第十章 随机过程的基本知识优秀课件.ppt

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1、第十章 随机过程的基本知识第1页，本讲稿共55页第一节 随机过程的概念和记号随机过程研究的是随时间变化的随机现象例1：(随机游动)研究一醉汉醉酒后的行走路线，t时刻他所在的位置记作(X(t),Y(t),则(X(t),Y(t),t0为一个(二维)随机过程。特点1：每一时刻t，这个位置是不确定的，有随机性，是随机变量。特点2：整个过程随时间t在不断变化。第一节 随机过程的概念和记号第2页，本讲稿共55页例2：信号干扰电子元器件由于内部微粒子随机热骚动引起的端电压称为热噪声电压。记t时刻的热噪声电压为X(t).则X(t),t0是一个随机过程。特点1：每时刻t,热噪声电压X(t)的取值是随机的，X(t

2、)是随机变量特点2：随时间t的变化，X(t)在延续变化。V(t)V(t)V(t)ttt第3页，本讲稿共55页例3：股票的价格记t时刻股票的价格为Y(t),则Y(t),t0是一个随机过程。图特点1：给定时刻t，股票价格Y(t)不可预测，可以认为是随机变量。特点2：股票价格Y(t)随时间t的变化在不断变化。第4页，本讲稿共55页例4 排队问题记X(t)表示0,t)小时内通过柜台的人数，则X(t),t0是一个随机过程。特点1：在时刻t通过柜台的人数是不确定的，固定t,X(t)是随机变量。特点2：通过柜台的人数X(t)随时间的增加在变化（增加）。第5页，本讲稿共55页随机过程的定义随时间t变化的一族随

3、机变量X(t),t属于T称作随机过程。t称作时间参数。T称作时间参数集。具体的一次实现称作一条样本曲线。t固定,X(t)是随机变量。第6页，本讲稿共55页随机过程的分类按时间参数集进行划分:随机序列：时间参数集T为可数集，则称X(t),t属于T为时间序列。例:股票价格X(t)的时间参数集按日、周计算,可以认为是时间序列。连续时间过程：时间参数集T为连续统，则称过程为连续时间过程。例：热噪声电压第7页，本讲稿共55页随机过程的分类按随机变量的类型划分：1、连续型随机过程若X(t),t属于T在t=t0时所取随机变量X(t0)是连续型，称该过程为连续型随机过程。例：热噪声电压X(t)服从(a,b)上

4、均匀分布2、离散型 当X(t)是离散型，如排队问题是离散型随机过程，t时刻通过的人数X(t)只能取可数个值。据研究，X(t)服从泊松分布。第8页，本讲稿共55页随机过程的意义孤立地研究一个随机变量有时不能满足生活需要。或者说人们对单个随机变量掌握的信息不够多，需要将所有相关的历史信息联系在一起考虑。如股票的价格，人们需要了解过去的价格分布，以帮助我们预测未来。热噪声电压是随机的，从其历史分布状况能够有助于检测它、避开它。第9页，本讲稿共55页第二节 随机过程的统计描述(一)随机过程的分布函数族对于固定的t,X(t)是一个随机变量，考虑X(t)的分布函数(一维分布)，还可以考虑(X(t1),X(

5、t2)的联合分布函数(二维分布)定义：称作随机过程X(t),t属于T的一个n维分布函数。第10页，本讲稿共55页n维分布函数的意义(X(1),X(2)是二维随机变量，它的分布函数就是一个二维分布函数(X(3),X(1/2)也有相应的分布函数二维分布函数可以有无穷多个一个随机过程完全取决于它的有限维分布.第11页，本讲稿共55页例1：设随机过程X(t)=A+Bt,t=0.其中A,B是相互独立的随机变量，都服从正态分布N(0,1)，求X(t)的一维和二维分布。解：1、一维分布 固定t,X(t)=A+Bt 是正态随机变量的线性组合，应服从N(,)E(X(t)=E(A+Bt)=E(A)+tE(B)=0

