3

Гауссовские случайные векторы и процессы

[25/100%]
Показать
LaTeX
Задача 3.1
?
(a)

Пусть X,YX, Y — независимые и одинаково распределённые случайные величины, каждая с плотностью fX(x)=αexp⁡(−x2/2)f_X(x) = \alpha \exp (-x^2/2). В (б) мы покажем, что α\alpha должно равняться 1/2π1/\sqrt{2\pi }, чтобы fX(x)f_X(x) интегрировалась в 1, но в этой части оставим α\alpha неопределённым. Пусть S=X2+Y2S = X^2 + Y^2. Найдите плотность вероятности SS через α\alpha.

(b)

Докажите из (а), что α\alpha должно равняться 1/2π1/\sqrt{2\pi }, чтобы SS, а значит, и XX, и YY, были случайными величинами. Покажите, что E[X]=0\mathbb {E}\left[X\right] = 0 и что E[X2]=1\mathbb {E}\left[X^2\right] = 1.

(c)

Найдите плотность вероятности R=SR = \sqrt{S}. RR называется случайной величиной Рэлея.

Задача 3.2
?
(a)

Разложив в степенной ряд по (1/2)r2σ2(1/2)r^2\sigma^2, покажите, что

exp⁡(r2σ22)=1+r2σ22+r4σ42(22)+⋯+r2kσ2kk!2k+⋯ . \exp \left(\frac{r^2\sigma ^2}{2}\right) = 1 + \frac{r^2\sigma ^2}{2} + \frac{r^4\sigma ^4}{2(2^2)} + \cdots + \frac{r^{2k}\sigma ^{2k}}{k!2^k} + \cdots .
(b)

Разложив erZe^{rZ} в степенной ряд по rZrZ, покажите, что

gZ(r)=E[erZ]=1+rE[Z]+r2E[Z2]2+⋯+rkE[Zk]k!+⋯ . g_Z(r) = \mathbb {E}\left[e^{rZ}\right] = 1 + r\mathbb {E}\left[Z\right] + \frac{r^2\mathbb {E}\left[Z^2\right]}{2} + \cdots + \frac{r^k\mathbb {E}\left[Z^k\right]}{k!} + \cdots .
(c)

Сопоставив степени rr в (а) и (б), покажите, что для всех целых k≥1k \geq 1

E[Z2k]=(2k)!σ2kk!2k=(2k−1)(2k−3)⋯(3)(1)σ2k;E[Z2k+1]=0. \mathbb {E}\left[Z^{2k}\right] = \frac{(2k)!\sigma ^{2k}}{k!2^k} = (2k-1)(2k-3)\cdots (3)(1)\sigma ^{2k} \quad ; \qquad \mathbb {E}\left[Z^{2k+1}\right] = 0.
Задача 3.3

Пусть XX и ZZ — н.о.р. нормированные гауссовские с.в. Пусть Y=∣Z∣Sgn⁡(X)Y = \left|Z\right|\operatorname {Sgn}(X), где Sgn⁡(X)\operatorname {Sgn}(X) равно 1, если X≥0X \geq 0, и −1-1 в противном случае. Покажите, что XX и YY каждая по отдельности гауссовская, но не являются совместно гауссовскими. Изобразите контуры равной совместной плотности вероятности.

?
Задача 3.4
?
(a)

Пусть X1∼N(0,σ12)X_1 \sim N(0,\sigma_1^2), и пусть X2∼N(0,σ22)X_2 \sim N(0,\sigma_2^2) независима от X1X_1. Свернув плотность X1X_1 с плотностью X2X_2, покажите, что X1+X2X_1+X_2 гауссовская, N(0,σ12+σ22)N(0,\sigma_1^2+\sigma_2^2).

(b)

Пусть W1,W2W_1, W_2 — н.о.р. нормированные гауссовские с.в. Покажите, что a1W1+a2W2a_1W_1+a_2W_2 гауссовская, N(0,a12+a22)N(0,a_1^2+a_2^2).

(c)

Объедините (б) с индукцией, чтобы показать, что все линейные комбинации н.о.р. нормированных гауссовских с.в. являются гауссовскими.

