🗊Презентация Елементи теорії випадкових процесів та їх використання для розв’язування прикладних задач

Презентація на тему: ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРІЇ ВИПАДКОВИХ ПРОЦЕСІВ ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ ДЛЯ РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ПРИКЛАДНИХ ЗАДАЧ

План: План: 1. Означення випадкового процесу, багатовимірна функція розподілу і багатовимірна щільність розподілу. 2. Основні характеристики випадкових процесів (математичне сподівання, дисперсія, середньоквадратичне відхилення). 3. Кореляційна та нормована кореляційна функція випадкового процесу та її властивості. 4. Стаціонарні випадкові процеси та їх характеристики. Спектральний розклад стаціонарних випадкових процесів. Спектральна щільність.

1. Означення випадкового процесу, багатовимірна функція розподілу і багатовимірна щільність розподілу Випадковим процесом X(t) називається процес, значення якого при будь-якому значенні аргументу t є випадковою величиною. Інакше кажучи, випадковий процес являє собою функцію, що у результаті випробування може прийняти той або інший конкретний вид, невідомий заздалегідь. При фіксованому t=t0 X(t0) являє собою звичайну випадкову величину, тобто перетин випадкового процесу в момент t0. Реалізацією випадкового процесу називається детермінована функція , на яку перетворюється випадковий процес  внаслідок випробування, тобто його траєкторія. Кілька реалізацій певного випадкового процесу зображено на рис. 1. Нехай переріз цього процесу при даному t є неперервною випадковою величиною. Тоді випадковий процес  при даному t визначається щільністю ймовірності Очевидно, що щільність імовірності  не є вичерпним заданням випадкового процесу , оскільки вона не виражає залежності між його перерізами в різні моменти часу. Випадковий процес  являє собою сукупність усіх перерізів за всіх можливих значень t, тому для його задання необхідно розглядати багатовимірну випадкову величину  утворену з усіх перерізів цього процесу. Таких перерізів нескінченно багато, але для задання випадкового процесу вдається обмежитись порівняльно невеликою кількістю перерізів.

Випадковий процес має порядок п, якщо він повністю визначається щільністю спільного розподілу  п довільних перерізів процесу, тобто щільністю п-вимірної випадкової величини  де  — переріз випадкового процесу  у момент часу Випадковий процес має порядок п, якщо він повністю визначається щільністю спільного розподілу  п довільних перерізів процесу, тобто щільністю п-вимірної випадкової величини  де  — переріз випадкового процесу  у момент часу

Розрізняють чотири типи випадкових процесів.  Розрізняють чотири типи випадкових процесів.  1). Випадковий процес загального типу: час   - Безперервно та реалізації   - Безперервні.  2). Дискретний випадковий процес: час   - Безперервно та   - Дискретно.  3). Випадкова послідовність:   - Дискретно і   - Безперервні. У літературі випадкові процеси цього типу прийнято називати тимчасовими рядами.  4). Дискретна випадкова послідовність:   - Дискретно і   - Дискретно. 

Функція розподілу ймовірностей випадкового процесу Функція розподілу ймовірностей випадкового процесу При фіксованому t  розподіл мовірностей перерізу    випадкового процесу (як розподіл ймовірностей випадкової величини) задається функцією розподілу ймовірностей  . (1)  Співвідношення (1) можна розглядати при будь-якому t. Функція  , як функція двох змінних x і t, називається одномірної функцією розподілу ймовірностей випадкового процесу . Аргументи x і t прийнято називати відповідно фазової та тимчасової змінними. Більш повно імовірнісні властивості випадкового процесу    описує n- Мірна функція розподілу - Функція розподілу випадкового вектора  :    . (2)  Проте, практичне застосування знаходять лише функції розподілу першого і другого порядків   . Функції більш високих порядків    використовуються тільки в теорії. 