6、+tx0=0D(X(t)=D(A+Bt)=D(A)+D(tB)=1+t2x1所以X(t)服从N(0,1+t2)分布2、二维分布 对于任意t1,t2,考虑(X(t1),X(t2)是正态随机变量的组合构成，应该服从二维正态分布第12页，本讲稿共55页二维正态分布取决于E(X(t1),E(X(t2),以及协方差矩阵第13页，本讲稿共55页例2：设随机过程X(t)=A cos(t),t实数，其中A是随机变量，其分布律为：PA=1=PA=2=PA=3=1/3求(1)X(t)的一维分布函数(2)二维分布函数第14页，本讲稿共55页X(p/3)X(0)123 1/21/3 0 0 1 01/3 0 3/2

7、0 01/3第15页，本讲稿共55页分布函数1231D1D2D3D4(1,1/2)(2,1)(3,3/2)X1X2第16页，本讲稿共55页(二)随机过程的数字特征1、称作随机过程X(t),t属于T的均值函数。例：设随机过程X(t)=A cos(t),t实数，其中A是随机变量，其分布律为：PA=1=PA=2=PA=3=1/3求X(t)的均值函数解：E(X(t)=E(Acos(t)=cos(t)E(A)E(A)=1x(1/3)+2x(1/3)+3x(1/3)=2所以E(X(t)=2cos(t)数第17页，本讲稿共55页(二)随机过程的数字特征均值函数E(X(t)均方值函数方差函数均方差函数第18页

8、，本讲稿共55页(二)随机过程的数字特征自相关函数自协方差函数第19页，本讲稿共55页作业 P315.1、第20页，本讲稿共55页(二)随机过程的数字特征例设随机过程X(t)=A cos(t),t实数，其中A是随机变量，其分布律为：PA=1=PA=2=PA=3=1/3求X(t)的均方值函数、方差函数以及均方差函数。解：=E(X(t)X(t)=EAAcos(t)cos(t)=cos2(t)E(A2)=cos2(t)(1x1+2x2+3x3)/3=第21页，本讲稿共55页例：设随机过程X(t)=A cos(t),t实数，其中A是随机变量，其分布律为：PA=1=PA=2=PA=3=1/3求X(t)的

9、自相关函数、协方差函数。解：R(t1,t2)=E(X(t1)X(t2)=E(Acos(t1)Acos(t2)=cos(t1)cos(t2)E(A2)=14cos(t1)cos(t2)/3C(t1,t2)=Cov(X(t1),X(t2)=E(X(t1)X(t2)-E(X(t1)E(X(t2)=R(t1,t2)-E(X(t1)E(X(t2)=14cos(t1)cos(t2)/3-2cos(t1)x2cos(t2)=2cos(t1)cos(t2)/3第22页，本讲稿共55页例2：随机相位正弦波其中a,是大于零的常数，随机变量 服从 上的均匀分布，求X(t)的均值函数以及自相关函数。解：连续型随机变量

10、第23页，本讲稿共55页特征函数有什么用？在某些随机过程中，只要知道特征函数，就能够确定这个过程。第24页，本讲稿共55页二阶矩过程与正态过程定义1、若随机过程X(t),t属于T的二阶矩都存在，则称该过程为二阶矩过程。EX2(t)存在 EX(t)-E(X(t)2存在定义2、如果一个随机变量的每一个有限维分布都是正态分布，则称此过程是正态过程。对于正态过程只要知道均值函数和自协方差函数，这个过程就确定了。第25页，本讲稿共55页例：设X(t)=,t是实数，其中A,B相互独立，都服从N(0,)分布，试说明X(t)是正态过程，并求其均值函数和自协方差函数。解：对于任意的t1,t2,tn,考虑任意的实