Задача 3.5
?
(a)

Пусть U→\overrightarrow {U} — nn-мерная с.в. со средним m→\overrightarrow {m} и ковариацией [K][K], чья ПФМ задаётся (3.18):

gU→(r→)=exp⁡(r→Tm→+r→T[K]r→2). g_{\overrightarrow {U}}(\overrightarrow {r}) = \exp \left(\overrightarrow {r}^{\mathrm T}\overrightarrow {m} + \frac{\overrightarrow {r}^{\mathrm T}[K]\overrightarrow {r}}{2}\right).

Пусть X=r→TU→X = \overrightarrow {r}^{\mathrm T}\overrightarrow {U} для произвольного вещественного nn-мерного вектора r→\overrightarrow {r}. Покажите, что ПФМ для XX задаётся как gX(r)=exp⁡[rE[X]+r2σX2/2]g_X(r) = \exp \left[r\mathbb {E}\left[X\right]+r^2\sigma_X^2/2\right], и свяжите E[X]\mathbb {E}\left[X\right] и σX2\sigma_X^2 с m→\overrightarrow {m} и [K][K].

(b)

Покажите, что U→\overrightarrow {U} является гауссовской с.в.

Задача 3.6
?
(a)

Пусть Z→∼N(0,[K])\overrightarrow {Z} \sim N(0,[K]) — nn-мерный вектор. Разлагая в степенной ряд по (1/2)r→T[K]r→(1/2)\overrightarrow {r}^{\mathrm T}[K]\overrightarrow {r}, покажите, что

gZ→(r→)=exp⁡[r→T[K]r→2]=1+∑j,krjrkKj,k2+⋯+(∑j,krjrkKj,k)m2mm!+⋯ . g_{\overrightarrow {Z}}(\overrightarrow {r}) = \exp \left[\frac{\overrightarrow {r}^{\mathrm T}[K]\overrightarrow {r}}{2}\right] = 1 + \frac{\sum _{j,k} r_j r_k K_{j,k}}{2} + \cdots + \frac{\left(\sum _{j,k} r_j r_k K_{j,k}\right)^m}{2^m m!} + \cdots .
(b)

Разлагая erjZje^{r_j Z_j} в степенной ряд по rjZjr_j Z_j для каждого jj, покажите, что

gZ→(r→)=E[exp⁡(∑jrjZj)]=∑l1=0∞⋯∑ln=0∞r1l1(l1)!⋯rnln(ln)!E[Z1l1…Znln]. g_{\overrightarrow {Z}}(\overrightarrow {r}) = \mathbb {E}\left[\exp \left(\sum _j r_j Z_j\right)\right] = \sum _{l_1=0}^{\infty } \cdots \sum _{l_n=0}^{\infty } \frac{r_1^{l_1}}{(l_1)!} \cdots \frac{r_n^{l_n}}{(l_n)!} \mathbb {E}\left[Z_1^{l_1} \ldots Z_n^{l_n}\right].
(c)

Пусть D={i1,i2,…,i2m}D = \left\{ i_1, i_2, \ldots , i_{2m}\right\} — множество из 2m2m различных целых чисел, каждое между 1 и nn, и пусть j1,…,j2mj_1, \ldots , j_{2m} — некоторая перестановка DD. Рассмотрите член rj1rj2⋯rj2mE[Zj1Zj2⋯Zj2m]r_{j_1} r_{j_2} \cdots r_{j_{2m}} \mathbb {E}\left[Z_{j_1} Z_{j_2} \cdots Z_{j_{2m}}\right] в (б) и пусть (j1,…jn)(j_1, \ldots j_n) — перестановка DD. Сравнивая с набором членов в (а), содержащих то же произведение rj1rj2⋯rj2mr_{j_1} r_{j_2} \cdots r_{j_{2m}}, покажите, что

E[Zj1Zj2⋯Zj2m]=∑j1j2…j2mKj1j2Kj3j4⋯Kj2m−1j2m2mm!, \mathbb {E}\left[Z_{j_1} Z_{j_2} \cdots Z_{j_{2m}}\right] = \frac{\sum _{j_1 j_2 \ldots j_{2m}} K_{j_1 j_2} K_{j_3 j_4} \cdots K_{j_{2m-1} j_{2m}}}{2^m m!},

где сумма берётся по всем перестановкам (j1,j2,…,j2m)(j_1, j_2, \ldots , j_{2m}) множества DD.

