Гауссовские случайные векторы и процессы
[25/100%]Пусть — независимые и одинаково распределённые случайные величины, каждая с плотностью . В (б) мы покажем, что должно равняться , чтобы интегрировалась в 1, но в этой части оставим неопределённым. Пусть . Найдите плотность вероятности через .
Докажите из (а), что должно равняться , чтобы , а значит, и , и , были случайными величинами. Покажите, что и что .
Найдите плотность вероятности . называется случайной величиной Рэлея.
Разложив в степенной ряд по , покажите, что
Разложив в степенной ряд по , покажите, что
Сопоставив степени в (а) и (б), покажите, что для всех целых
Пусть и — н.о.р. нормированные гауссовские с.в. Пусть , где равно 1, если , и в противном случае. Покажите, что и каждая по отдельности гауссовская, но не являются совместно гауссовскими. Изобразите контуры равной совместной плотности вероятности.
Пусть , и пусть независима от . Свернув плотность с плотностью , покажите, что гауссовская, .
Пусть — н.о.р. нормированные гауссовские с.в. Покажите, что гауссовская, .
Объедините (б) с индукцией, чтобы показать, что все линейные комбинации н.о.р. нормированных гауссовских с.в. являются гауссовскими.
Пусть — -мерная с.в. со средним и ковариацией , чья ПФМ задаётся (3.18):
Пусть для произвольного вещественного -мерного вектора . Покажите, что ПФМ для задаётся как , и свяжите и с и .
Покажите, что является гауссовской с.в.
Пусть — -мерный вектор. Разлагая в степенной ряд по , покажите, что
Разлагая в степенной ряд по для каждого , покажите, что
Пусть — множество из различных целых чисел, каждое между 1 и , и пусть — некоторая перестановка . Рассмотрите член в (б) и пусть — перестановка . Сравнивая с набором членов в (а), содержащих то же произведение , покажите, что
где сумма берётся по всем перестановкам множества .
Найдите число перестановок , содержащих один и тот же набор неупорядоченных пар . Например, — тот же набор неупорядоченных пар, что и . Покажите, что
где сумма берётся по различным наборам неупорядоченных пар множества . Замечание: другой способ сказать то же самое — сумма берётся по множеству всех перестановок , для которых при и при .
Чтобы найти , где , постройте с.в. , где все тождественно равны , где тождественно равны и т.д., и используйте (3.114) для нахождения . Используйте эту формулу, чтобы найти , и .
Пусть — ортонормированная матрица. Покажите, что квадрат расстояния между любыми двумя векторами и равен квадрату расстояния между и .
Пусть . Покажите, что 1 и — собственные значения , и найдите нормированные собственные векторы. Представьте в виде , где диагональна, а ортонормирована.
Пусть для действительного . Найдите собственные значения и собственные векторы . Не используйте грубую силу — подумайте!
Найдите собственные значения и собственные векторы , где — -я степень .
Пусть и — совместно гауссовские с математическими ожиданиями , дисперсиями и нормированной ковариацией . Найдите условную плотность .
Пусть и — совместно гауссовские с нулевым математическим ожиданием, дисперсиями и нормированной ковариацией . Пусть . Найдите условную плотность .
Пусть ; найдите условную плотность .
Пусть имеет невырожденную ковариационную матрицу . Покажите, что и положительно определены и, следовательно, невырождены.
Пусть и — совместно гауссовские случайные величины с нулевым средним, с ковариационными матрицами и соответственно, и пусть — ковариационная матрица -мерной случайной величины , 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 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 и в (3.39) также положительно определены и, следовательно, невырождены.
Пусть и — совместно гауссовские случайные величины со средними и , ковариационными матрицами и и взаимной ковариационной матрицей . Найдите условную плотность вероятности . Предположите, что ковариация невырождена.
Пусть — нормированная н.о.р. гауссовская -мерная случайная величина, а — гауссовская -мерная случайная величина. Предположим, что мы хотим, чтобы совместная ковариация была произвольной вещественнозначной матрицей размера . Найдите матрицу такую, что обеспечивает требуемую совместную ковариацию. Замечание: это показывает, что любая вещественнозначная матрица размера является совместной ковариационной матрицей для некоторого выбора случайных величин.
