
книги из ГПНТБ / Дроздов Н.Д. Линейная алгебра в теории уравнивания измерений
.pdfПо теореме 54 при С = |
^ВК = |
~гВ К получим |
|
|
|
||||
|| (Л"*) (-Щ |
К И = |
|| (А-1) |
(рВ) К || ^ |
|| (АР) |
(рВ) |
К ||. |
|||
А это с учетом (185) |
и (179) и означает, |
что |
|| К |
|| |
|| В"К ||. |
||||
Тик как согласно |
§ 55 норма столбцов совпадает с их евклидо |
||||||||
вой длиной, то, когда К = |
к — столбец |
и потому В + к и В~ к — |
|||||||
столбцы, выполняется неравенство |
| В + |
к] ==; |В~/с|. |
v |
|
|
||||
Решение X, = 5 |
+ |
К уравнений В Х = |
К назовем главным |
реше |
|||||
нием. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если уравнение |
ВХ = |
К несовместно, то матрицыX' = |
В _ К , |
естественно, не являются его решениями. Но если за меру неудо влетворения произвольной матрицы X ' нужных размеров уравне
нию ВХ |
= |
К |
принимать |
норму |
невязки, т. е. ЦК — В Х ' |
||, то |
матрица |
X |
= |
В + К менее |
всего |
не удовлетворяет ему. |
Иначе |
говоря, имеет место такое утверждение. |
|
|||||
Следствие |
3. |
|
|
|
||К-ВВ+ К||^ЦК-ВВ-К||.
|
В частности, когда К |
= к — столбец, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|fc-BB+ /c| |
|
| /с — BB-fc |. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Д |
Мы уже |
видели на |
стр. 177, что |
ВВ~ = В |
(рВ), |
где В |
— |
||||||||||||||
столбцово-невырожденнып |
сомножитель |
представления |
(178): |
|||||||||||||||||||
В = |
ВА. Поэтому с учетом (173) К - |
В В " К = |
[Е —В |
(рВ))К |
= |
|||||||||||||||||
= |
(Ар) |
АК, |
где L |
[Р*] |
_]_ L |
[R], |
& L |
[В |
] A- |
L [В]. |
В |
частности, |
||||||||||
при |
L |
[R] |
= |
|
L \В ] |
и, |
следовательно, |
L |
[Р*] |
= |
L |
\А*], |
имеем: |
|||||||||
К — В В + |
К |
= |
А-КАК. |
Но по теореме 54 при С - |
АК |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
\\(А-1)АК\\^\\(АР)АК\\. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Это |
и |
означает, |
что |
|
ЦК - |
В В + |
К |
|| < |
|| К |
— |
В В " К |
||. Так |
|||||||||
как норма' столбцов совпадает |
с их евклидовой длиной, то, |
когда |
||||||||||||||||||||
К |
= |
к — столбец и |
потому |
к — ВВ~ к — столбцы, |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
\к — ВВ+к\ |
^\к |
— ВВ'к\. |
V |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Отметим еще одну особенность главных g-обратных |
матриц. |
||||||||||||||||||||
Уже говорилось, что для квадратных невырожденных |
матриц |
|||||||||||||||||||||
может выполняться условие А* = |
А - |
1 |
(матрица А — ортогональ |
|||||||||||||||||||
ная). |
|
Оказывается, |
что для произвольных матриц В условие |
|||||||||||||||||||
В* |
= |
В~ |
не |
может |
быть |
удовлетворено, если В" не главная |
g- |
|||||||||||||||
обратная. Иначе говоря, справедлива такая теорема. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
Теорема 55. Если для |
матрицы В и g-обратной к ней |
В" |
вы |
||||||||||||||||||
полняется |
условие В* = |
В - , то В" = |
В + . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Д |
Это утверждение, очевидно, |
вытекает из определения |
глав |
||||||||||||||||||
ных ^-обратных матриц, так как ВВ*В |
= |
В по условию, что В* |
= |
