电子科技大学随机过程第2章

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随机过程[2]

随机过程[2]
随机过程——西安电子科技大学数学系 冯海林
由以上定义可得 (1) mZ(t)=mX(t)+jmY(t) t∈T
(2) DZ(t)= DX(t)+DY(t)
t∈T
(3) CX(s,t)=RZ(s,t)-mZ(s)mZ(t) s,t∈T
随机过程——西安电子科技大学数学系 冯海林
举例
Zt = ∑ X k e j ( ω t +Φk ) ,t ∈ R , 其中ω0为正常数, n为 设

mX (t ) = E[ X t ] = 0
− ∞ < t < +∞
RX ( s, t ) = E[ X s X t ]
= E[ A ]cos ω s cos ωt + E[ AB](sin ω s cos ωt + cos ω s sin ωt )
2
+ E[ B 2 ]sin ω s sin ωt 2 = σ cos ω (t − s ) − ∞ < s, t < +∞
随机过程——西安电子科技大学数学系 冯海林
5. 均方值函数 设X={Xt , t∈T}是一实值随机过程,对任意t∈T,若 E[Xt]2存在 则称E[Xt]2为随机过程X的均方值函数,记为ΦX(t).即 ΦX(t)= E[Xt]2 t∈T
随机过程——西安电子科技大学数学系 冯海林
随机过程的数字特征有如下关系 CX(s,t)=RX(s,t)-mX(s)mX(t) DX(t)=CX(t,t) ΦX(t)=RX(t,t) t∈T t∈T s,t∈T
0
n
固定正整数, X 1 , X 2 , L , X n , Φ1 , Φ 2 , L , Φ n 是相互独立 的实随机变量,且 EX k = 0, DX k = σ k2 , Φk~U[0,2π], k=1,2,…,n. 计算S.P.{Zt ,t∈R}的均值函数和相关函数.

随机过程二

随机过程二
条件概率 P{X n1 j X n i} ,一般与 n 有关, 若它与 n 无关,记为 pij ,并记 P [ pij ],称 为MC的一步转移概率矩阵,而此时MC称为 时间齐次的,简称时齐的。显然,有
pij 0,
p
j
ij
1, i 。
满足这个条件的矩阵一般称为随机矩阵或 Markov矩阵。 例3.1 直线上的随机游动。公平赌博问题。 赌徒输光问题。
设MC具有有限状态空间 {0,1, , k} , (n) 如果存在 n ,使得 P 0 ,则称MC是正则 的。对有限状态空间的正则MC,极限 (n) lim Pij
n
总存在,且与 i 无关,记为 j 。并称
( 0 ,1, , k )
为MC的平稳分布,且有 0 , e 1 。
(0) (0) P 1 P 这里,约定 ii , ij 0(i j )。
转移矩阵的性质
(1) Pij 0 且 Pij 1
n n
j
P P ,即对任 (2)对任意 m 0, n 0 ,P 意 i, j ,有Kolmogorov-Chapman方程
m n
i 0
P X n j P X n j X n1 i P X n1 i i Pij j
i 0

表明对所有 n , X n , n 1, 2, 具有相同分布。由 Markov性可知,对任何k 0 , X n , X n1, X nk 的联 合分布不依赖于 n ,故 X n , n 1, 2, 是平稳随机 过程, 称为平稳分布。
k (k ) 步转移概率。若记 P( k ) [ P 为MC的 k 步转 ij ] 移概率矩阵,则可以证明 P( k ) Pk 。

随机过程2.2 随机过程的分布

随机过程2.2 随机过程的分布

2) 对任意固定的自然数m<n,均有
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随机过程的分布
04.9.4
φ(t1, t2 , , tm ;θ1,θ2 , ,θm )
φ(t1, t2 , , tm , , tn;θ1,θ2 , ,θm ,0, ,0)
定理2.2.1 (柯尔莫哥罗夫存在定理)
如果有限分布函数族
F {F(t1, t2, , tn; x1, x2,, xn ), t1, t2, , tn T , n 1}
P{X (t1) x1, X (t2 ) x2, , X (tn ) xn}
称为过程的n 维分布函数.
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随机过程的分布
04.9.4
记 F ˆ {F (t1 , t2 , , tn; x1 , x2 ,, xn ) :
ti T , xi Ri , i 1,2, , n, n 1}
x1 π
1 da, a2 x2
x 1;