Основні властивості -Мірної функції розподілу ймовірностей випадкового процесу аналогічні властивостям функції розподілу ймовірностей    -Мірного вектора Основні властивості -Мірної функції розподілу ймовірностей випадкового процесу аналогічні властивостям функції розподілу ймовірностей    -Мірного вектора Функція - Неспадними по кожному аргументу 2) Функція  - Неперервна справа по кожному аргументу  3) Функція розподілу симетрична щодо перестановок двох будь-яких пар 4) Для будь-якого цілого 5) Для будь-якого цілого  6)

Щільність розподілу ймовірностей випадкового процесу Щільність розподілу ймовірностей випадкового процесу Якщо має похідну (3) тоді ця похідна називається    -Мірної щільністю розподілу ймовірностей випадкового процесу. Основні властивості щільності  аналогічні властивостям щільності розподілу ймовірностей  -Мірного вектора. Розглянемо основні з них Функція розподілу  визначається через щільність:  2) Щільність   - Невід'ємна функція:  3) Щільність задовольняє умові нормування:  4) Виконується рівність : 5) Щільність - симетрична функція щодо перестановок двох будь-яких пар   6) Щільність визначає ймовірність потрапити значенням випадкового  процесу в задані інтервали: 

2. Основні характеристики випадкових процесів (математичне сподівання, дисперсія, середньоквадратичне відхилення). Випадковий процес може бути заданий числовими характеристиками. Математичним сподіванням випадкового процесу  називається детермінована функція яка за будь-якого значення змінної t дорівнює математичному сподіванню відповідного перерізу випадкового процесу тобто Дисперсією випадкового процесу називається детермінована функція яка за будь-якого значення змінної t дорівнює дисперсії відповідного перерізу випадкового процесу тобто Середнім квадратичним відхиленням випадкового процесу називається арифметичне значення квадратного кореня з його дисперсії, тобто Математичне очікування випадкового процесу характеризує середню траєкторію всіх можливих його реалізацій, а його дисперсія або середнє квадратичне відхилення - розкид реалізацій щодо середньої траєкторії. Уведених вище характеристик випадкового процесу виявляється недостатньо, тому що вони визначаються тільки одномірним законом розподілу. Якщо для випадкового процесу характерно повільна зміна значень реалізацій зі зміною t то для випадкового процесу ця зміна проходить значно швидше. Інакше кажучи, для випадкового процесу характерна тісна імовірнісна залежність між двома його сполученнями I у той час як для випадкового процесу ця залежність між сполученнями I практично відсутній. Зазначена залежність між сполученнями характеризується кореляційною функцією.

3. Кореляційна та нормована кореляційна функція випадкового процесу та її властивості. Кореляційною функцією випадкового процесу Х (t) називається невипадкова функція двох змінних яка при кожній парі змінних дорівнює коваріації відповідних поєднань випадкового процесу Очевидно, для випадкового процесу X кореляційна функція зменшується в міру збільшення різниці значно повільніше, ніж для випадкового процесу Кореляційна функція  характеризує не тільки ступінь тісноти лінійної залежності між двома сполученнями, а й розкид цих поєднань щодо математичного очікування Тому розглядається також нормована кореляційна функція випадкового процесу. Нормованої кореляційної функцією випадкового процесу Х (t) називається функція:

Приклад № 1 Приклад № 1 Випадковий процес визначається формулою де Х - випадкова величина.Знайти основні характеристики цього процесу, якщо РІШЕННЯ: На підставі властивостей математичного сподівання і дисперсії маємо: Кореляційну функцію знайдемо за формулою (3.) Нормовану кореляційну функцію знайдемо за формулою (4.): Випадкові процеси можна класифікувати в залежності від того, плавно або стрибкоподібно змінюються стану системи, в якій вони протікають, звичайно (лічильно) або нескінченно безліч цих станів і т.п. Серед випадкових процесів особливе місце належить Марківському випадковому процесу.

Теорема. Теорема.  Випадковий процес є гільбертовому тоді і тільки тоді, коли існує R для всіх Теорію гільбертовому випадкових процесів називають кореляційної Зауважимо, безліч Т може бути дискретним і континуальним. У першому випадку випадковий процес називають процесом з дискретним часом, у другому - з безперервним часом. Відповідно поєднання можуть бути дискретними і безперервними випадковими величинами. Випадковий процес називається вибірково неправильним, диференційовних і інтегрованим в точці  якщо його реалізація відповідно безупинна, дифференцируема і інтегровна. Випадковий процес називається безперервним: майже, напевно, якщо У середньому квадратичному, якщо За ймовірності, якщо Збіжність в середньому квадратичному позначають також: Виявляється, з вибіркової безперервності слід безперервність майже напевно, з безперервності майже напевно і в середньому квадратичному слід безперервність по ймовірності

