概率統(tǒng)計學(xué)-隨機過程引論

第十一章：隨機過程引論研究對象：隨機過程是研究隨機現(xiàn)象隨時間演變過程的概率規(guī)律的一門學(xué)科。應(yīng)用于：它廣泛應(yīng)用于雷達(dá)與電子通信，動態(tài)可靠性，設(shè)備更新，地質(zhì)勘探，天文與氣象,核技術(shù),隨機振動，控制，生物學(xué)，管理科學(xué)等許多領(lǐng)域。隨著尖端科學(xué)和高技術(shù)的發(fā)展，隨機過程的應(yīng)用日益廣泛和深入。1第一節(jié)：隨機過程的定義及分類一.隨機過程的概念概率論復(fù)習(xí)：隨機試驗

,樣本空間

.二維隨機變量，聯(lián)合分布函數(shù)

維隨機變量，聯(lián)合分布函數(shù)隨機變量

,分布函數(shù)；2以表示某電話交換臺在時段內(nèi)接到的呼叫次數(shù),那么,對于固定的,是一個隨機變量.對于一切,是一個隨機變量族.它的個數(shù)比可列個還要多,就不屬于前面概率論的研究范圍,具有新的特點.稱是一個隨機過程.為了研究隨機現(xiàn)象,引入了上述這些概念工具.但這些還不夠用,還有一些隨機現(xiàn)象,上述工具無法描述.例如3定義1

設(shè)隨機試驗的樣本空間,那么對于所有的得到一族的函數(shù)是非空集合,，如果對于每個

稱為隨機過程,簡稱過程.稱為參數(shù)集.簡記為.或?qū)?yīng)有參數(shù)的函數(shù)

由定義得中的每一

是僅依賴于對于(1)的函數(shù)，

稱為隨機過程的樣本函數(shù),的軌道.它是隨機過程的一次物理實現(xiàn)或?qū)?yīng)于(2)對任意給定的

是一個隨機變量,稱為隨機過程在時的狀態(tài)變量,簡稱狀態(tài).對于所有,隨機過程是，一族隨機變量,于是得到另一種定義方式.5定義2給定參數(shù)集,如果對于每個，對應(yīng)有隨機變量則稱隨機變量族為隨機過程.函數(shù)值集合稱為隨機過程的狀態(tài)空間.它是二元函數(shù)的值域,記為.幾個例子：

6為了描述檢驗的全過程,引入二元函數(shù)則二元函數(shù)就是一個隨機過程.正品或次品,例1

在一條自動生產(chǎn)線上檢驗產(chǎn)品質(zhì)量,每次檢驗一個,區(qū)分正品或次品.那么,整個檢驗的樣本空間例2

89二：隨機過程的分類

通常有兩種分類法.一種是按隨機過程的參數(shù)集和狀態(tài)空間來分類;另一種是按隨機過程的概率結(jié)構(gòu)來分類.參數(shù)集可能為離散集或連續(xù)集,

狀態(tài)空間可能為離散集或連續(xù)集.離散參數(shù),離散狀態(tài);

T={1,2…},狀態(tài)空間由0，1構(gòu)成(2)離散參數(shù),連續(xù)狀態(tài);

T={1,2…},狀態(tài)空間為(4)參數(shù)連續(xù),狀態(tài)連續(xù).(3)參數(shù)連續(xù),狀態(tài)離散;離散參數(shù)隨機過程就是隨機變量序列,簡稱隨機序列。記于是11按隨機過程的概率結(jié)構(gòu)來分,

隨機過程的種類很多.這里列舉幾個重要類型:二階矩過程.包括正態(tài)過程,平穩(wěn)過程等;馬爾可夫過程,包括馬爾可夫鏈,泊松(Poisson)過程,維納(Wiener)過程,擴散過程等;更新過程;鞅.12第二節(jié)隨機過程的概率分布13一維分布函數(shù)

二維分布函數(shù)。設(shè)是一隨機過程,對于參數(shù)集T中的任意n個元素:

即過程的n

個狀態(tài)(個隨機變量)的聯(lián)合分布

的n維分布函數(shù),稱為隨機過程14如果存在非負(fù)函數(shù)

使得成立,則稱為隨機過程的n

維概率密度,n=1,2...