(d)

Найдите число перестановок DD, содержащих один и тот же набор неупорядоченных пар ({j1,j2},…,{j2m−1,j2m})(\left\{ j_1, j_2\right\} , \ldots , \left\{ j_{2m-1}, j_{2m}\right\} ). Например, ({1,2},{3,4})(\left\{ 1,2\right\} , \left\{ 3,4\right\} ) — тот же набор неупорядоченных пар, что и ({3,4},{2,1})(\left\{ 3,4\right\} , \left\{ 2,1\right\} ). Покажите, что

E[Zj1Zj2⋯Zj2m]=∑j1,j2,…,j2mKj1j2Kj3j4⋯Kj2m−1j2m,(3.114) \mathbb {E}\left[Z_{j_1} Z_{j_2} \cdots Z_{j_{2m}}\right] = \sum _{j_1,j_2,\ldots ,j_{2m}} K_{j_1 j_2} K_{j_3 j_4} \cdots K_{j_{2m-1} j_{2m}}, \tag {3.114}

где сумма берётся по различным наборам неупорядоченных пар множества DD. Замечание: другой способ сказать то же самое — сумма берётся по множеству всех перестановок DD, для которых j2k−1<j2kj_{2k-1} < j_{2k} при 1≤k≤m1 \leq k \leq m и j2k−1<j2k+1j_{2k-1} < j_{2k+1} при 1≤k≤m−11 \leq k \leq m-1.

(e)

Чтобы найти E[Z1j1⋯Znjn]\mathbb {E}\left[Z_1^{j_1} \cdots Z_n^{j_n}\right], где j1+j2+⋯+jn=2mj_1+j_2+\cdots +j_n = 2m, постройте с.в. U1,…,U2mU_1, \ldots , U_{2m}, где U1,…,Uj1U_1, \ldots , U_{j_1} все тождественно равны Z1Z_1, где Uj1+1,…,Uj1+j2U_{j_1+1}, \ldots , U_{j_1+j_2} тождественно равны Z2Z_2 и т.д., и используйте (3.114) для нахождения E[U1U2⋯U2m]\mathbb {E}\left[U_1 U_2 \cdots U_{2m}\right]. Используйте эту формулу, чтобы найти E[Z12Z2Z3]\mathbb {E}\left[Z_1^2 Z_2 Z_3\right], E[Z12Z22]\mathbb {E}\left[Z_1^2 Z_2^2\right] и E[Z1]4\mathbb {E}\left[Z_1\right]^4.

Задача 3.7

Пусть [Q][Q] — ортонормированная матрица. Покажите, что квадрат расстояния между любыми двумя векторами z→\overrightarrow {z} и y→\overrightarrow {y} равен квадрату расстояния между [Q]z→[Q]\overrightarrow {z} и [Q]y→[Q]\overrightarrow {y}.

?
Задача 3.8
?
(a)

Пусть [K]=[0.750.250.250.75][K] = \left[\begin{smallmatrix} 0.75 & 0.25 \\ 0.25 & 0.75 \end{smallmatrix}\right]. Покажите, что 1 и 1/21/2 — собственные значения [K][K], и найдите нормированные собственные векторы. Представьте [K][K] в виде [QΛQ−1][Q\Lambda Q^{-1}], где [Λ][\Lambda ] диагональна, а [Q][Q] ортонормирована.

(b)

Пусть [K′]=α[K][K'] = \alpha [K] для действительного α≠0\alpha \neq 0. Найдите собственные значения и собственные векторы [K′][K']. Не используйте грубую силу — подумайте!

(c)

Найдите собственные значения и собственные векторы [Km][K^m], где [Km][K^m] — mm-я степень [K][K].

Задача 3.9

Пусть XX и YY — совместно гауссовские с математическими ожиданиями mX,mYm_X, m_Y, дисперсиями σX2,σY2\sigma_X^2, \sigma_Y^2 и нормированной ковариацией ρ\rho. Найдите условную плотность fX∣Y(x∣y)f_{X|Y}(x \mid y).

?
Задача 3.10
?
(a)

Пусть XX и YY — совместно гауссовские с нулевым математическим ожиданием, дисперсиями σX2,σY2\sigma_X^2, \sigma_Y^2 и нормированной ковариацией ρ\rho. Пусть V=Y3V = Y^3. Найдите условную плотность fX∣V(x∣v)f_{X|V}(x \mid v).