Теорема.  Теорема.  Якщо X (t) - Гільбертом випадковий процес, безперервний у середньому квадратичному, то - безперервна функція і має місце співвідношення Теорема.  Гільбертом випадковий процес X (t) безперервний у середньому квадратичному тоді і тільки тоді, коли безупинна його коваріаційна функція ) в точці (t, t). Гільбертом випадковий процес X (t) називається диференційовних в середньому квадратичному, якщо існує випадкова функція така, що тобто, коли Випадкову функцію X (t) будемо називати похідної в середньому квадратичному випадкового процесу X (t) відповідно в точці t або на T.

Теорема.  Теорема.  Гільбертом випадковий процес X (t) диференціюємо в середньому квадратичному в точці t тоді і тільки тоді, коли існує Якщо Гільбертом випадковий процес диференціюємо на Т, то його похідна в середньому квадратичному також є гільбертовому випадковим процесом; якщо вибіркові траєкторії процесу діфференцируєми на Т з імовірністю 1, то з імовірністю 1 їх похідні збігаються з похідними в середньому квадратичному на Т. Теорема.  Якщо X (t) - Гільбертом випадковий процес, то Нехай (0, t) - кінцевий інтервал, 0 <t 1 <... <t n = t - його точки X (t) - Гільбертом випадковий процес Тоді випадкова величина Називається інтегралом в середньому квадратичному процесу X (t) на (0, t) і позначається:

Теорема.  Інтеграл Y (t) в середньому квадратичному існує тоді і тільки тоді, коли коваріаційна функція R (t, t ') гільбертова процесу X (t) неперервна на Т × Т і існує інтеграл Якщо інтеграл в середньому квадратичному функції X (t) існує, то M [Y (t)] = ∫ M [X (τ)] dτ, R Y (t, t ') = ∫ ∫ R (τ, τ') dτdτ ' K y (T, t ') = ∫ ∫ K (τ, τ') dτdτ ‘ Тут R y (t, t ') = M [Y (t) Y (t')], K y (t, t ') = M [Y (t) Y (t')] - коваріаційна і кореляційна функції випадкового процесу Y (t).

Теорема.  Теорема.  Нехай X (t) - Гільбертом випадковий процес з коваріаційною функцією R (t, t '), φ (t) - речова функція і існує інтеграл ∫ ∫ φ (t) φ (t ') R (t, t') dtdt ' Тоді існує в середньому квадратичному інтеграл ∫ φ (t) X (t) dt. Випадкові процеси: X i (t) = V i φ i (t) (i = 1n) Де φ i (t) - задані речові функції V i - Випадкові величини з характеристиками M (V I = 0), D (V I) = D I, M (V i V j) = 0 (i ≠ j) Називають елементарними. Канонічним розкладанням випадкового процесу X (t) називають його подання у вигляді X (t) = m x (t) + Σ V i φ i (t) (t € T) Де V i - коефіцієнти, а φ i (t) - координатні функції канонічного розкладання процесу X (t)

З відносин: З відносин: M (V I = 0), D (V I) = D I, M (V i V j) = 0 (i ≠ j) X (t) = m x (t) + Σ V i φ i (t) (t € T) Слід: K (t, t ') = Σ D i φ i (t) φ i (t') Цю формулу називають канонічним розкладанням кореляційної функції випадкового процесу. У випадку рівняння X (t) = m x (t) + Σ V i φ i (t) (t € T) Мають місце формули: X (t) = m x (t) + Σ V i φ (t) ∫ x (τ) dt = ∫ m x (τ) dτ + Σ V i ∫ φ i (t) dt. Таким чином, якщо процес X (t) представлений його канонічним розкладанням, то похідна і інтеграл від нього також можуть бути представлені у вигляді канонічних розкладань