|||||||||||||||||||
= |
В", |
а |
(ВВ*)* = |
ВВ* |
и (В*В)* = |
В*В |
— по правилам |
транс |
||||||||||||||
понирования, |
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Матрицы В, для которых В* = |
В + |
, естественно назвать |
g-opmo- |
||||||||||||||||||
гоналъными. |
|
|
< |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§66*. ЛИНЕЙНЫЕ Ф У Н К Ц И И СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН
Если |
вектор |
|
х = |
\\хх, х2, |
. . ., |
хт, хт+ |
ц . . . , |
хп\\* |
имеет |
|||
распределение |
с |
плотностью |
вероятностей |
р |
(хх, |
х2, |
. . ., |
хт, |
||||
хт+ і, • • ., хп), |
то |
плотность |
вероятностей |
р |
(хх, |
х2, |
. . ., |
хт) |
||||
•определяется в теории вероятностей |
[4] как |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
р (хх, х2, . . ., жт) = |
|
|
|
|
|
|
||
= |
J . . . J р |
(х1, |
х2, . . ., хт, |
хт+1, |
. . ., хп) |
dxm+1. |
. . dxn. |
(189) |
-оо
Тогда, согласно (139) и (189), математическое ожидание эле-,
ментов вектора |
||ж1( х2, |
. . ., |
хт ||* |
|
|
||
&i — ^ |
. . . ^ Х{Р {хх-, x2l |
. . ., Хцї) dxx |
dx2 |
. . . dxm —• |
|||
-oo |
|
|
|
|
|
|
|
+oo |
Г |
+ oo |
|
|
|
|
|
J . . . J a ^ | |
J • . • § P (^i, |
2%, • .' •, £mi |
xm+ii • • •> xn) |
||||
|
y.dxm+i,. |
. ., |
dxn |
dxx . . . |
dxm. |
|
Так как xl (і — 1, 2, . . ., лі) не зависит от переменных вну треннего интегрирования х т + 1 , . . ., хп, то его можно внести под этот интеграл, и тогда по правилу последовательного вычисления кратных интегралов
|
+0О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X cfo^ |
» |
. |
. dXfli |
. . . |
dxm |
|
|
|
т. е. элементы а( |
(i = |
1, |
2, |
. |
. ., т) математического |
ожидания |
|||||
вектора |
|| хх, х2, |
. . ., |
хт ||* совпадают с соответствующими по но |
||||||||
меру элементами |
щ (г: = 1, |
2, . . ., |
т, |
т -f- 1, |
. . ., п) |
математи |
|||||
ческого |
ожидания |
вектора |
|
Ца^, х2, |
. . |
., хт, |
хт + 1 , . |
. ., х„ ||*. |
|||
Рассмотрим теперь элемент kl}(i, |
/ |
= |
1, 2, |
. . ., т) |
ковариа |
||||||
ционной матрицы вектора |
\\хх, х2, |
. . ., |
хт |
\\*. |
Рассуждая вполне |
||||||
аналогично предыдущему, |
получим |
|
|
|
|
|
|||||
|
+оо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кЧ~ |
I ' • • J |
~~а ' ) (ХІ ~~ад Р ^ 1 ' Ж а ' • • •' Хт) d x l - • • dxm = |
1 -00
+00 .
=J . . . J f a — flfcHar/ — а у ) Х
т со |
|
|
|
|
dxx |
• , •• dXffi —' |
|
X |
|
|
|
|
|
||
J • - |
• J |
Р (3"1> |
• • ч xmi 3-rn+lj |
• • ч ^п) |
• • • |
dxn |
|
- оо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТОО |
|
|
|
|
|
= |
J |
. . . j |
(з,— щ) (Xj — |
afipfa, |
. . ., xm, xm+1, |
. . ., |
x„)x |
|
|
- c o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X dxx . . . dxm |
. . . dxn, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
т. е. элементы |
кц |
(i, 7 = |
1, |
2, . . ., m) |
ковариационной |
матрицы |
||||||||||||||
вектора |
\\xx, |
x\, |
. . ., |
xm |
И* совпадают |
с |
соответствующими |
по |
||||||||||||
индексам |
элементами кц (і, / = |
1, 2, . . ., m, wi-f-1, |
. . .,. п) |
ковари |
||||||||||||||||
ационной |
матрицы |
вектора |
Ца^, |
ж2 , . . ., хт, |
х1П+ х, |
. . ., |
a?rt |
||*. |
