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1 随机过程的微分和积分

2 在高等数学中 数列的收敛与极限是微积分的基础 在随机过 程中 随机序列的收敛与极限的概念的概念则是随机过程微积分随机过程微积分的基础基础 举例 : 设一电压控制电路对外来的噪声电压信号进行控制 使 其稳定在某一水平 我们考察这一渐进过程 设该试验共有三个结果 Ω ξξ ξ3 在 n 上采样 随时间变化得一串随机变量 n 称随机变量序列 {n}

3 ζ { } 对某次试验结果 而言 在样本函数 x 上采样得到的 x n 是一个普通数列称 样本序列 数列收敛 的概念 : 若有数列 SS Sn 对任意小的正实数 ε> 总能找到一个正整数 N 使得当 n>n 时 存在 Sn- < ε 对任意 n>n 则称数列 SS Sn 收敛于常数 用 lm S n 表示 或用 SS Sn 随机序列的收敛 n > n> 即称 : 数列 {Sn} 的极限为. 一 随机序列收敛的几种定义 随机变量序列 处处收敛 every where 若随机序列样本空间 Ω{ξ ξ ξ3} 中的 所有 的样本序列 普通数列 均收敛 即 : ζ x x L x n x n ζ : x x L x n x x x x 3 n ζ : x x L x n x n

4 则称 : 随机序列 {n} 处处收敛 于随机变量 记作 : lm n 简写 : n lm x n x ζ Ω n e { n} 在上述 处处收敛 的定义中 Ω 中只要有 一个 ξ 对应的样本序列 { x n } 不收敛 则随机序列 {n} 就不是 处处收敛 的 这个条件一般的随机序列都不容易满足 下面介绍几种常用的 宽松的 收敛定义 以概率 收敛 几乎处处收敛 lmos.every.where 若随机序列 {n} 相对试验 的所有可能结果 ξ Ω P{lm n } 满足 : n 则称 : 随机序列 {n} 以概率 收敛 于随机变量 简记 : e. { n}

5 3 依概率收敛 Proly 若随机序列 {n} 对于任意给定小正数 ε > 有 : lm P{ n ε} n 则称 : 随机序列 {n} 依概率收敛 于随机变量 记 : P { n } 4 依分布收敛 dsruon 若存在设 :Fnxn : 是随机序列 {n} 的分布函数 Fx 是随机变量则称 : 的分布函数 随机变量序列 {n} 依分布收敛 于 Fx 记 : lm Fn x F x n F x n d n Fx M M M x

6 5 均方收敛 平均意义下的收敛 Men.squre 设随机序列 {n} 对所有的 n 二阶矩存在 随机变量 的二阶矩也存在 若 {n} 满足 : lm { n } n 则称 : 随机序列 {n} 均方收敛 于随机变量 MS 记作 : l m n 或 : n n 均方收敛的充要条件 柯西准则 若随机序列 {n} 和随机变量 的二阶矩均存在 则 {n} 均方收敛于 的充要条件是 : lm { n m } n m 只需要对随机序列 {n} 的一个方差 n m 进行检验 比较方便方便 因此 在随机过程中运用的是均方收敛

7 四种收敛模式之间的关系 : e e P d M S e e M S P d

8 随机过程的连续性 在微积分中 一个函数要可微 该函数首先必须要连续 一般确定函数的连续性 : 设函数 χ 在 的某个邻域内有定义 当自变量的增量 时 函数的增量也趋于 即 lm χ + χ 则称 : 函数 χ 在 上连续. 一 随机过程处处连续对于随机过程 而言 若它的每一个样本函数在上都续 : lm χ + χ ξ ξ ξ Ω 上处处连续 则称 : 该过程 在

9 二 均方连续 定义若二阶矩过程在 T 上满足 lm { + } 则称 在 T 上 在均方意义下 连续 或称该二阶矩过程 具有 均方连续性 常表示为 或者简称过程 m.s 连续 l m + T 均方连续的准则 过程 在 T 上均方连续的 充要条件 ⑴ 若 的自相关函数 在 T T 上连续 则 便在 T 上均方连续 T T T

