平稳随机过程

更新时间:2022-08-25 14:19

在数学中,平稳随机过程(Stationary random process)或者严平稳随机过程(Strictly-sense stationary random process),又称狭义平稳过程。

平稳随机定义

随机过程的平稳性分为严格平稳和广义平稳。

严格平稳:所谓随机过程严格平稳,是指它的任何n维分布函数或概率密度函数与时间起点无关。

广义平稳:若一个随机过程的数学期望及方差与时间无关,相关函数仅与时间间隔有关,则称这个随机过程为广义平稳随机过程。

定义1(严平稳随机过程)

符号化语言表示出来,即:

如果对于任意的n(n=1,2,···),t1,t2,···,tn∈T和任意实数h,

当t1+h,t2+h,···,tn+h∈T时,n维随机变量(X(t1),X(t2),···,X(tn))和(X(t1+h),X(t2+h),···,X(tn+h))具有相同的分布函数,则称随机过程{X(t),t∈T}具有平稳性,称此过程为严平稳随机过程,简称随机过程。

若随机过程严格平稳,则可以得出以下结论:

其数学期望、方差与时间无关,自相关函数仅与时间间隔有关。

定义2(宽平稳随机过程)

给定二阶矩过程{X(t),t∈T},如果对任意的t,t+h∈T,有

(1)E[X(t)]=Cx(常数) (2)E[X(t)X(t+h)]=R(h)

则称{X(t),t∈T}为宽平稳(随机)过程或广义平稳(随机)过程。

注:二阶矩过程定义:如果随机过程{X(t),t∈T}对每一个t∈T,二阶矩E[X(t)·X(t)]都存在,那么称它为二阶矩过程。

要证明某个随机过程是否是宽平稳过程(广义平稳过程)就必须的满足以上定义中的三个条件:

(1)E[X(t)]=Cx(常数)

(2)E[X(t)X(t+h)]=R(h)

(3) < +∞

定义区别联系

严平稳随机过程与宽平稳随机过程区别联系

(1)一个宽平稳过程不一定是严平稳过程,一个严平稳过程也不一定宽平稳过程。

例1:X(n)=sinwn,n=0,1,2,…,其中w服从U(0,2π),随机过程{X(n),n=0,1,2,…}是宽平稳过程,但不是严平稳过程。

例2:服从柯西分布的随机变量序列是严平稳随机过程,但不是宽平稳随机过程。

(2)宽平稳过程定只涉及与一维、二维分布有关的数字特征,所以一个严平稳过程只要二阶矩存在,则必定是宽平稳过程。但反过来,一般是不成立的。

(3)正态过程是一个重要特例,一个宽平稳的正态过程必定是严平稳的。

这是因为:正态过程的概率密度是由均值函数和自相关函数完全确定的,因而如果均值函数和自相关函数不随时间的推移而变化,则概率密度函数也不随时间的推移发生变化。

各态历经性

事实证明:如果一个平稳随机过程,只要满足一些较宽的条件,则一个样本函数在整个时间轴上的平均值可以用来代替其集平均(统计平均值和自相关函数等),这就是各态历经性

一般来说,在一个随机过程中,不同样本函数的时间平均值是不一定相同的,而集平均则是一定的。因此,一般的随机过程的时间平均≠集平均,只有平稳随机过程才有可能是具有各态历经性的。即各态历经的随机过程一定是平稳的,而平稳的随机过程则需要满足一定条件才是各态历经的。

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