4. Стаціонарні випадкові процеси та їх характеристики. Спектральний розклад стаціонарних випадкових процесів. Спектральна щільність. Стаціонарні випадкові процеси Випадковий процес Х (t) називають стаціонарним у вузькому сенсі, якщо F (x 1, ..., x n; t 1, ..., t n) = F (x 1, ..., x n; t 1 + Δ, ..., t n + Δ) При довільних n ≥ 1, x 1, ..., x n, t 1, ..., t n; Δ; t 1 € T, t i + Δ € T. Тут F (x 1, ..., x n; t 1, ..., t n) - n-мірний функція розподілу випадкового процесу Х (t). Випадковий процес Х (t) називають стаціонарним у широкому сенсі, якщо m (t) = m (t + Δ), K (t, t ') = K (t + Δ, t' + Δ) (T € T, t '€ T, t + Δ € T), t' + Δ € T) Очевидно, що з стаціонарності у вузькому сенсі слід стаціонарність у широкому сенсі. З формул: m (t) = m (t + Δ), K (t, t ') = K (t + Δ, t' + Δ) (T € T, t '€ T, t + Δ € T), t' + Δ € T) Слід, що для процесу, стаціонарного в широкому сенсі, можна записати m (t) = m x (0) = const; D (t) = K (t, t) = K (0,0) = const; K (t, t ') = K (t - t', 0) = K (0, t '- t)

Таким чином, для процесу, стаціонарного в широкому сенсі, математичне очікування і дисперсія не залежать від часу, а K (t, t ') являє собою функцію вида: Таким чином, для процесу, стаціонарного в широкому сенсі, математичне очікування і дисперсія не залежать від часу, а K (t, t ') являє собою функцію вида: K (t, t ') = k (τ) = k (- τ), τ = t' - t. Видно, що k (τ) - парна функція, при цьому K (0) = В = σ 2; | k (τ) | ≤ k (0); Σ Σ ά i α j k (t i - t j) ≥ 0 Тут D - дисперсія стаціонарного процесу Х (t), α i (I = 1, n) - довільні числа. Перше рівність системи K (0) = В = σ 2; | k (τ) | ≤ k (0); Σ Σ ά i α j k (t i - t j) ≥ 0 випливає з рівняння K (t, t ') = k (τ) = k (- τ), τ = t' - t. Перше рівність K (0) = В = σ 2; | k (τ) | ≤ k (0); Σ Σ ά i α j k (t i - t j) ≥ 0 - простий наслідок нерівності Шварца для перерізів X (t), X (t ') стаціонарного випадкового процесу X (t). Останнє нерівність: K (0) = В = σ 2; | k (τ) | ≤ k (0); Σ Σ ά i α j k (t i - t j) ≥ 0

Отримують наступним чином: Отримують наступним чином: Σ Σ α i α j k (t i - t j) = Σ Σ K (t i, t j) α i α j = Σ Σ M [(α i X i) (α j X j)] = M [(Σ α i X i ) 2] ≥ 0 Враховуючи формулу кореляційної функції похідної dX (t) / dt випадкового процесу, для стаціонарної випадкової функції X (t) отримаємо K 1 (t, t ') = M [(dX (t) / dt) * (dX (t') / dt ')] = δ 2 K (t, t') / δ t δ t '= δ 2 k (t '- t) / δ t δ t' Оскільки δ k (t '- t) / δ t = (δ k (τ) / δτ) * (δτ / δτ) = - δ k (τ) / δτ, δ 2 k (t '- t) / δ t δ t' = - (δ 2 k (τ) / δτ 2) * (δτ / δ t ') = - (δ 2 k (τ) / δτ 2) то K 1 (t, t ') = k 1 (τ) = - (δ 2 k (τ) / δτ 2), τ = t' - t. Тут K 1 (t, t ') і k 1 (τ) - кореляційна функція першої похідної стаціонарного випадкового процесу X (t). Для n-й похідної стаціонарного випадкового процесу формула кореляційної функції має вигляд: K n (τ) = (-1) n * (δ 2 n * k (τ) / δτ 2 n)