(b)

Пусть U=Y2U = Y^2; найдите условную плотность fX∣U(x∣u)f_{X|U}(x \mid u).

Задача 3.11
?
(a)

Пусть (X→T,Y→T)(\overrightarrow {X}^{\mathrm T}, \overrightarrow {Y}^{\mathrm T}) имеет невырожденную ковариационную матрицу [K][K]. Покажите, что [KX][K_X] и [KY][K_Y] положительно определены и, следовательно, невырождены.

(b)

Пусть X=(X1,…,Xn)TX = (X_1,\ldots ,X_n)^{\mathrm T} и Y=(Y1,…,Ym)TY = (Y_1,\ldots ,Y_m)^{\mathrm T} — совместно гауссовские случайные величины с нулевым средним, с ковариационными матрицами [KX][K_X] и [KY][K_Y] соответственно, и пусть [K][K] — ковариационная матрица (n+m)(n+m)-мерной случайной величины (X1,…,Xn,Y1,…,Ym)T(X_1,\ldots ,X_n,Y_1,\ldots ,Y_m)^{\mathrm T}, разбитая на блоки как [K] = \left[\begin{smallmatrix} [K_X] & [K_{X \cdot Y}] \\[K_{X \cdot Y}]^{\mathrm T} & [K_Y] \end{smallmatrix}\right]. Предполагая, что [K][K] невырождена, её обратную матрицу можно записать в блочном виде как

[K^{-1}] = \left[\begin{smallmatrix} [B] & [C] \\[C^{\mathrm T}] & [D] \end{smallmatrix}\right]. \tag {3.39}

Покажите, что матрицы [B][B] и [D][D] в (3.39) также положительно определены и, следовательно, невырождены.

Задача 3.12

Пусть X→\overrightarrow {X} и Y→\overrightarrow {Y} — совместно гауссовские случайные величины со средними m→X\overrightarrow {m}_X и m→Y\overrightarrow {m}_Y, ковариационными матрицами [KX][K_X] и [KY][K_Y] и взаимной ковариационной матрицей [KX⋅Y][K_{X \cdot Y}]. Найдите условную плотность вероятности fX∣Y(x→∣y→)f_{X|Y}(\overrightarrow {x} \mid \overrightarrow {y}). Предположите, что ковариация (X→T,Y→T)(\overrightarrow {X}^{\mathrm T}, \overrightarrow {Y}^{\mathrm T}) невырождена.

?
Задача 3.13
?
(a)

Пусть W→\overrightarrow {W} — нормированная н.о.р. гауссовская nn-мерная случайная величина, а Y→\overrightarrow {Y} — гауссовская mm-мерная случайная величина. Предположим, что мы хотим, чтобы совместная ковариация E[W→Y→T]\mathbb {E}\left[\overrightarrow {W}\overrightarrow {Y}^{\mathrm T}\right] была произвольной вещественнозначной матрицей [K][K] размера n×mn \times m. Найдите матрицу [A][A] такую, что Y→=[A]W→\overrightarrow {Y} = [A]\overrightarrow {W} обеспечивает требуемую совместную ковариацию. Замечание: это показывает, что любая вещественнозначная матрица размера n×mn \times m является совместной ковариационной матрицей для некоторого выбора случайных величин.

(b)

Пусть Z→\overrightarrow {Z} — гауссовская nn-мерная случайная величина с нулевым средним и невырожденной ковариацией [KZ][K_Z], а Y→\overrightarrow {Y} — гауссовская mm-мерная случайная величина. Предположим, что мы хотим, чтобы совместная ковариация E[Z→Y→T]\mathbb {E}\left[\overrightarrow {Z}\overrightarrow {Y}^{\mathrm T}\right] была произвольной матрицей [K′][K'] размера n×mn \times m. Найдите матрицу [B][B] такую, что Y→=[B]Z→\overrightarrow {Y} = [B]\overrightarrow {Z} обеспечивает требуемую совместную ковариацию. Замечание: это показывает, что любая вещественнозначная матрица размера n×mn \times m является совместной ковариационной матрицей для некоторого выбора случайных величин Z→\overrightarrow {Z} и Y→\overrightarrow {Y}, где [KZ][K_Z] задана (и невырождена).

