Stochastic Process

HW8

如有错误,烦请指正.

1

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(1)

因为 Z1,Z2U(1,1),所以

fZ1(z)=fZ2(z)=fZ(z)=12,1<x<1,

E(Z1)=E(Z2)=0,Var(Z1)=Var(Z2)=1/3.

所以

E(Z12)=Var(Z1)(E(Z1))2=13=E(Z22),

又因为 Z1,Z2 相互独立,E(Z1Z2)=E(Z1)E(Z2)=0.

所以,

E(X(t))=E(Z1cosλt+Z2sinλt)=cosλtE(Z1)+sinλtE(Z2)=0

为常数;

协方差函数

R(t,t+s)=E[(X(t)EX(t))(X(t+s)EX(t+s))]=E[X(t)X(t+s)]=E[(Z1cosλt+Z2sinλt)(Z1cosλ(t+s)+Z2sinλ(t+s))]=E{Z12cosλtcosλ(t+s)+Z22sinλtsinλ(t+s)+Z1Z2[cosλtsinλ(t+s)+sinλtcosλ(t+s)]}=E(Z12)cosλtcosλ(t+s)+E(Z22)sinλtsinλ(t+s)+E(Z1Z2)sinλ(2t+s)=13(cosλtcosλ(t+s)+sinλtsinλ(t+s))=13cosλs

只与时间差 s 有关,记为

R(τ)=13cosλτ.

特别,

Var(X(t))=R(0)=13,E(X2(t))=Var(X(t))+(E(X(t)))2=13<.

所以 {X(t)} 为宽平稳的.

(2)

不是,因为随机过程 X(t) 的一维分布与 t 有关,所以必然不是严平稳的.

(3)

考虑极限

limT1T02T(1τ2T)R(τ) dτ.

因为

(1τ2T)R(τ)=13cosλτ16Tτcosλτ,

所以

02T(1τ2T)R(τ) dτ=1302Tcosλτ dτ16T02Tτcosλτ dτ=13λsinλτ|02T16λT02Tτ dsinλτ=13λsin2λT16λT(τsinλτ|02T02Tsinλτ dτ)=13λsin2λT16λT(2Tsin2λT+cosλτλ|02T)=13λsin2λT16λT(2Tsin2λT+cos2λT1λ)=13λsin2λT13λsin2λTcos2λT16λ2T=1cos2λT6λ2T

所以,

1T02T(1τ2T)R(τ) dτ=1cos2λT6λ2T20,T.

即,{X(t)} 的均值遍历性成立.

2

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(1)

对随机变量 Θ

fΘ(θ)=12π,0<θ<2π,E(Θ)=π,Var(Θ)=π23,E(Θ2)=Var(Θ)+E2(Θ)=4π23,
E(cos(ωt+Θ))=02πcos(ωt+θ)fΘ(θ) dθ=12π02πcos(ωt+θ) dθ=0,E(cos(ω(2t+s)+Θ))=0.

对随机变量 A

f(x)=xσ2ex22σ2,x>0,
E(A)=0+xf(x) dx=0+x2σ2ex22σ2 dx=0+y2e12y2σdy(y=x/σ)=σ0+yαeβy2 dy|α=2,β=1/2=σΓ((α+1)/2)2β(α+1)/2|α=2,β=1/2=σΓ(32)2×(12)3/2=2σΓ(1+12)=22σΓ(1/2)=2π2σ,
E(A2)=0+x2f(x) dx=0+x3σ2ex22σ2 dx=σ20+y3e12y2 dy(y=x/σ)=σ2Γ((α+1)/2)2β(α+1)/2|α=3,β=1/2=σ2Γ(2)2×(12)2=σ211/2=2σ2,
Var(A)=E(A2)E2(A)=2σ2π2σ2=(2π2)σ2.

现在考察过程 X(t)=Acos(ωt+Θ).

因为 A,Θ 相互独立,所以 AΘ 的函数 cos(ωt+Θ) 也相互独立,所以

E(X(t))=E[Acos(ωt+Θ)]=E(A)E(cos(ωt+Θ))=0,

为常数;

协方差函数

R(t,t+s)=E[(X(t)EX(t))(X(t+s)EX(t+s))]=E[X(t)X(t+s)]=E[A2cos(ωt+Θ)cos(ω(t+s)+Θ)]=E[A22(cosωs+cos(ω(2t+s)+Θ))]=12cosωsE(A2)+12E[A2cos(ω(2t+s)+Θ)]=σ2cosωs+12E(A2)E(cos(ω(2t+s)+Θ))(A2,cos(ω(2t+s)+Θ))=σ2cosωs

只与时间差 s 有关,记为

R(τ)=σ2cosωτ.

特别,

Var(X(t))=R(0)=σ2,E(X2(t))=Var(X(t))+E2(X(t))=σ2<.

所以 {X(t),tR} 为(宽)平稳过程.

(2)

limT1T02T(1τ2T)R(τ) dτ=σ2limT1T02T(1τ2T)cosωτ dτ=σ2limT1T(02Tcosωτ dτ12T02Tτcosωτ dτ)=σ2limT1T(1ωsin2ωT12T2ωTsin2ωT+cos2ωT1ω2)=σ2limT1T(1ωsin2ωTsin2ωTω+1cos2ωT2ω2T)=σ2limT1cos2ωT2ω2T2=0.

所以 {X(t),tR} 的均值具有遍历性.