0
其它 .
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随机过程的分布
04.9.4

1
ln(
1

1 x2 ),
π
x
0,
其 它.
x 1;
思考题:
为什么可以用有限维分布函数族描述 随机过程的统计特性?
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X(t) - 2cost 2cost
p
1/3
2/3
特别
X(0) - 2 2
p 1/3 2/3
p X( 4 ) 2 2
p1/3 2/3来自电子科技大学2) 分析
随机过程的分布
04.9.4
2
2
x(t,ω1)=2cost

随机过程 第2章

随机过程 第2章

随机变量 随机变量族
e → x(e) (e, t) → xt(e)=x(e, t)
x=xt(ei)
x
e1 e2 e3
e
概率空间和随机对象
样本空间
概率空间
随机变量
随机向量
随机过程
2.1 随机过程的基本概念
定义:设(Ω, ö,P)为概率空间,T是参数集。 若对任意 t ∈T ,有随机变量X(t, e)与之 对应,则称随机变量族{X(t, e), t ∈T } 是(Ω, ö,P)上的随机过程,简记为 {X(t),t ∈T }或{Xt,t ∈T }。 ★ X(t)的所有可能的取值的集合称为状态空 间或相空间,记为I。
由此可将随机过程分为以下四类:
a. 离散参数离散型随机过程; b. 离散参数连续型随机过程; c. 连续参数离散型随机过程; d. 连续参数连续型随机过程。
2. 以随机过程的统计特征或概率特 征分类:
a. 独立增量过程; b. Markov过程; c. d. e. f. g. 二阶矩过程; 平稳过程; 鞅; 更新过程; Poission过程;
称之为随机过程X(t) 的二维概率密度。
2.3 随机过程的分布律
随机过程的二维分布函数比一维分布函数包含了随 机过程变化规律更多的信息,但它仍不能完整地反 映出随机过程的全部特性及变化规律。用同样的方 法,我们可以引入随机过程 X(t) 的 n 维分布函数和 n 维概率密度。
FX ( x1 , x2 , , xn ; t1 , t2 , tn )
• 又如移动某基站每天的通话次数,X 显然不 能确定,即为随机变量,进一步分析知这 个 X 还和时间 t 有关,即 X(t),所以 X(t) 也构成一个过程,即随机过程;类似地, 气温、气压、商店每天的顾客流量等都构 成一个随机过程。

《信息与通信工程中的随机过程》第2章习题解答

《信息与通信工程中的随机过程》第2章习题解答

∫−∞ ds ∫−∞ f (s, t )dt
x ≥ 1, y ≥ 1 0 < x < 1, 0 < y < 1 y ≥ 1, 0 < x < 1 x ≥ 1, 0 < y < 1 其他
③根据边界概率密度函数性质可知, X 和Y 的边界概率密度函数分别为 ⎧ ⎪ ⎪x + 1 , ∞ 0<x <1 fX (x ) = ∫ f (x , y )dy = ⎪ ⎨ 2 −∞ ⎪ ⎪ 0, 其他 ⎪ ⎩ ⎧ ⎪ ⎪y + 1 , ∞ 0<y <1 fY (y ) = ∫ f (x , y )dx = ⎪ ⎨ 2 −∞ ⎪ ⎪ 0, 其他 ⎪ ⎩ 2B-19 随机向量 (X ,Y ) 的联合概率密度函数为 fXY (x , y ) = 2e−x e−2y , x > 0 , y > 0 。试求: ① P {X + Y ≤ 8} ;② P {X < Y } ;③ P {X − Y ≤ 10} ;④ P {X 2 < Y } 。 答案:①
ΦX (ω) =
1
④ χ 分布
第 1 页 共 24 页
2
《随机过程》作业标准答案·第 2 章
对于自由度为 1 的 χ2 分布。此时Y = X 2 ,若 X 的均值为零,则自由度为 1 的中心 χ2 分 布Y 的概率密度函数具有如下表达
fY (y ) = 1 −y e 2πyσ
2σ 2
,
y≥0
其中 σ 2 是 Gauss 随机变量 X 的方差。因此Y 的特征函数为 ∞ ∞ 1 −y jωy Φ dy = ∫ e Y (ω ) = ∫−∞ fY (y )e 0 2πy σ 令t =
④生成函数

