Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекции по ТВ и МС(ч.1)

.pdf
Скачиваний:
70
Добавлен:
13.04.2015
Размер:
3.56 Mб
Скачать

Лекция № 14

Меры связи случайных величин

5. Вектор (ξ,η) равномерно распределен в круге

x2 + y2 1. Найти

совместную плотность распределения (ξ,η). Вычислите маргинальные плотности

ξи η. Вычислите коэффициент корреляции между ξ и η.

6.Дана ковариационная матрица системы случайных величин

 

1

0,5

1

0,8

 

 

0,5

4

1

0,8

 

 

 

Σ =

1

1

16

2

.

 

 

 

0,8

0,8

2

25

 

 

 

Найти корреляционную матрицу.

7. Закон системы двух абсолютно непрерывных случайных величин (ξ,η)задан плотностью распределения вероятностей

fξη (x, y)=

 

 

c

 

?

 

+ x2

+ x2 y2

+ y2

1

 

Найти: а) константу c , б) корреляционную матрицу. Зависимы или нет случайные величины ξ и η.

 

 

8.

Плотность совместного распределения случайных величин (ξ,η) равна

fξη (x, y)= c(x + y) при 0 x, y 1.

Найти а) постоянную

c ,

б) корреляционную

матрицу. Зависимы или нет случайные величины ξ и η?

 

 

 

 

9.

Случайная величина ξ имеет равномерное распределение на отрезке [0,1].

Найти коэффициент корреляции случайных величин η1

и η2 , если: а) η1 = aξ ,

η

2

= bξ

, б) η =ξ , η

2

=ξ2 , в) η =ξ 1 2

, η

2

= (ξ 1 2)2 .

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

10. Пусть

ξ(1)

ξ(2) ≤K≤ξ(n)

вариационный

ряд,

построенный по

независимым случайным величинам ξ1,ξ2 ,K,ξn , имеющим равномерное на отрезке [0,1] распределение, т.е. значения ξ1,ξ2 ,K,ξn , расположенные в порядке неубывания. Найти ковариацию и коэффициент корреляции ρξ(i )ξ( j ) .

11. Найти коэффициент корреляции между числом появлений единицы и числом выпадений шестерки при n испытаниях.

149

Характеристические функции

Лекция № 15

Лекция № 15

Производящие, характеристические функции.

Тема:

 

Преобразование Лапласа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Истинная логика нашего мира — это подсчет

 

 

 

 

 

 

вероятностей.

 

 

 

 

 

 

 

Джеймс Клерк Максвел

 

15.1. Характеристическая функция

 

 

 

 

 

 

 

Характеристической функцией ϕ(u) случайной величины ξ

 

 

 

 

 

 

Определение 15.1

 

 

 

 

 

называется комплекснозначная функция, определенная при

 

 

 

 

 

u R = (−∞,+∞) соотношением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ(u)= M eiuξ .

(15.1)

Пусть Fξ (x)

 

 

 

 

 

— функция распределения случайной величины, тогда

 

 

 

 

 

формулу (15.1) можно записать в виде

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

 

 

 

 

 

ϕ(u)= eiux dFξ (x).

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

В случае существования плотности fξ (x) случайной величины ξ эту формулу можно переписать следующим образом

+∞

 

ϕ(u)= eiux fξ (x)dx .

(15.2)

−∞

Непосредственно из определения вытекают свойства характеристической функции:

1)ϕ(0)=1, ϕ(u) 1 для всех действительных x .

2)ϕ(u)=ϕ(u).

3)ϕ(u) — равномерно непрерывная функция на всей числовой оси.

150

Лекция № 15 Характеристические функции

4) Характеристическая функция положительно определена, т.е. для любых действительных чисел u1,u2 ,Kun и любых комплексных чисел c1, c2 ,K, cn

n n

∑∑ϕ(uk ur )ck cr 0 . k =1 r =1

5)Характеристическая функция суммы независимых случайных величин равна произведению характеристических функций слагаемых.

Действительно, пусть ϕξ (u) — характеристическая функция случайной величины

ξ, ϕη (u) — случайной величины η, тогда характеристическая функция их суммы

ξ+η равна

ϕξ +η (u)= M eiu(ξ +η) = M eiuξ eiuη = M eiuξ M eiuη =ϕξ (u)ϕη (u).

6) Если η = a +bξ , где a и b — некоторые постоянные, то ϕη (u)=ϕξ (bu)eiua . Не сложно видеть, что ϕη (u)= M eiuη = M eiu(a +bξ ) = eiua M eiubξ = eiuaϕξ (bu).