Теорема.  Стаціонарний випадковий процес X (t) з кореляційною функцією k (τ)безперервний у середньому квадратичному в точці t € T тоді і тільки тоді, коли Lim k (τ) = k (0) Для доказу запишемо очевидну ланцюжок рівностей: M [| X (t + τ) - X (T) | 2] = M [| X (t) | 2] - 2 M [| X (t + τ) X (t) |] + M [X ( t) 2] = = 2 D -2 k (τ) = 2 [k (0) - k (τ)]. Звідси очевидно, що умова безперервності в середньому квадратичному процесу X (t) в точці t € T Lim M [| X (t + τ) - X (t) | 2] = 0 Має місце тоді і тільки тоді, коли виконується Lim k (τ) = k (0)

Теорема. Теорема. Якщо кореляційна функція k (τ) стаціонарного випадкового процесу X (t) неперервна в середньому квадратичному в точці τ = 0, то вона неперервна в середньому квадратичному в будь-якій точці τ € R 1. Для доказу запишемо очевидні рівності: k (τ + Δ τ) - k (τ) = M [X (t + τ + Δ τ) X (t)] - M [X (t + τ) X (t)] = = M {X (t) [X (t + τ + Δ τ) - X (t + τ)]} Потім, застосовуючи нерівність Шварца до співмножників в фігурної дужки і враховуючи співвідношення: K (t, t ') = k (τ) = k (- τ), τ = t' - t. K (0) = В = σ 2; | k (τ) | ≤ k (0); Σ Σ ά i α j k (t i - t j) ≥ 0 Отримаємо: 0 ≤ [k (τ + Δ τ) - k (τ)] 2 ≤ M [X (t) 2] M [| X (t + τ + Δ τ) - X (t + τ) | 2] = = 2 D [D - k (Δ τ)]. Переходячи до межі при Δ τ → 0 і беручи до уваги умову теореми про безперервність k (τ) в точці τ = 0, а також перше рівність системи K (0) = В = σ 2, знайдемо Lim k (τ + Δ τ) = k (τ) Оскільки тут τ - довільне число, теорему слід вважати доведеною.

Ергодична властивість стаціонарних випадкових процесів Нехай Х (t) - стаціонарний випадковий процес на відрізку часу [0, T] з характеристиками M [X (t)] = 0, K (t, t ') = M [X (t) X (t')] = k (τ), τ = t '- t, (t, t') € T × T. Ергодична властивість стаціонарного випадкового процесу полягає в тому, що за досить тривалої реалізації процесу можна судити про його математичне сподівання, дисперсії, кореляційної функції. Більш строго стаціонарний випадковий процес Х (t) будемо називати ергодичним з математичного очікуванню, якщо Lim M {| (1 / T) ∫ X (t) dt | 2} = 0

Теорема Теорема Стаціонарний випадковий процес Х (t) з характеристиками: M [X (t)] = 0, K (t, t ') = M [X (t) X (t')] = k (τ), τ = t '- t, (t, t') € T × T є ергодичним з математичного очікування тоді і тільки тоді, коли Lim (2 / T) ∫ k (τ) (1 - τ / t) dτ = 0. Для доказу, очевидно, досить переконатися, що справедлива рівність M {(1 / T) ∫ X (t) dt | 2} = (2 / T) ∫ k (τ) (1 - τ / t) dτ Запишемо очевидні співвідношення C = M {| (1 / T)) ∫ X (t) dt | 2} = (1 / T 2) ∫ ∫ k (t '- t) dt' dt = (1 / T) ∫ dt ∫ k ( t '- t) dt'. Вважаючи тут τ = t '- t, dτ = dt' та враховуючи умови (t '= T) → (τ = T - t), (T '= 0) → (τ = - t), отримаємо С = (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (τ) dτ = (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (τ) dτ + (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (τ) dτ = = - (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (τ) dτ - (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (τ) dτ Вважаючи у першому та другому доданків правої частини цієї рівності відповідно τ =-τ ', d τ = - d τ', τ = T-τ ', d τ = - d τ', знайдемо С = (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (τ) dτ + (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (T - τ) dτ Застосовуючи формулу Дирихле для подвійних інтегралів, запишемо С = (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (τ) dτ + (1 / T 2) ∫ dt ∫ k (T - τ) dτ = (1 / T 2) ∫ (T - τ) k (τ) dτ + (1 / T 2) ∫ τk(T - τ) dτ У другому доданку правої частини можна покласти τ '= T-τ, d τ = - d τ', після чого матимемо С = (1 / Т 2) ∫ (Т - τ) k (τ) dτ - (1 / T 2) ∫ (T - τ) k (τ) dτ = 2 / T ∫ (1 - (τ / T) ) k (τ) d τ Звідси і з визначення констант видно, що рівність M {(1 / T) ∫ X (t) dt | 2} = (2 / T) ∫ k (τ) (1 - τ / t) dτ Справедливо.