(c)

Теперь предположим, что Z→\overrightarrow {Z} в пункте (б) имеет вырожденную ковариационную матрицу. Объясните, какие ограничения это накладывает на возможные значения совместной ковариации E[Z→Y→T]\mathbb {E}\left[\overrightarrow {Z}\overrightarrow {Y}^{\mathrm T}\right].

Задача 3.14
?
(a)

Пусть W→=(W1,W2,…,W2n)T\overrightarrow {W} = (W_1,W_2,\ldots ,W_{2n})^{\mathrm T} — 2n2n-мерная н.о.р. нормированная гауссовская случайная величина. Пусть S2n=W12+W22+⋯+W2n2S_{2n} = W_1^2+W_2^2+\cdots +W_{2n}^2. Покажите, что S2nS_{2n} является эрланговской случайной величиной порядка nn с параметром 1/21/2, то есть что fS2n(s)=2−nsn−1e−s/2/(n−1)!f_{S_{2n}}(s) = 2^{-n}s^{n-1}e^{-s/2}/(n-1)!.

(b)

Пусть R2n=S2nR_{2n} = \sqrt{S_{2n}}. Найдите плотность вероятности R2nR_{2n}.

(c)

Пусть v2n(r)v_{2n}(r) — объём 2n2n-мерной сферы радиуса rr, а b2n(r)b_{2n}(r) — площадь поверхности этой сферы, то есть b2n(r)=dv2n(r)/drb_{2n}(r) = dv_{2n}(r)/dr. Цель этого упражнения — показать, как вычислять эти величины. Рассматривая бесконечно тонкий сферический слой толщины δ\delta на радиусе rr, покажите, что

fR2n(r)=b2n(r)fW→(w→)∣W→:W→TW→=r2.(A.50) f_{R_{2n}}(r) = b_{2n}(r) f_{\overrightarrow {W}}(\overrightarrow {w}) \big|_{\overrightarrow {W}:\overrightarrow {W}^{\mathrm T}\overrightarrow {W}=r^2}. \tag {A.50}
(d)

Вычислите b2n(r)b_{2n}(r) и v2n(r)v_{2n}(r). Заметьте, что при любом фиксированном δ≪r\delta \ll r предельное отношение (при n→∞n \rightarrow \infty) объёма сферы радиуса rr к объёму сферического слоя толщины δ\delta с внешним радиусом rr равно 1.

Задача 3.15

Решите напрямую относительно [B][B], [C][C] и [D][D] в (3.39) для одномерного случая, когда n=m=1n=m=1. Покажите, что (3.40) согласуется с (3.37).

?
Задача 3.16
?
(a)

Выразите [B][B], [C][C] и [D][D], определённые в (3.39), через [KX][K_X], [KY][K_Y] и [KX⋅Y][K_{X \cdot Y}], перемножив блочное представление для [K][K] и для [K]−1[K]^{-1}. Вы можете сверить свои решения с (3.46)--(3.48). Указание: [B][B] и [C][C] можно найти, рассмотрев только два из четырёх блочных уравнений в [KK−1][KK^{-1}]. Для нахождения [D][D] можно воспользоваться симметрией между XX и YY.

(b)

Используя результат пункта (а) для [C][C] и симметрию между XX и YY, покажите, что

[BKX⋅YKY−1]=[KX−1KX⋅YD]. [BK_{X \cdot Y}K_Y^{-1}] = [K_X^{-1}K_{X \cdot Y}D].
(c)

Теорема 3.5.2 показывает, что нулевого среднего совместно гауссовская, совместно невырожденная пара X,YX, Y может быть эквивалентно представлена как X=[G]Y+VX = [G]Y+V, где YY и VV независимы, причём

[G]=[KX⋅YKY−1],[KV]=[KX]−[GKYGT],(3.44, 3.45) [G] = [K_{X \cdot Y}K_Y^{-1}], \qquad [K_V] = [K_X]-[GK_YG^{\mathrm T}], \tag {3.44, 3.45}

или, поменяв ролями XX и YY, как Y=[H]X+ZY = [H]X+Z, где XX и ZZ независимы, причём

[H]=[KY⋅XKX−1],[KZ]=[KY]−[KY⋅XKX−1KY⋅XT].(3.50, 3.51) [H] = [K_{Y \cdot X}K_X^{-1}], \qquad [K_Z] = [K_Y]-[K_{Y \cdot X}K_X^{-1}K_{Y \cdot X}^{\mathrm T}]. \tag {3.50, 3.51}