7)Характеристическая функция однозначно определяет распределение случайной величины.

Доказательство последнего свойства в общем случае можно найти, например, в [2 стр. 246].

Если случайная величина ξ абсолютно непрерывна, выражение (15.2) суть преобразование Фурье функции fξ (x). Для абсолютно непрерывной величины ξ плотность fξ (x) восстанавливается по ее характеристической функции ϕξ (u)

следующим образом:

fξ (x)= 21π +∞eiuxϕξ (u)du .

−∞

Зная характеристическую функцию дискретной целочисленной случайной величины ξ , такой что P{ξ = k}= pk , ϕξ (u) можно восстановить ее

распределение. Не трудно видеть, что справедливы равенства:

1

π

1

π

1

π

0,

k l;

 

 

 

eiu(k l )du =

cosu(k l )du +i

sin u(k l)du = 1,

 

2π

2π

2π

k = l.

 

π

 

π

 

π

 

 

151

Характеристические функции

 

 

 

 

 

 

Лекция № 15

В силу того, что ϕξ (u)= M eiuξ

 

 

 

 

 

= eiuk pk

, имеем

 

 

 

 

 

 

 

k =0

 

 

 

 

 

 

1

π

1

π

 

1

 

π

ϕξ (u)eiul du =

eiuk

pk eiul du = pk

 

eiu(k l )du = pl .

 

2π

2π

2π

 

π

π k =0

 

k =0

π

Таким образом, закон распределения восстановлен.

 

 

 

Пример 15.1. Пусть P{ξ =1}= P{ξ

= −1}= 1 , тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

ϕξ (u)= M eiuξ =

1

(eiu + eiu )= cosu .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Пример 15.2. Найдем характеристическую функцию случайной величины, имеющей распределение Пуассона с параметром λ .

k

λ

 

 

(λe

iu

k

 

 

 

 

 

= eλ(eiu 1).

 

 

 

ϕξ (u)= eiuk λ e

 

= eλ eiuk

 

)

= eλ+λeiu

 

 

 

k =0

k!

k =0

 

 

k!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 15.3. Пусть

 

случайная

 

величина ξ

имеет

равномерное

распределение на отрезке [a; a]. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕξ (u)=

1

 

a eiux dx = sin au .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2a

 

 

 

 

au

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 15.4. Если ξ имеет геометрическое распределение с параметром p ,

P{ξ = k}= p(1p)n , n = 0,1,K Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p)]k =

 

 

p

 

 

 

ϕξ (u)= eiuk p(1p)k = p [eiu

(1

 

 

 

 

.

 

e

iu

 

 

k =0

 

 

 

 

 

k =0

 

 

1

(1p)

 

Пример 15.5. Пусть случайная величина ξ

имеет стандартное нормальное

распределение. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕξ (u)=

eiux

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как интеграл в правой части последнего выражения сходится

равномерно относительно u на всей числовой прямой, поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x 2

 

 

 

 

 

 

 

ϕξ(u)=

ixeiux

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

152

Лекция № 15 Характеристические функции

Выполнив интегрирование по частям, получим

 

i

 

x 2

i

 

x 2

 

u

x 2

ϕξ(u)= −

eiux de

 

=−

eiuxe

 

 

eiux

 

dx = −uϕξ (u).

2

2

 

2

 

2π

 

 

 

2π

 

 

−∞

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, характеристическая функция ϕξ (u) удовлетворяет задаче Коши, поставленной для дифференциального уравнения ϕξ(u)= −uϕξ (u), с

начальным условием ϕ(0)=1. Решая ее, получим, что ϕξ (u)= eu22 .

Еще одно важное свойство характеристических функций сформулируем в виде теоремы.

Если существует абсолютный начальный момент порядка n

M ξ n , то функция ϕξ (u) имеет n непрерывных производных

и справедливо равенство

ϕξ(n)(0)= in Mξn .

Теорема 15.1.

При этом имеет место соотношение

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

n

εn (u),

 

 

 

 

 

ϕξ (u)=

(iu)

Mξk + (iu)

(15.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

k =0

 

k!

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

здесь

 

εn (u)

 

3M

 

ξ

 

n и εn (u)0 при u 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

Доказательство. В силу того, что

M

 

ξ

 

=

 

x

 

dFξ (x)< +∞,

интеграл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ixeiux dFξ (x) равномерно сходится по u . Следовательно

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕξ(0)= i Mξ .