||||||||||||
Пусть л; = |
\\xlt |
|
Хо, |
. . ., |
, хп |
||* имеет распределение с матема |
||||||||||||||
тическим |
ожиданием |
а — ||а1? а 2 , . . ., ап |
|| и |
ковариационной |
||||||||||||||||
матрицей Кд. = |
\\k{j\\ |
или весовой матрицей К*1 |
= |
Рх |
= |
|| тп^ \\. |
||||||||||||||
Каковы |
математическое ожидание и ковариационная матрица |
|||||||||||||||||||
для g |
= |
\\ух, у2, |
. . ., |
у,п ||*, где |
m <Сп, связанного |
с х |
отноше |
|||||||||||||
нием у — |
Ах со строчно-невырожденной m X гг-матрпцей? |
|
||||||||||||||||||
Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим сначала преобра |
||||||||||||||||||||
зование с квадратной невырожденной матрицей |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
у' = |
Ах = | | ^ | : г ^ | , |
|
|
|
|
|
|
(190) |
|||||||
где Я* и t удовлетворяют условию теоремы 47. Для такого |
случая |
|||||||||||||||||||
в § 46* установлено, что случайный вектор |
V |
I |
= |
\\ух, |
уг, |
. . , |
||||||||||||||
t |
! |
|||||||||||||||||||
Ут* |
*т+ !•>••••> tn |
II* |
имеет |
|
|
|
|
ожидание |
(тео |
|||||||||||
математическое |
|
|||||||||||||||||||
рема |
32): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
II |
А |
|| |
|| |
Аа |
|| |
1 Ъ || |
|
|
|
|
|||
и ковариационную матрицу (теорема 34): |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
К , = АК,А* = |
|| А |
II |
|
|
\АКХА* |
|
AKXR |
|
II |
(192) |
||||||||||
R |
m |
Кх\ А*, ^ || = |
| д # |
к . |
д |
Ф К |
„ |
. |
||||||||||||
Отсюда математическое ожидание и ковариационная матрица |
||||||||||||||||||||
вектора |
у — Ах получаются |
как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Ш(у) = |
АМ(х) |
и |
|
КЯ=АКХА*. |
|
|
|
|
|
Так что правило, полученное в § 46* для полного невырожден ного преобразования Ах случайного вектора, сохраняется и для его преобразования Ах с прямоугольной строчно-невырожденной матрицей.
В частности, для линейной функции
У = с1х1 + сгх2+ . . . + спхп = с*х
математическое |
ожидание |
М (у) |
и |
дисперсия |
D (у) |
случайной |
||||
величины у определяется как М |
(у) |
— с*М |
(х) |
и D |
(у) |
= |
с*Кхс. |
|||
Свойство М (у) = AM |
(х) называется |
свойством |
линейности |
|||||||
математических |
ожиданий. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим |
теперь случай, |
когда |
х = |
\\хи |
х2, |
. . ., |
хп ||* |
распределен нормально с математическим ожиданием а и ковари
ационной матрицей |
К.х. |
В |
§ 46* было доказано, что и вектор |
||||
Ах |
(det Агт^ 0) |
распределен |
нормально. Будет ли это верно для |
||||
вектора |
у = |
Ах, |
когда |
А — строчно-невырожденная т |
X |
||
X |
?г-матрица? |
|
|
|
|
|
|
|
Для |
выяснения |
этого |
вопроса выберем в (190) матрицу |
R* |
так, чтобы она была фундаментальной матрицей решений уравне
ния AKxz |
= |
0. Тогда в (192) AKXR |
|
= |
|
0 и R*KXA* |
= (AKXR)* = |
0 |
|||||
и Kyi принимает более простой квазидиагональный вид |
|
||||||||||||
|
|
|
• |
1АКХА* |
|
|
0 |
|
к , |
о |
|
||
Поэтому |
К " ' |
= |
|
0 |
|
|
R*KrR |
|
о |
к , |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
det Ку> = |
det Ку |
det К,; |
|
det РИ> = det Ру det Р<; |
|
|||||||
II {У - Ь ) * , |
(* - |
