Alex_McAvoy

想要成为渔夫的猎手

随机过程的基本概念

【随机过程的定义】

随机过程是概率论的继续与发展,其研究对象是随时间演变的随机现象

从数学的角度来说,就是事物的变化过程无法用一个或几个由时间 $t$ 来确定的函数进行描绘,也就是说,对事物变化的过程进行一次观察,得到的结果是一个关于时间 $t$ 的函数,但对同一事物的变化过程独立地进行多次观察,得到的结果是不同的

随机过程被定义为一族二元函数,设 $(\Omega,\mathscr{F},P)$ 是一概率空间,$T$ 是一个实参数集,对于定义在 $\Omega$ 与 $T$ 上的二元函数 $X(\omega,t)$,若对任意固定的 $t\in T$,$X(\omega,t)$ 是 $(\Omega,\mathscr{F},P)$ 上的随机变量,则称

为概率空间 $(\Omega,\mathscr{F},P)$ 上的随机过程,记为 $\{X(t),t\in T\}$


固定 $\omega=\omega_0\in\Omega$,此时,$X(t)$ 是定义在 $T$ 上的一个不再具有随机性的普通函数,记为 $x(t)$,称为随机过程的一个样本函数,其图像是随机过程的一条样本曲线

固定 $t=t_0\in T$,此时 $X(t)$ 在 $t_0$ 的数值为 $X(t_0)$,第一次试验值为 $x_1(t_0)$,第二次试验值为 $x_2(t_0)$,以此类推,显然 $X(t)$ 是一个随机变量,由此,存在如下定义:

设 $\{X(t),t\in T\}$ 是随机过程,则当 $t$ 固定时,$X(t)$ 是一个随机变量,其是随机过程 $\{X(t),t\in T\}$ 在 $t$ 时刻的状态

随机变量 $X(t)$($t$ 固定且 $t\in T$)所有可能的取值构成的集合被称为随机过程的状态空间,记为 $S$

【随机过程的类型】

根据参数集 $T$ 和状态空间 $S$ 是离散集还是连续集,可分为以下四类

1)离散参数、离散状态

参数集 $T$ 是离散的,对于固定的 $t\in T$,$X(t)$ 是离散型随机变量

考虑投掷一颗骰子的试验,设 $X_n$ 是第 $n$ 次投掷的点数,对于 $n=1,2,\cdots$ 的不同值,$X_n$ 是不同的随机变量

因而 $\{X_n,n\geq 1\}$ 构成一随机过程,称为伯努利过程,其参数集为 $T=\{1,2,\cdots\}$,状态空间为 $S=\{1,2,\cdots,6\}$

2)离散参数、连续状态

参数集 $T$ 是离散的,对于固定的 $t\in T$,$X(t)$ 是连续型随机变量

设 $X_n,n=\cdots,-2,-1,0,1,2,\cdots$ 是相互独立且同分布服从标准正态分布的随机变量,则 $\{X_n,n=\cdots,-2,-1,0,1,2,\cdots\}$ 为一随机过程,其参数集为 $T=\{\cdots,-2,-1,0,1,2,\cdots\}$,状态空间为 $S=(-\infty,+\infty)$

3)连续参数、离散状态

参数集 $T$ 是连续的,对于固定的 $t\in T$,$X(t)$ 是离散型随机变量

设 $X(t)$ 为在 $[0,t]$ 期间内到达服务点的顾客数,对于 $t\in [0,+\infty)$ 的不同值,$X(t)$ 是不同的随机变量,则 $\{X(t),t\geq 0\}$ 构成一随机过程,其参数集为 $T=[0,+\infty)$,状态空间为 $S=\{0,1,2,\cdots\}$

4)连续参数、连续状态

参数集 $T$ 是连续的,同时对于固定的 $t\in T$,$X(t)$ 是连续型随机变量

设 $X(t)=A\cos (\omega t+\varphi),-\infty0$,$\omega$ 是实常数,$\varphi$ 服从区间 $[-\pi,\pi]$ 上的均匀分布,则 $\{X(t),-\infty<t<+\infty\}$ 为一随机过程,其参数集为 $T=(-\infty,+\infty)$,状态空间为 $S=[-A,A]$

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