 

 

ϕξ(u)= i xeiuxdFξ (x),

 

 

 

−∞

Далее, используя метод математической индукции, получим требуемое в теореме равенство

ϕξ(n)(0)= in Mξn .

Запишем разложение функции eix в ряд Тейлора в окрестности нуля с остаточным членом в форме Лагранжа

153

Характеристические функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция № 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

k

n

(cosθ1x +i sinθ2 x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eix = cos x +i sin x = (ix)

+

(ix)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =0

k!

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

здесь

 

θ1

 

 

1,

 

θ2

 

1. Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

k

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eiuξ =

 

(iuξ)

+

 

(iuξ)

(cosθ1uξ +i sinθ2uξ 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k!

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕξ (u)

 

 

 

 

n

 

 

k

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= M eiuξ

=

(iu)

Mξk + (iu) εn (u),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =0

k!

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

где ε

n

(u)= Mξn (cosθ uξ +i sinθ

uξ 1)

. Не трудно видеть, что

 

ε

n

(u)

 

3M

 

ξ

 

n . Из

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теоремы

Лебега о предельном

переходе

под

знаком интеграла следует, что

εn (u)0 при u 0 .

Пример 15.6. Пусть случайная величина имеет распределение Пуассона с параметром λ , тогда ϕξ (u)= eλ(eiu 1). Следовательно,

ϕξ(u)= λieiu eλ(eiu 1) и ϕξ′′(u)= −(λeiu + λ2e2iu )eλ(eiu 1).

Таким образом,

M ξ = ϕξi(0)= λ, Dξ = −ϕξ′′(0)+[ϕξ(0)]2 = λ .

15.2 Производящие функции

Для неотрицательных целочисленных величин используют производящие функции.

 

Пусть ξ случайная величина такая, что

P{ξ = k}= pk ,

 

 

k = 0,1,K Производящей функцией ψ (z) случайной величины

Определение 15.2

ξ называется функция, определенная соотношением

 

 

 

 

 

ψ (z)= M zξ = pk zk ,

(15.4)

 

при комплексных z , для которых

 

k =0

 

 

 

z

 

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как eix =1, тогда характеристическая и производящая функции

154

Лекция № 15

 

Характеристические функции

случайной величины ξ связаны соотношением:

 

 

ϕξ (x)=ψξ (eix ).

 

По производящей

функции ψ ξ (z)

случайной величины

ξ не сложно

восстановить ее закон

распределения.

Действительно, если

P{ξ = k}= pk ,

k = 0,1,K, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p0 =ψξ (0),

p1 =ψξ(0), p2

=

ψξ′′(0)

,…,

pk =

ψξ(k )(0)

, …

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

k!

ψξ (u)

 

 

Если

существует

M

 

ξ

 

2 ,

 

тогда функция

дважды

 

 

 

 

 

дифференцируема на отрезке [1;1], при этом справедливы

Теорема 15.2.

равенства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mξ =ψξ(1),

 

 

 

 

 

 

 

 

Dξ =ψξ′′(1)+ψξ(1)[ψξ(1)]2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Так как M

 

ξ

 

2

= k 2 pk < +∞, то

ряд

k(k

1)zk 2 pk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =0

 

 

 

 

 

 

k =0

 

равномерно сходится.

Следовательно,

ряд

(16.4)

можно

почленно

дифференцировать. Из равенства ψ(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

= pk kzk 1

, следует ψξ(1)= pk k , а из

 

 

 

 

 

 

 

k =0

 

 

 

 

 

 

k =0

ψξ′′(z)= pk k(k 1)zk 2

k =0

— соответственно ψξ′′(1)= pk k 2

pk k . Из которых

k =0

k =0

непосредственно вытекают утверждения теоремы.

Пример 15.7. Найдем производящую функцию случайной величины, имеющей распределение Пуассона с параметром λ .

k

λ

k

= eλ+λz = eλ(z 1).

ψξ (z)= zk λ e

 

= eλ

(λz)

k =0

k!

k =0

k!

 

Пример 15.8. Если ξ имеет геометрическое распределение с параметром p ,

P{ξ = k}= p(1p)n , n = 0,1,K Тогда

k

k

k

p

 

ψξ (u)= z

 

p(1p)

= p [z(1

p)] =

 

 

.

 

1z(1p)

k =0

 

 

k =0

 

 

155

Характеристические функции

Лекция № 15

16.3 Преобразование Лапласа

 

Для неотрицательной случайной величины характеристическая функция

эквивалентна преобразованию Лапласа.

 

 

Пусть ξ случайная величина такая, что

P{ξ > 0}=1.