随机过程-第二章答案

随机过程-第二章答案

随机过程 2-1.[(1)][2cos(2)][2cos()]()2cos()(0)2cos()21E E E P P ξπθθπθθθθ=+===⨯+=⨯=222(0,1)[(0)(1)][2cos()2cos(2)]4[cos ]4(()cos (0)cos )22R E E E P P ξξξθθππθθθθθ==⋅+==⨯=⨯+=⨯=2-2.102010201020[()][cos sin ][cos ][sin ][]cos []sin 0E Z t E X t X t E X t E X t E X t E X t ωωωωωω=-=-=-=2222210201202222102012021202[()][cos sin sin 2][]cos []sin []sin 2[][]sin 2E Z t E X t X t X X t E X t E X t E X X t E X E X tωωωωωωσωσ=+-=+-=-=(2)()Z t 是两个独立的高斯随机变量的正交组合,所以()Z t 是一个高斯过程,通过上一问可得,()Z t 均值为0,方差为2σ,因此22_2()zf Z σ=(3)由于均值为零,因此1212122210102201021201222010*********(,)(,)[()()][cos cos sin sin cos ()]cos cos sin sin 0cos ()B t t R t t E Z t Z t E X t t X t t X X t t t t t t t t ωωωωωσωωσωωσω===+-+=+-=-2-4(1)12120102(,)[()()cos()cos()]R t t E m t m t t t ωθωθ=++;0[()][()cos()]E Z t E m t t ωθ=+由于θ与()m t 相互统计独立,而且()m t 是宽平稳随机过程,所以()m t 的均值为常数,因此上两式可以化为1212010212012012212012012012012(,)[()()][cos()cos()]1()[cos ()cos(()2)]211()[cos ()cos(()2)]221()cos ()2m m m R t t E m t m t E t t R t t E t t t t R t t t t t t d R t t t t πωθωθωωθωωθθπω=++=-⋅-+++=-⋅-+++⋅=-⋅-⎰自相关只与时间间隔有关;0[()][cos()]0m E Z t E t μωθ=+=,常数。

随机过程第2章 平稳过程与二阶矩过程

随机过程第2章 平稳过程与二阶矩过程

2.1 相关函数
{
{
{
对于宽平稳过程 X (t )而言,其平均值定义为 η = E { X ( t )} = η x 其中 E ( X )表示对随机变量X取均值。 互相关函数为 R(τ ) = E{X(t +τ )X * (t)}= Rx (τ ) = Rxx(τ ) * 表示取共轭运算。 (τ ) 显然, R(−τ ) = R *。 若X(t) 是实的宽平稳过程,则R(τ)为偶函数。
R xy (t1 , t 2 ) = E ( X (t1 )Y (t 2 )) = R (t1 , t 2 + a ) − R (t1 , t 2 )
R yy (t1 , t 2 ) = E (Y (t1 )Y (t 2 )) = R xy (t1 + a, t 2 ) − R xy (t1 , t 2 ) = R (t1 + a, t 2 + a ) − R(t1 + a, t 2 ) − R(t1 , t 2 + a ) + R(t1 , t 2 )
平稳过程与二阶矩过程
第二章 平稳过程与二阶矩过程
授课教师:樊平毅 清华大学电子工程系 2012
内容简介
{ { { { { { { { { { {
2.1 相关函数 2.2 功率谱 2.3 功率谱与时域平均 2.4 线性系统 2.5 随机连续性 2.6 随机微分(均方意义) 2.7 Taylor级数 2.8 随机微分方程 2.9 随机积分 2.10 遍历性讨论 2.11 抽样定理与随机预测
推广 应用
思考: 0 在平稳分布中的作用
0 点的重要性,
1) 2) 3) 4)
连续性, 周期性, 有界性, 极值特性,

通信原理课件(西安电子科技大学版)2

通信原理课件(西安电子科技大学版)2

B(t1,t2)=E{[ξ(t1)-a(t1)][ξ(t2)-a(t2)]} =




[ x1 a(t1 )][x2 a(t2 )] f2(x1,x2; t1,t2)dx1dx2

式中,t1与t2是任取的两个时刻;a(t1)与a(t2)为在t1及
t2时刻得到的数学期望;f2(x1,x2; t1,t2)为二维概率密度函 数。相关函数定义为 B(t1, t2)=R(t1, t2)-a(t1)a(t2)
Rξη(t1, t2)=E[ξ(t1)η(t2)]

