Stochastic Process
一、基本概念
随机过程:依赖于参数 的一族无限多个随机变量
给定参数集 (通常为时间域),对每个 , 是一个随机变量,所有随机变量 的集合构成随机过程。
- 参数集: 无限实数集, 看作时间
- 状态: 的观察值 为时刻 时的取值;在固定 时, 是随机变量,描述系统在时刻 的瞬时状态
- 状态空间: 对于一切 , 的一切可能取值的全体/所有可能状态取值的集合
- 样本函数/样本曲线: 对随机过程进行一次试验(在 上进行一次全局观测),得到的一个函数
基本分类
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根据在任一时刻 的状态
- 连续型随机过程( 连续型随机变量)
- 离散型随机过程( 离散型随机变量)
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根据参数集
- 连续参数随机过程( 为有限区间或无限区间):使用 表示对时间 的依赖关系
- 离散参数随机过程( 为离散集合):又称为时间序列
实际例子
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布朗运动(连续参数+连续状态)
, ,描述悬浮粒子受分子碰撞的轨迹。
样本函数:连续但不可微的路径。 -
泊松过程(连续参数+离散状态)
, ,描述单位时间内事件发生次数(如电话呼叫)。
样本函数:单调递增的阶梯函数。 -
马尔可夫链(离散参数+离散状态)
, 有限,描述状态转移(如天气变化)。
样本函数:状态跳转序列(如“晴-雨-晴-阴”)。
二、统计描述
随机过程在任一时刻的状态都为随机变量,可以借助随机变量的统计方法来描述随机过程的统计特性
1. 分布函数族
分布函数完善刻画随机过程的统计特性
一维分布函数:对于每一个固定的时间 , 有分布函数
F_{X}(x;t)=P\left\{X(t)\leq x \right\}\quad x\in R \end{align}$$ **一维分布函数族**:刻画了随机过程在各个时刻的统计特性 $$\begin{align} \left\{F_{X}(x,t),t\in T \right\} \end{align}$$ **n 维分布函数**:对于每一个固定的时间 $t$, 有分布函数 $$\begin{align} F_{X}(x_{1},x_{2},\cdots,x_{n};t_{1},t_{2},\cdots,t_{n})=P\left\{X(t_{1})\leq x_{1} , X(t_{2})\leq x_{2},\cdots,X(t_{n})\leq x_{n}\right\}\quad x_{i}\in R \end{align}$$ **n 维分布函数族**:刻画随机过程在不同时刻状态之间的统计联系 $$\begin{align} {F_{X}(x_{1},x_{2},\cdots,x_{n};t_{1},t_{2},\cdots,t_{n}),t_{i}\in T} \end{align}$$ #### 2. 数字特征 > 统一使用随机变量中[[矩\|矩]]的概念来进行数字特征的描述 最重要的是均值函数和自相关函数,刻画了随机过程的主要统计特性 对于 $\left\{X(t),t \in T \right\}$ **均值函数**: $$\begin{align} \mu_{X}(t)=E\left[X(t)\right] \end{align}$$ 均方值函数:二阶原点矩 $$\begin{align} \varPsi^{2}_{X}(t)=E\left[X^{2}(t)\right] \end{align}$$ 方差函数:二阶中心矩 $$\begin{align} \sigma^{2}_{X}(t)=D_{X}(t)=Var[X(t)]=E\left\{[X(t)-\mu_{X}(t)]^{2} \right\} \end{align}$$ **自相关函数**:对任意 $t_{1},t_{2}\in T$ 的随机过程的二阶混合原点矩 $$\begin{align} R_{XX}(t_{1},t_{2})=R_{X}(t_{1},t_{2})=E[X(t_{1})X(t_{2})] \end{align}$$ 自协方差函数:对任意 $t_{1},t_{2}\in T$ 的随机过程的二阶混合中心矩 $$\begin{align} C_{XX}(t_{1},t_{2})=Cov\left[X(t_{1}),X(t_{2})\right]=E\left\{ [X(t_{1})-\mu_{X}(t_{1})][X(t_{2})-\mu_{X}(t_{2})]\right\} \end{align}$$ ### 三、重点研究的过程 #### 二阶矩过程 对于每一个 $t\in T$ ,随机过程 $\left\{X(t),t \in T \right\}$ 的二阶原点矩都存在 $$\begin{align} \varPsi^{2}_{X}(t)=E\left[X^{2}(t)\right] \end{align}$$ 则根据柯西-施瓦茨不等式:二阶矩过程的自相关函数总是存在的 #### 正态过程 更为特殊的二阶矩过程,每一个有限维分布都是[[正态分布\|正态分布]]