10 ⑵- - 若 在 T 上均方连续 则一般连续 在 上 证明 : + { ⑴ + + } + { + ⑵ } 利用许瓦兹不等式 { + ⑴ / + } { { + } + } { + ⑵ 对不等式两端取极限 : / } { { + }} lm lm{ } 及 lm lm { }

11 一. 随机过程的微分 导数. 均方导数的定义 即满足 或者 随机过程的微分 设均方连续过程 T 和随机过程 T 若在整个 T 内当 时 均方收敛于 lm + + l m + 则称过程 在 T 上均方 m.s 可导 可微 d 而 便称为过程 在 T 上的均方导数 d

12 . 均方可微的条件 在检验过程 是否均方可微时 我们遇到了一个问题 在 上式中 是待求的 在 尚未求出时 检验 是否均方可微 我们可以运用一个能避开 的准则 -Cuchy 准则 即 如果 满足 : lm + + 则称 在均方意义下可微

13 由此可见 随机过程随机过程 在 T 上 上 均方均方可微的充要条件是在可微的充要条件是在一切一切 T T 上存在存在 如果偏导数存在 则上式写成 lm + + +

14 即 二. 随机过程导数 的数学期望 设 为可微过程 的导数 d d 的数学期望与相关函数 d + l m d + lm + d lm d d d 导数的期望 d d l m + & 求极限 与 求期望 交换次序 期望的导数 随机过程的导数运算与其数学期望的运算可以交换次序 数学期望的运算可以交换次序

15 lm lm m l m l 的自相关函数的自相关函数根据自相关函数的定义 有而 与 的互相关函数

16 又因 lm lm m l 随机过程导数随机过程导数的自相关函数 等于随机过程的自相关函数 等于随机过程自相关自相关函数的二阶偏导数 函数的二阶偏导数 将该式代入上式 得到 :

17 一. 随机过程的积分 随机过程的积分 若连续时间过程 { T} 在区间 T 上对所有样本函数 ξ χξ ξ Ω 存在 emnn 积分 n lm n χ ξ χ ξ d yξ... ξ Ω 则称过程 是 处处可积 的 + 其中是在 上有限分割 <... < n 的任意子区间 长度 是子区间 中任意处 + n ξ + 相应与每个试验结果 积分都可得到一个数 ; 但是 对应不同的 ξ 积分值 y ξ 也是不同的 故对所有的试验结果 是一个随机变量 y ξ

18 一般的随机过程 并不是所有的样本函数的积分都存在的 因此 我们定义均方意义上的积分. 均方积分的定义 若二阶矩过程 满足 : lm n 则称过程 是均方可积的 而随机变量 n l m n n 为过程 在确定区间 上的 均方积分 d 均方可积的条件 d d <

19 .. 积分的期望积分的期望 n n n n m d m d m l d lm 随机过程积分的期望和自相关函数随机过程积分的期望和自相关函数可见 : 均方可积的过程 求积分与求期望可以交换次序 均方可积的过程 求积分与求期望可以交换次序 积分的均方值 积分的均方值 d d d d d d d d d d 积分求期望 期望求积分

20 4 积分的自相关函数 积分的自相关函数 3 积分的方差积分的方差 d d C d d d d d d D 的自相关函数 : 则过程的积分为随机过程 因为过程的变上限积分 : d λ λ d d d d d d λ ν ν λ λ ν ν λ ν ν λ λ T

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参考文献: 9 年 ( 第十一届 ) 全国大学生数学竞赛 ( 非数学类 ) 预赛模拟试题 一 填空题 ( 每小题 6 分, 共 3 分 ) 考生注意 : 考试时间 5 分钟试卷总分 分. 已知 f ( ) 在 8的邻域内有连续导数, 且 lim f ( ), lim f '( ) 673, 8 8 则极限 lim 8 8 8 t f ( u)du dt t 3 (8 ) 9 f. 设函数 f (, y ) 可微,

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标题 第 37 卷第 1 期西南师范大学学报 ( 自然科学版 ) 01 年 1 月 Vol.37 No. 1 JouralofSouthwestChiaNormalUiversity(NaturalScieceEditio) Ja. 01 文章编号 :1000 5471(01)01 0011 05 1 离散型随机变量序列最大值的收敛速度 张耿, 陈守全, 王超 西南大学数学与统计学院, 重庆 400715

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