(2.1 - 12)
2.2平稳随机过程
2.2.1定义
所谓平稳随机过程,是指它的统计特性不随时间的推移而 变化。设随机过程{ξ(t),t∈T},若对于任意n和任意选定t1<t2 <…<tn, tk∈T, k=1, 2, …, n,以及h为任意值,且x1, x2, …, xn∈R,有
则称f2(x1,x2; t1,t2)为ξ(t)的二维概率密度函数。
同理,任给t1, t2, …, tn∈T, 则ξ(t)的n维分布函数被定义为 Fn(x1,x2,…,xn; t1,t2,…,tn)=P{ξ(t1)≤x1,ξ(t2)≤x2,…, ξ(tn)≤xn}
2 Fn ( x1, x2 ...;t1,t2 ...,tn ) f ( x1, x2 ..., xn ; t1, t2 ...,tn ) x1 x2 ...xn
任给两个时刻t1, t2∈T,则随机变量ξ(t1)和ξ(t2)构成一个二 元随机变量{ξ(t1), ξ(t2)},称F2(x1,x2; t1,t2)=P{ξ(t1)≤x1, ξ(t2)≤x2} (2.1 - 3) 为随机过程ξ(t)的二维分布函数。 如果存在
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为研究正态过程的有限维分布, 应首先 研究多维正态分布随机变量.
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一、多维正态随机变量
1.概率密度与特征函数
μ1 记μ , X μ 2
12 C 2 2 若(X,Y)~ N ( μ1 , σ1 ; μ2 , σ 2 ; ρ) 1 2
1 2 1 2 1 ρ
c2 c1 1 t1 t 2 1 t1 t 3
退化, 写不 出概率密度
1 t
2 1
t1 t2 t3
t1 t2 0 t3
( t 2 t1 )( t 3 t 2 ) 1 t1 t 2 1 t1 t 3
故例中当n>2时,不能写出n维联合正态 概率密度. 一般地, 若X=(X1, X2)是非退化二维正态随 机向量, 其线性变换 Y= KX, 有 1) 每一分量服从正态分布; 2) 不能构成二维以上的非退化联合正态 分布;
记为X=(X1, X2, …, Xn)T ~N(μ , C).
注 当C=(cij)是n阶对称正定矩阵,有 C 0;
若|C|=0 则不能用(*)式给出其概率密度. 定理2.1.1 n维正态分布随机向量X=(X1, X2, …, Xn) T的特征函数为
1 T T φ( u) exp jμ u u Cu 2
Y KCK T , R(Y ) min( R(C ), R( K )) 2
即二维以上的线性变换向量Y= KX都是退 化(奇异)联合正态分布.
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问题结论: 1)不能保证Y=KX 服从非退化正态分布. 2) 当|KCKT|≠0时, 随机向量Y 服从非退化 正态分布. K为行满秩矩阵 可证明 推论 非退化正态分布随机向量X的满秩线 性变换仍服从非退化正态分布.
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定理2.1.5 若随机向量X 服从N(μ,C),且C 正定, 则存在一个正交变换U,使得Y=UX 是一个相互独立的正态随机向量. 证 C为实对称正定矩阵, 则存在正交阵U, 使
d 1 UCUT D d2 dn
di 是 C 的 特征值
U是以特征向量为列构成的正交阵 令Y=UX ,则Y 服正态分布N(Uμ, D). Y的协方差矩阵为对角阵,故其分量相互独立.
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二、正态随机过程
定义2.1.1 随机过程{Xt , t∈T}称为正态过 程,如果它的任意有限维分布都是联合正态 分布. 即对任意的正整数 n 和t1, t2 , …, tn∈T, n 维随机变量 (Xt1,…,Xtn) 都服从正态分布. 注 1)上述几个定理均可应用于正态过程.
2
x y 1 2 2 2
则(X,Y)的联合概率密度为
( x, y )