Пусть — гауссовская -мерная случайная величина с нулевым средним и невырожденной ковариацией , а — гауссовская -мерная случайная величина. Предположим, что мы хотим, чтобы совместная ковариация была произвольной матрицей размера . Найдите матрицу такую, что обеспечивает требуемую совместную ковариацию. Замечание: это показывает, что любая вещественнозначная матрица размера является совместной ковариационной матрицей для некоторого выбора случайных величин и , где задана (и невырождена).
Теперь предположим, что в пункте (б) имеет вырожденную ковариационную матрицу. Объясните, какие ограничения это накладывает на возможные значения совместной ковариации .
Пусть — -мерная н.о.р. нормированная гауссовская случайная величина. Пусть . Покажите, что является эрланговской случайной величиной порядка с параметром , то есть что .
Пусть . Найдите плотность вероятности .
Пусть — объём -мерной сферы радиуса , а — площадь поверхности этой сферы, то есть . Цель этого упражнения — показать, как вычислять эти величины. Рассматривая бесконечно тонкий сферический слой толщины на радиусе , покажите, что
Вычислите и . Заметьте, что при любом фиксированном предельное отношение (при ) объёма сферы радиуса к объёму сферического слоя толщины с внешним радиусом равно 1.
Решите напрямую относительно , и в (3.39) для одномерного случая, когда . Покажите, что (3.40) согласуется с (3.37).
Выразите , и , определённые в (3.39), через , и , перемножив блочное представление для и для . Вы можете сверить свои решения с (3.46)--(3.48). Указание: и можно найти, рассмотрев только два из четырёх блочных уравнений в . Для нахождения можно воспользоваться симметрией между и .
Используя результат пункта (а) для и симметрию между и , покажите, что
Теорема 3.5.2 показывает, что нулевого среднего совместно гауссовская, совместно невырожденная пара может быть эквивалентно представлена как , где и независимы, причём
или, поменяв ролями и , как , где и независимы, причём
Для представлений и , где и имеют нулевое среднее, совместно гауссовские и обладают невырожденной совместной ковариационной матрицей, покажите, что
Пусть и — статистически независимые гауссовские случайные величины произвольной размерности и соответственно. Пусть , где — произвольная вещественная матрица размера .
Объясните, почему должны быть совместно гауссовскими случайными величинами. Затем объясните, почему должны быть совместно гауссовскими.
Покажите, что если и невырождены, то совместная ковариационная матрица для должна быть невырожденной.
Пусть — вещественное число, , и рассмотрим дискретный по времени гауссовско-марковский процесс , определённый через IID гауссовский процесс , где каждое , следующим образом:
Применяя (3.54) рекурсивно,
Поскольку — гауссовский процесс с нулевым средним, — тоже, и его ковариационная функция равна
Проверьте (3.56) для , используя индукцию по (3.54).
Проверьте (3.56) для непосредственно из (3.55).
Проверьте (3.56) для , используя индукцию по .
Проверьте, что
Пусть определён как для всех , где . Покажите, что это гауссовский процесс. Найдите его среднее для каждого и найдите его ковариационную функцию.
Цель этого упражнения — показать, что гауссовские процессы могут быть весьма вырожденными и тривиальными.
Пусть — случайный процесс с независимыми и стационарными приращениями, и пусть — произвольная случайная величина. Покажите, что и что
Пусть , где — релеевская с.в., а с.в. независима от и равномерно распределена на интервале от 0 до . Покажите, что .
Покажите, что .
Покажите, что — гауссовский процесс.
Пусть — вещественная функция с интегрируемым квадратом, преобразование Фурье которой равно 0 при для некоторого . Покажите, что для всех .
Пусть — циркулярно-симметричный -мерный случайный вектор. Покажите, что циркулярно симметрична для каждого , .
Покажите, что циркулярно симметрична. Для произвольного комплексного -мерного вектора покажите, что — циркулярно симметричная с.в.
Пусть — комплексная гауссовская с.в., т.е. , где и — центрированные совместно гауссовские вещественные с.в. с дисперсиями и соответственно.
Покажите, что .
Покажите, что
Покажите, что , причём равенство достигается тогда и только тогда, когда и н.о.р.
Покажите, что .
Пусть — ковариационная функция WSS-процесса . Покажите, что если непрерывна при , то она непрерывна всюду.