с)* || Ру, JVt |
2] J = |
|
(У - |
|
Ъ)* Ру (y-b) |
+ (t- с)* Р, |
(t—c), |
||||
и, следовательно, |
по |
(135) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Р ІУі> Уг> • • -і Уті |
• • •> tn) — |
|
|||||||||
|
|
- V - |
d e t p |
_ |
|
(У-Ь)* Ру (и-ЬНУ-с)* Р, (1-е) |
|||||||
|
|
(2я) |
п |
е |
|
|
|
|
|
= ' |
|
||
|
|
|
|
— |
|
|
|
|
2 |
|
|||
|
і / d e t P |
|
|
(У-Ь)* Р„(1/-Ь) • |
(1.-е)* Р, (1-е) |
|
|||||||
|
y |
- " " |
У |
" |
л [ |
d e t l . |
' |
|
|||||
~~ V |
( 2 л ) т в |
|
|
|
|
. - ^ . . р ( |
|
||||||
|
|
|
|
|
V |
|
(Ы)п-т |
|
|
Здесь существенно то, что плотность разбилась на два множи теля, один из которых зависит только от у, а другой только от t. Поэтому при интегрировании по t в прямоугольной области мно житель, зависящий от у, выносится за знак интеграла, т. е. со гласно (189)
|
p—Z — |
|
\а(У-/-Ь)*^ у \Я Рц Ш-Ь) |
|
р(Уп ft, • •.. ym) = |
(2я)" |
|
* |
|
V~^r |
6 |
х |
||
+оо |
(t-c)* |
P . |
(t-c) |
|
П |
|
|
|
|
X
Ho
+ ОЭ |
p |
U-c)*V,{l-c) |
|
* |
так как слева стоит вероятность J • • -§р (t,n+ 1 ( . . ., tn) dtm+ г
—СО
. . . dtn попадания во всю область изменения нормально распре деленного случайного вектора Ц * ш + і , • • •, tn \\*. Поэтому окон чательно получаем
d e t P ,, |
„ |
^ |
{2л)т |
Є |
2 |
Ответ на поставленный вопрос оказался положительным.
§ 67*. ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ СИСТЕМ УРАВНЕНИЙ ОТНОСИТЕЛЬНО ФИКСИРОВАННОГО ПСЕВДООБРАЩЕНИЯ
Пусть требуется найти решение х = —Ajfw системы уравне ний Ах -f- и) = 0 со строчно-невырожденной матрицей. Рассу ждая, как в § 56*, придем к неравенству
•«slUIIIIA?
оценивающему связь относительной ошибки решения х с относи
тельной ошибкой отыскания Ajf. |
При этом число |
\\А \\\\Ар || s» |
||||||||
^ 1. Его естественно |
считать |
числом обусловленности |
|
системы |
||||||
Ах |
= w относительно |
фиксированного |
псевдообращения |
А~у. Здесь |
||||||
для |
разных |
фиксаций |
псевдообращения получаем |
разные числа |
||||||
о бусло вленно сти. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
По теореме 54 при С = Е из условия L \Р\ф |
L |
[А] |
вытекает |
||||||
неравенство |
[|<;||ЛрЕ |
|| и, следовательно, |
\\А || |
|j^1_ 1 (| <Г |
||||||
< |
\\А || \\Ajf ||. Оно утверждает, |
что обусловленность |
системы |
|||||||
Ах |
-\- w = 0 |
относительно |
главного |
псевдообращения |
наилуч- |
|||||
ffiW. |
ОГСЩЯ ЗЩВО, WG 0№&ЄИШ№9 |
ШВД&обЩЩЗШй,- Рхличных |
от главного, идеальной-обусловленности быть не может, так как иначе было бы || А || WA'1 || < 1 .
Относительно главного псевдообращения идеальная обусло вленность может быть при том и только при том условии, когда АА* — к2Е (А g-ортогональна с точностью до произвольного мно жителя). Действительно, по свойствам 2 и 1 псевдообратных
матриц |
(см. § 60) |
|
|
|
(АА*)'1 |
=-- у . (A*) AS = (4-і)*. (А-*). |
|
Поэтому |
по (158) |
|
|
|
«А ЦІ А-Ц |
= /|| АА* «I (АА*)~Ц = / - ^ щ ? , |
(193) |
где Х{ — собственные числа положительно определенной матрицы АА*. Дальнейшие рассуждения проводятся точно так же, как при доказательстве теоремы 43. Относительно главного псевдо-
обращения остаются справедливыми и теорема 44, а также заме чания об улучшении обусловленности.