11、数 ,证服从一维正态分布是独立正态随机变量的线性组合，服从正态分布.故，(X(t1),X(t2),X(tn)服从n维正态分布。X(t)是正态随机过程。第26页，本讲稿共55页第27页，本讲稿共55页二维随机过程设X(t),Y(t)是定义于同一个样本空间S和同一个参数集T上的随机过程，则称(X(t),Y(t)是一个二维随机过程。1、二维随机过程的分布函数称作二维随机过程(X(t),Y(t)的n+m维分布函数。第28页，本讲稿共55页X(t)与Y(t)的独立性两个随机过程X(t),Y(t)相互独立的充要条件任意一个n+m维联合分布函数=n维X(t)的分布函数.m维Y(t)的分布函数第29页，本讲稿

12、共55页二维随机过程的数字特征1、互相关函数2、互协方差函数3、互协方差函数=0，则称两个过程不相关第30页，本讲稿共55页例：X(t),Y(t)已知，设W(t)=X(t)+Y(t),试求W(t)的均值函数及自相关函数。第31页，本讲稿共55页 泊松过程第32页，本讲稿共55页第三节 泊松过程与维纳过程1、独立增量过程例：记寻呼台在0,t)时间内收到的寻呼次数为N(t),则0,2)、2,5)、5,9)时间段内收到的寻呼次数应该相互独立。即N(2)-N(0),N(5)-N(2),N(9)-N(5)相互独立。这类过程称作独立增量过程。定义：如果随机过程X(t),t=0是二阶矩过程，对于任意n,及0

13、=t0t1tn,都有X(t1)-X(t0),X(t2)-X(t1),X(tn)-X(tn-1)相互独立,则称X(t)是独立增量过程。第33页，本讲稿共55页2、时齐性定义：若对于任意的h,s,t,0=s+h=0(非负)取整数值(2)st时，N(s)=N(t)(3)st时，N(t)-N(s)等于(s,t时间段内发生的事件数。称满足以上条件的过程为计数过程。前面寻呼台收到的寻呼次数是计数过程。第35页，本讲稿共55页4、独立增量过程的协方差设X(t)是独立增量过程且X(0)=0,求Cx(s,t)解:记 ,则Y(t)也具有独立增量,且当0=s=0称为泊松过程，如果存在参数 ，使得N(t)满足：(1)

14、N(0)=0 (从0开始计数)(2)过程具有独立增量(3)(短时间内发生一次事件的概率与时间间隔成比例)(4)(短时间内发生2次以上事件的概率非常小)则称N(t)是强度为 的泊松过程，相应质点出现的时刻称作泊松流。第38页，本讲稿共55页定义2、一个计数过程N(t),t=0称为泊松过程，如果存在参数 ,使得N(t)满足：(1)N(0)=0 (从0开始计数)(2)过程具有独立增量(3)任意s,t,第39页，本讲稿共55页6、两个定义的一致性由定义2推定义1：第40页，本讲稿共55页由定义1推定义2证：设t0第41页，本讲稿共55页第42页，本讲稿共55页(拆项)0t第43页，本讲稿共55页t=n

15、个质点到达的时间t=0,t)时间内到达的质点数n=N(t)nFwn(t)=PWnt=1-PN(t)s=0,W(t)-W(s)服从正态分布(3)对于任意t=0,E(W(t)=0(4)W(0)=0第51页，本讲稿共55页维纳过程举例例1：t时刻股票价格设为P(t),则 logP(t)-logP(t-1)服从维纳过程。是随机游动。例2：热噪声电压是一种维纳过程。第52页，本讲稿共55页维纳过程的性质1、维纳过程是齐次增量过程2、维纳过程是正态过程对于任意服从正态分布，过程完全取决于均值函数和方差函数第53页，本讲稿共55页维纳过程的性质均值函数E(W(t)=0方差函数为协方差函数其中 称为维纳过程参数，可以通过试验得到。第54页，本讲稿共55页作业P315 7、8第55页，本讲稿共55页