Для представлений X=[G]Y+VX = [G]Y+V и Y=[H]X+ZY = [H]X+Z, где XX и YY имеют нулевое среднее, совместно гауссовские и обладают невырожденной совместной ковариационной матрицей, покажите, что

[KV−1G]=[HTKZ−1].(3.115) [K_V^{-1}G] = [H^{\mathrm T}K_Z^{-1}]. \tag {3.115}
Задача 3.17

Пусть XX и ZZ — статистически независимые гауссовские случайные величины произвольной размерности nn и mm соответственно. Пусть Y=[H]X+ZY = [H]X+Z, где [H][H] — произвольная вещественная матрица размера n×mn \times m.

?
(a)

Объясните, почему X1,…,Xn,Z1,…,ZmX_1,\ldots ,X_n,Z_1,\ldots ,Z_m должны быть совместно гауссовскими случайными величинами. Затем объясните, почему X1,…,Xn,Y1,…,YmX_1,\ldots ,X_n,Y_1,\ldots ,Y_m должны быть совместно гауссовскими.

(b)

Покажите, что если [KX][K_X] и [KZ][K_Z] невырождены, то совместная ковариационная матрица [K][K] для (X1,…,Xn,Y1,…,Ym)T(X_1,\ldots ,X_n,Y_1,\ldots ,Y_m)^{\mathrm T} должна быть невырожденной.

Задача 3.18

Пусть α\alpha — вещественное число, ∣α∣<1\left|\alpha \right| < 1, и рассмотрим дискретный по времени гауссовско-марковский процесс {X(n);n∈Z+}\left\{ X(n); n \in \mathbb {Z}^{+}\right\}, определённый через IID гауссовский процесс {W(n);n∈Z}\left\{ W(n); n \in \mathbb {Z}\right\}, где каждое W(n)∼N(0,σ2)W(n) \sim N(0,\sigma^2), следующим образом:

X(n+1)=αX(n)+W(n) для n∈Z+,X(0)=0.(3.54) X(n+1) = \alpha X(n)+W(n) \text{ для } n \in \mathbb {Z}^{+}, \qquad X(0) = 0. \tag {3.54}

Применяя (3.54) рекурсивно,

X(n)=W(n−1)+αW(n−2)+α2W(n−3)+⋯+αn−1W(0).(3.55) X(n) = W(n-1)+\alpha W(n-2)+\alpha ^2 W(n-3)+\cdots +\alpha ^{n-1}W(0). \tag {3.55}

Поскольку {W(n);n≥0}\left\{ W(n); n \geq 0\right\} — гауссовский процесс с нулевым средним, {Xn;n≥0}\left\{ X_n; n \geq 0\right\} — тоже, и его ковариационная функция равна

E[X(n)X(n+k)]=σ2(1−α2n)αk1−α2.(3.56) \mathbb {E}\left[X(n)X(n+k)\right] = \frac{\sigma ^2(1-\alpha ^{2n})\alpha ^k}{1-\alpha ^2}. \tag {3.56}
?
(a)

Проверьте (3.56) для k=0k=0, используя индукцию по (3.54).

(b)

Проверьте (3.56) для k=0k=0 непосредственно из (3.55).

(c)

Проверьте (3.56) для k>0k>0, используя индукцию по kk.

(d)

Проверьте, что

lim⁡n→∞E[X(n)X(n+k)]=σ2αk1−α2. \lim _{n \rightarrow \infty } \mathbb {E}\left[X(n)X(n+k)\right] = \frac{\sigma ^2\alpha ^k}{1-\alpha ^2}.
Задача 3.19

Пусть {X(t);t∈R}\left\{ X(t); t \in \mathbb {R}\right\} определён как X(t)=tAX(t) = tA для всех t∈Rt \in \mathbb {R}, где A∼N(0,1)A \sim N(0,1). Покажите, что это гауссовский процесс. Найдите его среднее для каждого tt и найдите его ковариационную функцию.

?
Примечание.
?

Цель этого упражнения — показать, что гауссовские процессы могут быть весьма вырожденными и тривиальными.