Одна тонкость. Из теоремы 55 следует, что главное и только
главное решение уравнения Ах |
+ |
w = 0 можно отыскивать мето |
|||||||
дом |
ортогонализации. |
Ранее |
(см. |
§ 38*) |
отмечалось, что |
метод |
|||
ортогонализации дает решение непосредственно |
уравнении Ах |
-(- |
|||||||
-|- w — 0 |
по принципу наименьших квадратов. Методом же Гаусса |
||||||||
решаются |
нормальные уравнения |
АА*к |
+ w = |
0. Из (193) еле- |
|||||
дует, |
что |
\\АА* || || (АА*)-1 |
\\=(\\А |
|| || А - 1 ||)2, т. |
е. |
обусло |
|||
вленность нормальных уравнений всегда не лучше обусловлен |
|||||||||
ности условных уравнений относительно главного псевдообраще |
|||||||||
ния. |
А |
при больших |
числах |
\\А || WA'1 |
|| обусловленность |
нормальных уравнений значительно хуже обусловленности услов ных уравнений [10] .
Г л а в а 9
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ, ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПРИБЛИЖЕННОГО УРАВНИВАНИЯ
§68*. АЛГЕБРАИЧЕСКИЙ И ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПОДХОДЫ
КРЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ УРАВНИВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Ранее |
(см. § 3 7 * ) уже |
было |
дано |
алгебраическое обоснование |
|
метода наименьших квадратов |
как |
задачи о |
перпендикуляре |
||
в базисе |
с произвольно |
заданной метрической |
матрицей G. Это |
обоснование можно повторить в несколько иной форме, используя
псевдообратные |
матрицы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
По |
теореме |
4 7 произвольное |
|
решение |
v—Вх-\- d |
системы |
||||||
условных уравнений |
Av + |
w = |
|
0 |
(согласно § 3 7 * |
оно |
предста |
|||||
вляет |
собой систему |
уравнений |
поправок) |
можно |
рассматривать |
|||||||
как решение полной системы уравнений |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
I |
II |
Н |
II |
— |
ы> II |
|
|
|
|
|
|
|
\-В |
|
|
х |
' |
|
|
( Ш ) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
II R |
А II |
|
|
II |
х |
II |
|
|
|
где ~£В — фиксированное |
псевдообращение |
матрицы В |
системы |
уравнений поправок, а блок-столбец х может принимать все
возможные значения. Из ( 1 9 4 ) получаем с учетом |
( 1 7 4 ' ) |
|
|
||||||||
|
А |
— w || |
|
w |
- |
-AP*w |
+ Bx. |
( 1 9 5 ) |
|||
|
|
|
|
||||||||
|
|
х |
||= |
И ? ' |
В |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где Р — фундаментальная |
матрица решений |
системы |
R*z = О, |
||||||||
и потому по ( 7 2 ) PR = |
0 . В частности, при некотором неизвестном |
||||||||||
нам значении х0 блока |
х должно |
получиться |
решение |
|
v — — А , |
||||||
где Д — |
столбец истинных ошибок, т. е. по ( 1 9 5 ) |
— А = |
—A P *w + |
||||||||
-f- Вх0. |
Если здесь отбросить неизвестный |
|
столбец Вх0 |
и |
принять |
за результат уравнивания столбец
v=-APew,
то его отличие от — А будет А v = —Вх0, где по (194) при х — = х0 и, следовательно, при v — — Д х0 = дЕ Б (— Д) . Поэтому окончательно
|
|
- |
( А + v) = |
Вх„ |
х й = - |
R-ВД. |
|
( 1 9 7 ) |
|
Так как PR |
= |
0 , |
то из ( 1 9 6 ) с учетом ( 1 6 5 ' ) и ( 1 6 5 " ) |
видно, что |
|||||
-~&Bv |
= |
-ABAP*w = |
{R*B)'i |
R*P* {AP*)-iw |
= 0 . |
||||
Поэтому, умножая |
уравнение |
поправок |
у = |
Вх |
- f d слева |
||||
на R * B , получаем |
0 = |
^ВВх |
+ ^Bd |
= х -f- ~j£Bd. |
|
|
Следовательно, решению (196) условных уравнений отвечает решение
уравнений поправок. |
|
x'=--£Bd |
|
|
|
|
(198) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Из тождества А + |
v = |
( А + v) + |
(v — |
v), где v = А^Ь-1 |
w— |
|||||
перпендикуляр к |
L |
[В], |
по |
неравенству |
треугольника |
следует, |
||||
что а = | А + у | ^ | А + у |
| + |
| v — v \ и потому |
|
|
||||||
c s (у) |
= |
max |
| У + А | = |
| Д - Ь У 1 + | У — У I. |
|
|
|
|||
|
|
І Д І - s |
|
|
|
|
|
|
|
|
Величина as{v) |
принимает |
наименьшее |
значение |
при |
v |
= v. |
||||
Поэтому псевдообращение A^G-i |
или ~QBB |
приводит |
к |
наилуч |
||||||
шему решению задачи уравнивания |
измерений в алгебраическом |
|||||||||
смысле. Но неоднозначность выбора |
G ведет к тому, что на |
этом |
уровне обоснования задача уравнивания измерений не имеет един ственного решения.