 

 

Преобразованием Лапласа lξ (z) случайной величины ξ

Определение 15.3

называется функция

 

 

 

 

lξ (z)= M eξ z = eu z dFξ (u).

 

 

0

 

Свойства

преобразования Лапласа:

 

1.lξ (0)=1.

2.Если функции распределения случайных величин ξ и η равны, то совпадают и их преобразования Лапласа lξ (z) и lη (z).

3.Преобразование Лапласа является аналитической функцией в правой полуплоскости.

 

Если существует M

 

ξ

 

2 , тогда функция l

(z)

дважды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ

 

Теорема 15.3.

дифференцируема, при этом справедливы равенства

 

 

 

 

Mξ = −lξ(0),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dξ = lξ′′(0)[lξ(0)]2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство данной теоремы аналогично двум предыдущим.

Пример 15.9. Если ξ имеет показательное распределение с параметром λ ,

тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

lξ (x)= M eξz = λeu(z +λ)du =

 

.

 

 

λ + z

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

Откуда получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

2λ

 

 

 

 

 

 

 

lξ(z)= −

и lξ′′(z)=

 

 

 

.

 

 

(λ + z)2

 

(λ + z)3

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mξ = −lξ(0)=

1

, Dξ = lξ′′(0)

[lξ(0)]=

 

2

 

1

 

=

1

.

λ

2

2

2

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

λ

 

λ

156

Лекция № 15

Характеристические функции

15.4. Рекомендуется изучить самостоятельно:

¾[2] – стр. 119 — 126, 128 — 133;

¾[3] – стр. 207 — 219, 234 — 244.

15.5. Теоретические вопросы, выносимые на экзамен:

1. Характеристические, производящие функции. Преобразования Лапласа. Их свойства.

15.6. В результате успешного усвоения материала лекции студент должен знать:

9определения:

¾характеристическая функция;

¾производящая функция;

¾преобразование Лапласа;

9теоремы:

¾о связи характеристических функций и моментов случайных величин;

¾о связи производящих функций и моментов случайных величин;

¾о связи преобразования Лапласа и моментов случайных величин;

уметь:

9доказывать теоремы:

¾о связи характеристических функций и моментов случайных величин;

¾о связи производящих функций и моментов случайных величин;

¾о связи преобразования Лапласа и моментов случайных величин;

9решать задачи, используя свойства:

¾характеристических функций;

¾производящих функций;

¾преобразований Лапласа.

15.7. Задачи и упражнения

1. Найти характеристическую функцию и, используя ее, математическое

157

Характеристические функции Лекция № 15

ожидание и дисперсию (если они существуют) случайной величины, имеющей:

а) биномиальное распределение с параметрами n и p ;

 

 

 

 

 

 

б) показательное распределение с параметром λ ;

 

 

 

 

 

 

 

в) распределение Паскаля: P{ξ = k}=

 

ak

 

, a > 0 ,

k = 0,1,K;

(1+ a)k +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) распределение Парето с параметрами λ > 0 и α > 0 , если ее плотность

имеет вид: f (x)=

α

λ α +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, x > 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

λ + x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д) равномерное на интервале (0;1) распределение;

 

 

 

 

 

 

 

е) распределение с плотностью f (x)=

1 e

 

x

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

x

 

< 2 ;

ж) распределение арксинуса с плотностью f (x)= π a2 x2

 

 

 

 

 

 

 

з) распределение Коши с плотностью

 

f (x)=

a

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

(x c)2

+ a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

2.Найти характеристическую функцию числа появлений события при одном испытании, если вероятность появления события при одном испытании равна p .

3.Найти характеристическую функцию числа появлений события A при n

независимых испытаниях, если вероятность появления события A от испытания к испытанию меняется и для k –го испытания равна pk (k =1,2,K, n).

4.

Характеристическая функция случайной

 

величины

ξ

задана в

виде

ϕ(z)= ea

 

z

 

, a > 0 . Определить плотность вероятности ξ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

Даны

характеристические функции

ϕ

ξ

(z)=

1+iz

и

ϕ (z)=

1iz

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ z2

 

η

1

+ z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определить соответствующие им плотности вероятностей.

 

 

 

 

 

 

6.

Найти

производящую функцию и,

используя ее,

математическое

ожидание и дисперсию (если они существуют) случайной величины, имеющей: а) биномиальное распределение с параметрами n и p ;

б) распределение Паскаля: P{ξ = k}=

 

ak

, a > 0 , k = 0,1,K

(1

+ a)k +1

 

 

158