Теорема Теорема Якщо кореляційна функція k (τ) стаціонарного випадкового процесу X (t) задовольняє умові Lim (1 / T) ∫ | k (τ) | dt = 0 Те X (t) є ергодичним з математичного очікування. Дійсно, з огляду на співвідношення M {(1 / T) ∫ X (t) dt | 2} = (2 / T) ∫ k (τ) (1 - τ / t) dτ Можна записати 0 ≤ (2 / Т) ∫ (1 - τ / t) k (τ) dτ ≤ (2 / T) ∫ (1 - τ / t) | k (τ) | dτ ≤ (1 / T) ∫ | k (τ) | dτ Звідси видно, що якщо виконано умову, то Lim (2 / T) ∫ (1 - τ / T) k (τ) dτ = 0 Тепер, беручи до уваги рівність С = (1 / Т 2) ∫ (Т - τ) k (τ) dτ - (1 / T 2) ∫ (T - τ) k (τ) dτ = 2 / T ∫ (1 - (τ / T) ) k (τ) d τ І умова Lim M {| (1 / T) ∫ X (t) dt | 2} = 0 Ергодичності з математичного очікування стаціонарного випадкового процесу X (t), знаходимо, що необхідна доведено.

Теорема. Теорема. Якщо кореляційна функція k (τ) стаціонарного випадкового процесу X (t) інтегруєма і необмежено убуває при τ → ∞, тобто виконується умова При довільному ε> 0, то X (t) - ергодичною з математичного очікування стаціонарний випадковий процес. Дійсно, з огляду на вираз Для Т ≥ Т 0 маємо (1 / T) ∫ | k (τ) | dτ = (1 / T) [∫ | k (τ) | dτ + ∫ | k (τ) | dτ ≤ (1 / T) ∫ | k (τ) | dτ ε (1 - T 1 / T). Переходячи до межі при Т → ∞, знайдемо 0 ≤ lim ∫ | k (τ) | dτ = ε. Оскільки тут ε> 0 - довільна, скільки завгодно мала величина, то виконується умова ергодичності з математичного очікування. Оскільки це випливає з умови Про необмеженому зменшенні k (τ), то теорему слід вважати доведеною. Доведені теореми встановлюють конструктивні ознаки ергодичності стаціонарних випадкових процесів

Нехай Нехай X (t) = m + X (t), m = const. Тоді M [X (T)] = m, і якщо X (t) - ергодичний стаціонарний випадковий процес, то умова ергодичності Lim M {| (1 / T) ∫ X (t) dt | 2} = 0 після нескладних перетворень можна представити у вигляді Lim M {[(1 / T) ∫ X (t) dt - m] 2} = 0 Звідси випливає, що якщо X (t) - ергодичний з математичного очікування стаціонарний випадковий процес, то математичне сподівання процесу X (t) = m + X (t) наближено може бути обчислено за формулою M = (1 / T) ∫ x (t) dt Тут Т - досить тривалий проміжок часу; x (t) - реалізація процесу X (t) на відрізку часу [0, Т]. Можна розглядати ергодичності стаціонарного випадкового процесу X (t) за кореляційної функції. Стаціонарний випадковий процес X (t) називається ергодичним за кореляційної функції,якщо Lim M {[(1 / T) ∫ X (t) X (t + τ) dt - k (τ)] 2]} = 0 Звідси випливає, що для ергодичної за кореляційної функції стаціонарного випадкового процесу X (t) можна покласти k (τ) = (1 / T) ∫ x (t) x (t + τ) dt при досить великому Т. Виявляється, умова обмеженості k (τ) досить для ергодичності за кореляційної функції стаціонарного нормально розподіленого процесу X (t). Зауважимо, випадковий процес називається нормально розподіленим, якщо будь-яка його скінченновимірна функція розподілу є нормальною.