К |
|
решению |
задачи |
уравнивания |
можно |
|
подойти |
по- |
|||||||
другому, если считать вектор — А частным |
значением |
случай |
|||||||||||||
ного |
вектора |
б |
= |
1162,63, |
. . ., 6„|| *• с |
заданной |
плотностью |
||||||||
вероятностей |
р ( б 1 ( |
6 2 , . . ., 6„). Тогда и ха |
из |
(197) |
будет |
част |
|||||||||
ным значением некоторого случайного вектора |
£ = |
Ц^, |
| 2 , . . |
||||||||||||
£г ||*, |
где І=~£ВЬ. |
Поэтому |
плотность |
|
PR{1±, |
|
£3, |
• - -, 1Г) |
|||||||
будет |
определяться |
плотностью |
р ( 6 l t 6 2) |
• • •> б„) |
и |
фиксацией |
|||||||||
її В. В |
связи |
с этим естественно выбрать |
такую |
фиксацию, |
при |
||||||||||
которой |
вектор |
| наименее |
случаен, т. е. |
лучше |
векторов, |
отве |
чающих другим фиксациям, фокусируется около некоторого
постоянного вектора с. При этом естественно желать, чтобы с= |
0 , |
так как ему по (197) будет отвечать нулевой столбец Вс = |
О, |
около которого будет фокусироваться столбец А + v. |
|
Этп соображения высказаны пока лишь на интуитивном уровне. Чтобы они могли быть сформулированы как математическая задача, нужно уточнить многие моменты.
§69*. СРАВНЕНИЕ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН
ИСЛУЧАЙНЫХ ВЕКТОРОВ
Как понимать большую или меньшую случайность вектора или величины?
Для случайной величины х распространенным приемом яв ляется сравнение вероятностей
a+t
ФР (0 = Р (I ж — а j > < ) = 1 — J p(x)dx
a-l
непопадания в произвольную ^-окрестность математического ожи дания а. Функцию фр (і) назовем функцией рассеяния величины х. Она зависит как от t, так и от плотности р (х). Если для двух
распределений с плотностями рг |
(х) |
и |
р2 (х) неравенство cpPl (t) < |
< Фр2 (t) выполняется при всех |
t, |
то |
первое из них задает менее |
случайную, т. е. теснее группирующуюся около своего матема
тического |
ожидания, |
величину. |
|
|
|
|
|
||
Д |
Для |
нормальной случайной |
величины |
с плотностью |
|||||
|
|
|
р (X) = |
1 |
<£-аГ |
|
|
|
|
|
|
|
у= |
Є |
2°3 |
|
|
|
|
функция рассеяния |
w |
а У2л |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
(х-а) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ t ) |
= i - v m { ae-t ~ |
2°' |
d x - |
|
|||
Если произвести замену переменных у |
= |
(х — а)/а, |
то dx = |
||||||
— ady. |
При х = а — |
t у = |
—t/a, |
а при х |
= |
a - f t у = |
t/o• По |
||
этому, |
учитывая четность функции е'у1", |
имеем: |
|
||||||
|
|
|
t_ |
|
|
|
|
t_ |
|
Так как подннтегральная функция положительна, то интеграл монотонно возрастает с возрастанием верхнего предела интегриро вания. Он же при заданном значении t монотонно убывает с воз растанием а или а 2 - V
Итак, доказана теорема.
Теорема 56. Из двух нормальных случайных величин та и только та менее случайна в смысле функцпп рассеянпя, у кото рой дисперспя меньше.
