nW为第 n 次事件 A 出现的时刻或第n 次事件 A 的等待
15、时间,nT是第 n 个时间间隔,它们都是随机变量。定理 3.2设0),(ttX是具有参数的泊松分布,)1(nTn是对应的时间间隔序列,则随机变量),2,1(nTn是独立同分布的均值为/1的指数分布。定理3.3设 1,nWn是与泊松过程0),(ttX对应的一个等待时间序列,则nW服从参数为n 与的分布,其概率密度为名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页,共 19 页 -随机过程复习6 0,00,)!1()()(1ttntetfntWn三、到达时间的条件分布定理 3.4设0),(ttX是泊松过程,已知在0,t内事件 A 发生 n 次,则这 n 次到达时间nWWW21与相应于n 个
16、 0,t上均匀分布的独立随机变量的顺序统计量有相同的分布。3.3 非齐次泊松过程定义 3.4称计数过程(),0X tt为具有跳跃强度函数()t的非齐次泊松过程,若它满足下列条件:(1)(0)0X;(2)()X t是独立增量过程;(3)()()1()()()()2()P X thX tt ho hP X thX to h非齐次泊松过程的均值函数为:0()()tXmts ds定理3.5设(),0X tt是具有均值函数0()()tXmts ds的非齐次泊松过程,则有()()exp,(0)!()()()()XXntstXXmmnnP X tsX tnmtsmt或()exp()!()XntXmtnP X
17、 tnm上式表明()()P X tsX tn 不仅是t的函数,也是s的函数。3.4 复合泊松过程定义3.5 设 0),(ttN是强度为的泊松过程,,.2,1,kYk是一列独立同分布随机变量,且与0),(ttN独立,令,0)()(1tktxYtNk则称0),(ttX为复合泊松过程。定理 3.6设,0)()(1tktxYtNk是复合泊松过程,则(1)。0),(ttX是独立增量过程;(2)X(t)的特征函数1)(exp)()(ugtugYtX,其中)(ugY是随机变量1Y的特征函数;是事件的到达率。(3)若,)(21YE则.)(,)(211YtEtXDYtEtXE第 4 章马尔可夫链4.1 马尔可夫
18、链的概念及转移概率一、马尔可夫键的定义定义1设有随机过程,TnXn,若对于任意的整数Tn和任意的Iiiin 110,,条件概率满足名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页,共 19 页 -随机过程复习7,11110011nnnnnnnniXiXPiXiXiXiXP则称,TnXn为马尔可夫链,简称马氏链。二、转移概率定义 2 称条件概率1()|ijnnpnP XjXi为马尔可夫链,TnXn在时刻 n 的一步转移概率,其中Iji,,简称为转移概率。定义3若对任意的Iji,,马尔可夫链,TnXn的转移概率)(npij与 n 无关,则称马尔可夫链是齐次的,并记)(npij为ijp。定义
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