其中σ1>0,σ2>0, | ρ |<1, 协方差 矩阵满足|C|≠0.
1 ( x 1 ) 2 x 1 y 2 ( y 2 ) 2 exp 2ρ 2 2 2 1 2 2 2(1 ) 1
1 T 1 ( X μ ) C ( X μ ) 1 exp 2 2π C 2 1
记为(X,Y) ~N(μ , C).
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定义2.1.2 设C=(cij) 是n 阶对称正定矩阵,μ是 n 维实值列向量, 若n维随机向量 X=(X1, X2, …, Xn)T 的联合密度函数为
1 T T T exp j( Kμ) u u ( KCK )u 2
服从一维正态分布,且 n n n T T D ( Y ) l l c L E (Y ) l j j L μ, j k jk CL,
j 1
j 1 k 1
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j 1
2 1 t2
1 t1 t 3 1 t2 t3
2 1 t3
1 t
t1 ( t 2 t1 ) t1 ( t 3 t 2 ) t 2 ( t 2 t1 ) t 2 ( t 3 t 2 ) t电子科技大学 t 3 (t 3 t 2 ) 3 ( t 2 t1 )
φ Y ( u) E ( e
juT Y
) E (e
juT KX
) E (e
j ( K T u )T X
)
1 T T T T T exp jμ ( K u) ( K u) C ( K u) 2
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即随机向量Y=KX 服从 m 维正态分布 N(Kμ,KCKT) 推论 n维正态随机向量X=(X1,X2,…,Xn)T,记 E(X)=μ,协方差矩阵为C. 则X 的任意非零线性组合 n Y l j X j LT X, L=(l1, l2 ,…, ln ) T
(Xt1, …, Xtn)T~N(μ, C )
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m ( t1 ) C ( t1 , t1 ) C ( t1 , t 2 ) C ( t1 , t n ) C ( t , t ) C ( t , t ) C ( t , t ) m(t 2 ) 2 2 2 n 2 1 C μ , C ( t n , t 1 ) C ( t n , t 2 ) C ( t n , t n ) m ( t n )
故X=(X1,X2,X3)T服从正态分布. X的协方差矩阵为 1 1 1 0 T 1 1 1 KCKT= K 0 1 K 1 2 1 2 3 1 3 电子科技大学
2 3 4 |KCKT| = 3 5 7 0, 4 7 10
当n 3, 则
X t1 1 t1 X0 X0 X t 2 1 t 2 K V 1 t V 3 X t3
仍然服从正态分布, 但其协方差矩阵为
1 t12 1 t1 t 2 1 t1 t 3 1 t1 t 2
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2)若存在某个n,对t1,t2, …,tn∈T,n维随机变 量(Xt1,…,Xtn)服从退化正态分布,称{Xt, t∈T}为 退化正态过程. 前面的例2.1.1 就是一个退化的正态过程, 其三维以上的有限维分布都是退化正态分布. 3) 正态过程的n 维分布由其二阶矩完全确定. 有 对任意的n≥1, t1, t2 , …,tn∈T,
C是X的协方差矩阵.
(**)
其中u ( u1 , u2 ,, un )T , E ( X ) ( 1 , 2 ,, n )T
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定义2.1.3 若μ是n 维实向量, C是n 阶非负 定对称阵, 称以(**)式中的 ( u) 为其特征函数 的n 维随机变量X 服从n 维正态分布.
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4.正态随机向量的线性变换
正态分布的线性变 换不变性
定理2.1.4 若X=(X1,X2,…,Xn)T 服从n维正态 分布N(μ,C), K=(kjk)m×n是任意矩阵, 则 Y=KX 服从m维正态分布N(Kμ,KCKT). 证 对于任意m 维实值列向量 u = (u1,u2,..um)T, Y= (Y1,Y2,..Ym)T 的特征函数为
f x1 , x2 ,, xn
1 2π C
n 2 1 2
1 T 1 exp ( X μ ) C ( X μ ) (*) 2
其中X=(x1, x2, …, xn)T, μ=E(X)=(μ 1, μ 2, …, μn)T
则称X 服从n 维正态分布.
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由X0, V 相互独立知
0 1 0 X0 ~N 0 , 0 1 V
X s 1 s X 0 X t 1 t V
因为
由正态分布的线性变换不变性得, 当s≠t时, (Xs, Xt)T的二维概率分布是非退化正态分布
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分析2) 设X=(X1, X2)的协方差矩阵为
12 C 1 2
1 2 , 2 2
R(C ) 2
线性变换矩阵 c11 c21 cm1 T K , R( K ) 2 c12 c22 cm 2 则线性变换 Y=KX的协方差矩阵为
0 1 s 1 0 1 s T N , 0 1 t 0 1 1 t
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0 1 s 2 1 st N , 1 st 1 t 2 0
关于定理2.1.4的思考问题: 能否保证Y= KX 服从非退化正态分布
?
反例: 设随机变量X0与V相互独立,都服从 标准正态分布N(0,1), 令 X1=X0+V, X2=X0+2V, X3=X0+3V, 问(X1,X2,X3)是否服从非退化正态分布?
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分析1) 因 X 0
0 1 0 N , ~ 0 0 1 V X 1 1 1 X0 X0 X X 2 1 2 K V V X 3 1 3
注 若(**)式中的|C|=0, 称X 服从退化正态分
布或奇异正态分布. 2.边缘分布及二阶矩
以下结论总假定随机向量X=(X1, X2, …, Xn)T 服从N(μ, C ). 非退化
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定理2.1.2 n维正态分布 随机变量X的任一子向量
( X k1 , X k2 ,, X km )T
§2.1 正 态 过 程
根据中心极限定理,在现实问题中,满足一 定条件的随机变量之和的极限服从正态分布. 正态分布在现实当中大量存在,是随机 现象中最为常见的一种分布.
如电子运动中的热噪声,人的身高,考 试成绩,测量误差等都服从正态分布
正态分布具有一系列良好的性质,便于 计算和应用. 电子科技大学
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