一般來說,分布函數(shù)族或概率密度族可以完全地確定了隨機過程的統(tǒng)計特征.特殊地,如果對于任何正整數(shù)n,隨機過程的任意n個狀態(tài)都是相互獨立的,則稱此過程為獨立過程.15例1

在第一節(jié)例1中,設(shè)各次檢驗相互獨立地進(jìn)行,每次檢驗的次品率為,求隨機過程在時的二維分布函數(shù).X(1)01P1-ppX(2)02P1-pp16171819202122232425IIIIIIIIII2627兩個隨機過程有限維聯(lián)合分布及獨立性組成m+n維隨機向量.其分布函數(shù)稱為隨機過程X(t)和Y(t)的m+n維聯(lián)合分布函數(shù).28

如果對于任何正整數(shù)m和n,對于T1中的任意數(shù)組以及T2中的任意數(shù)組,關(guān)系式都成立,則稱兩個隨機過程相互獨立.29例4

設(shè)隨機過程

式中X與Y是相互獨立的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機變量.試求此過程的一維概率密度.解30

第三節(jié)隨機過程的數(shù)字特征隨機變量數(shù)字特征復(fù)習(xí):

為隨機變量,聯(lián)合概率密度邊沿概率密度

數(shù)學(xué)期望(均值)31二階原點矩方差

二階原點混合矩32相關(guān)系數(shù)

如果,則稱與不相關(guān);協(xié)方差33隨機過程的數(shù)字特征是參數(shù)集,

隨機變量族

是一個隨機過程,

(11.1)（1）過程在的狀態(tài)的數(shù)學(xué)期望對于任意給定

的狀態(tài)，具有一維概率密度在t時刻對于一切

稱為隨機過程的均值函數(shù),簡稱均值;是的函數(shù),

（2）過程在的狀態(tài)的二階原點矩(11.2)稱為隨機過程的均方值函數(shù),簡稱均方值;35（3）二階中心矩（方差）

(11.3)稱為隨機過程的方差函數(shù),簡稱方差,均方差

;36任選,狀態(tài)是兩個隨機變量,具有二維概率密度（4）隨機過程的自相關(guān)函數(shù),簡稱相關(guān)函數(shù),(11.4)（5）隨機過程的自協(xié)方差函數(shù),(11.5)簡稱協(xié)方差函數(shù),38

均值、均方值、方差和均方差是刻劃隨機過程在各個狀態(tài)的統(tǒng)計特性的,而自相關(guān)函數(shù)和自協(xié)方差函數(shù)是刻劃隨機過程的任何兩個不同狀態(tài)的統(tǒng)計特性的.這五個數(shù)字特征之間,具有如下關(guān)系.3940

通過以下例子,就可以看出隨機過程數(shù)字特征的實際意義.41例1

設(shè)隨機相位正弦波式中是常數(shù),是在區(qū)間上服從均勻分布的隨機變量.求:的均值函數(shù)、方差函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)和自協(xié)方差函數(shù).

解:

依題意的概率密度為42(1)均值函數(shù)43(2)自相關(guān)函數(shù)

44(3)自協(xié)方差函數(shù)(4)方差函數(shù)45例2:設(shè)隨機過程

式中服從,服從

,且與的相關(guān)系數(shù)

,求:的自相關(guān)函數(shù).46474849例4解對于兩個隨機過程

和

,和

過程在的狀態(tài)

.

和的二階原點混合矩(11.7)稱為隨機過程和的互相關(guān)函數(shù);任選過程在的狀態(tài)兩個隨機過程的聯(lián)合分布和數(shù)字特征51

和的二階中心混合矩(11.8)稱為隨機過程和的互協(xié)方差函數(shù);并且有問題：互相關(guān)函數(shù)，互協(xié)方差函數(shù)是否關(guān)于t1,t2對稱？52定義:如果對任意,都有

亦即則稱隨機過程