Задача 3.20

Пусть {X(t);t≥0}\left\{ X(t); t \geq 0\right\} — случайный процесс с независимыми и стационарными приращениями, и пусть X(0)X(0) — произвольная случайная величина. Покажите, что E[X(t)]=E[X(0)]+tE[X(1)−X(0)]\mathbb {E}\left[X(t)\right] = \mathbb {E}\left[X(0)\right]+t\mathbb {E}\left[X(1)-X(0)\right] и что

KX(t,τ)=Var⁡[X(0)]+t[Var⁡[X(1)]−Var⁡[X(0)]]. K_X(t,\tau ) = \operatorname {Var}\left[X(0)\right]+t\left[\operatorname {Var}\left[X(1)\right]-\operatorname {Var}\left[X(0)\right]\right].
?
Задача 3.21
?
(a)

Пусть X(t)=Rcos⁡(2πft+θ)X(t) = R\cos (2\pi f t+\theta ), где RR — релеевская с.в., а с.в. θ\theta независима от RR и равномерно распределена на интервале от 0 до 2π2\pi. Покажите, что E[X(t)]=0\mathbb {E}\left[X(t)\right] = 0.

(b)

Покажите, что E[X(t)X(t+τ)]=12E[R2]cos⁡(2πfτ)\mathbb {E}\left[X(t)X(t+\tau )\right] = \frac{1}{2}\mathbb {E}\left[R^2\right]\cos (2\pi f \tau ).

(c)

Покажите, что {X(t);t∈R}\left\{ X(t); t \in \mathbb {R}\right\} — гауссовский процесс.

Задача 3.22

Пусть h(t)h(t) — вещественная функция с интегрируемым квадратом, преобразование Фурье которой равно 0 при ∣f∣>B\left|f\right| > B для некоторого B>0B>0. Покажите, что ∑nh2(t−n/2B)=(1/2B)∫h2(τ) dτ\sum_n h^2(t-n/2B) = (1/2B)\int h^2(\tau )\, d\tau для всех t∈Rt \in \mathbb {R}.

?
Задача 3.23
?
(a)

Пусть Z→=(Z1,…,Zn)T\overrightarrow {Z} = (Z_1,\ldots ,Z_n)^{\mathrm T} — циркулярно-симметричный nn-мерный случайный вектор. Покажите, что ZkZ_k циркулярно симметрична для каждого kk, 1≤k≤n1 \leq k \leq n.

(b)

Покажите, что Z1+Z2Z_1+Z_2 циркулярно симметрична. Для произвольного комплексного nn-мерного вектора c→\overrightarrow {c} покажите, что c→TZ→\overrightarrow {c}^{\mathrm T}\overrightarrow {Z} — циркулярно симметричная с.в.

Задача 3.24

Пусть AA — комплексная гауссовская с.в., т.е. A=A1+iA2A = A_1+iA_2, где A1A_1 и A2A_2 — центрированные совместно гауссовские вещественные с.в. с дисперсиями σ12\sigma_1^2 и σ22\sigma_2^2 соответственно.

?
(a)

Покажите, что E[AA∗]=σ12+σ22\mathbb {E}\left[AA^*\right] = \sigma_1^2+\sigma_2^2.

(b)

Покажите, что

E[(AA∗)2]=3σ14+3σ24+2σ12σ22+4(E[A1A2])2. \mathbb {E}\left[(AA^*)^2\right] = 3\sigma _1^4+3\sigma _2^4+2\sigma _1^2\sigma _2^2+4\left(\mathbb {E}\left[A_1A_2\right]\right)^2.
(c)

Покажите, что E[(AA∗)2]≥2(E[AA∗])2\mathbb {E}\left[(AA^*)^2\right] \geq 2\left(\mathbb {E}\left[AA^*\right]\right)^2, причём равенство достигается тогда и только тогда, когда A1A_1 и A2A_2 н.о.р.

(d)

Покажите, что Var⁡[AA∗]≥(E[AA∗])2\operatorname {Var}\left[AA^*\right] \geq \left(\mathbb {E}\left[AA^*\right]\right)^2.

Задача 3.25

Пусть KX(t)K_X(t) — ковариационная функция WSS-процесса {X(t);t∈R}\left\{ X(t); t \in \mathbb {R}\right\}. Покажите, что если KX(t)K_X(t) непрерывна при t=0t=0, то она непрерывна всюду.

?