Если р (х) не принадлежит к классу нормальных распределе ний, то проследить характер изменения функции срр (t) в зависи
мости |
от |
изменения функций плотности р (х) очень |
трудно. Но |
в теории |
вероятностей доказывается следующее |
неравенство |
|
Л. Л. |
Чебышева: |
|
|
|
|
Ф р ( 0 = Р ( | х - а | > г ) ^ , |
|
справедливое для любого распределения р (х) с математическим
ожиданием а |
и дисперсией а 2 . |
Из него |
не |
следует уменьшение |
||
Фр (t) с уменьшением а 2 |
при |
заданном |
t. |
Но |
гарантированная |
|
неравенством |
Чебышева |
верхняя граница а 2 / £ 2 |
функции рассея |
ния при этом, очевидно, уменьшается. Поэтому сравнение случай ных величин по дисперсии имеет некоторый смысл и для произ вольных распределений, если только для них существуют мате матическое ожидание и дисперсия (т. е. несобственные интегралы, определяющие математическое ожидание и дисперсию, сходятся). Но, конечно, сравнение случайных величин по дисперсии имеет более слабый смысл, чем сравнение по функции рассеяния.
Перейдем к сравнению случайных векторов. Здесь тоже можи о бы рассмотреть функцию рассеяния
Р (| ж — a|> £ ) = l — j . . . | р(хх, х2, . . ., xn)dxxdx2 |
. . . dxn, |
Iх-а I < * |
|
где I х — a I — евклидова длина в ортогональной метрике (так как интеграл берется в ортогональной метрике) отклонения х — а вектора х от математического ожидания а. Но даже для нормаль ных распределений она не имеет сколько-нибудь простого выраже ния через ковариационную или весовую матрицу.
А. А. Марковым [25, 20] предложен другой путь сравнения случайных векторов по вероятностям
mp(bx, Ъ2, . . ., bn, t) = V 2 bite — at) >t
непопадания значений любой линейной формы от случайного век
тора х — и в произвольную |
if-окрестность нуля. Функцию тпр(Ь1, |
||||||||||||||||
Ь2, |
• . ., |
bn, |
t) |
называют |
функцией |
Маркова. |
В |
частности, |
если |
||||||||
для любого |
фиксированного |
і |
принять |
І, = |
1 и |
Ь; = |
0 при |
всех |
|||||||||
/ Ф |
і, функция |
Маркова |
совпадает |
с |
функцией рассеяния |
для |
|||||||||||
г-й координаты вектора |
\\хх, х2, |
. . ., |
хп\\ *. |
|
|
|
|
|
|||||||||
Если |
для двух |
случайных векторов с плотностями вероятно |
|||||||||||||||
стей |
рх |
(хх, |
х2, |
. |
. ., |
хп) |
|
и |
р2 (хх, |
х2, |
. . ., |
хп) |
неравенство |
||||
mPl (bx, |
b2, |
. . |
., |
bn, |
t) |
<іпгРг |
(bx, |
b2, |
. . ., |
bn, |
t) |
выполняется |
|||||
при всех bx, |
b2, |
. . ., |
bn |
и t, |
то первый из этих векторов считается |
||||||||||||
менее случайным, чем второй. В этом случае и каждая |
компонента |
у первого вектора менее случайна в смысле функции рассеяния,
чем у |
второго. |
|
|
|
|
|
|
|
д |
Если вектор х |
= Ца^, х2, |
. . ., хп\\* распределен |
нормально |
||||
с математическим ожиданием |
а = \\ах, а2, |
. . ., |
ап\\* и ковариа |
|||||
ционной матрицей К;., то по результатам |
§ 66* |
линейная |
функ- |
|||||
п |
(ХІ — аі)—Ь* |
(х — а) распределена нормально с нулевым |
||||||
ция 2 |
||||||||
математическим ожиданием и дисперсией |
а 2 |
(Ь, |
Кх) = |
Ъг~КхЪ. V |
||||
Поэтому с учетом теоремы 56 получаем следующее. |
|
|||||||
Теорема 57. Из двух нормально распределенных |
случайных |
|||||||
векторов с ковариационными |
матрицами |
Кх |
и |
К 2 первый |
будет |
менее случайным в смысле функций Маркова тогда и только тогда,
когда b*Kxb |
-<b*K2b |
при |
всех Ъ. |
|
|
|||
Если |
р (хХ1 |
х2, . . ., |
хп) |
не |
входят в |
класс нормальных |
рас |
|
пределений, |
то |
справедливость |
теоремы |
57 утверждать нельзя. |
||||
Но если |
в |
неравенстве |
Чебышева (см. |
стр. 188) принять |
х — |
|||
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
— а = 2 °i (xi — аі)' т 0 согласно результату в § 66*, дисперсия