РефератыМатематикаУмУменьшение оценки взаимной спектральной плотности стационарного случайного процесса

Уменьшение оценки взаимной спектральной плотности стационарного случайного процесса

Математический факультет
Кафедра информатики и прикладной математики

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:


«УМЕНЬШЕНИЕ ОЦЕНКИ ВЗАИМНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ СТАЦИОНАРНОГО СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА»


Брест 2009


СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ


1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ


2. УМЕНЬШЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ ОЦЕНКИ ВЗАИМНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ


3. ОКНА ПРОСМОТРА ДАННЫХ


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ


ПРИЛОЖЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ

Почти в каждой области встречаются явления, которые интересно и важно изучать в их развитии и изменении во времени. В повседневной жизни могут представлять интерес, например, метеорологические условия, цены на тот или иной товар, те или иные характеристики состояния здоровья индивидуума и т.п. Все они изменяются во времени. Совокупность измерений какой-либо одной характеристики подобного рода и представляет собой временной ряд.


Одной из главных задач спектрального анализа временных рядов является построение и исследование оценок спектральных плотностей стационарных случайных процессов, так как они дают важную информацию о структуре процесса.


Методы анализа временных рядов широко используются в различных областях науки и техники, их можно применять при анализе больших объемов данных, получаемых в процессе вибрационных испытаний или извлекаемых из сводок экономических данных.


В данной работе исследована оценка спектральной плотности, построенная с использованием различных окон просмотра данных. Построены графики этой оценки для временного ряда, представляющего собой последовательность наблюдений - температуры воздуха в городе Бресте с октября 2008 по февраль 2009 года.


Графики построены также для центрированного случайного процесса.



1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ


Векторным временным рядом
(r-мерным временным рядом) называется совокупность функций вида


.


Переменная t обычно соответствует времени выполнения или регистрации наблюдений и измерений.


Действительным случайным процессом
= называется семейство случайных величин, заданных на вероятностном пространстве , где , , - некоторое параметрическое множество.


Если , или - подмножество из , то говорят, что , - случайный процесс с дискретным временем
.


Если , или подмножество из , то говорят, что , - случайный процесс с непрерывным временем.


Введем характеристики случайного процесса , , во временной области.


Математическим ожиданием
случайного процесса , , называется функция вида


,


где .


Дисперсией
случайного процесса , , называется функция вида


,


где .


Спектральной плотностью
случайного процесса , , называется функция вида


=,


,


при условии, что


.


Нормированной спектральной плотностью
случайного процесса называется функция вида



где , если и , если .


Из определения видно, что спектральная плотность непрерывная, периодическая функция с периодом, равным по каждому из аргументов.


Ковариационной функцией
случайного процесса , , называется функция вида


.


Смешанным моментом го порядка
, , случайного процесса , , называется функция вида


, , .


Заметим, что


,


.


Лемма 1.1.
Для любого целого р справедливо следующее соотношение


.


Доказательство.
Если , то доказательство очевидно. Рассмотрим случай . Воспользуемся формулой Эйлера



тогда



Лемма доказана.


Пусть - значения случайного процесса в точках . Введем функцию


,


которую будем называть характеристической функцией
, где - ненулевой действительный вектор, , .


Смешанный момент го порядка
, , можно также определить как


, , .


Смешанным семиинвариантом (кумулянтом) го порядка
, , случайного процесса , , называется функция вида


, , ,


которую также будем обозначать как .


Между смешанными моментами и смешанными семиинвариантами го порядка, , существуют связывающие их соотношения, которые имеют вид


,


,


где суммирование производится по всевозможным разбиениям множества



, , , , .


При


,


,


.


При



Спектральной плотностью
случайного процесса , , называется функция вида


=, ,


при условии, что



Из определения видно, что спектральная плотность непрерывная, периодическая функция с периодом, равным по каждому из аргументов.


Семиинвариантной спектральной плотностью го порядка,
, случайного процесса , , называется функция вида


=, ,


при условии, что


.


Теорема 1.
Для смешанного семиинварианта го порядка, , случайного процесса справедливы представления


,.


Пусть - случайный процесс, заданный на вероятностном пространстве , и



- мерная функция распределения, где


Случайный процесс называется стационарным в узком смысле
(строго стационарным), если для любого натурального , любых и любого , такого что выполняется соотношение



где


Возьмем произвольное . Пусть , тогда



В дальнейшем функцию, в правой части (1), будем обозначать



Используя определение стационарного в узком смысле СП , смешанный момент го порядка, , будем обозначать



Смешанный семиинвариант го порядка, , стационарного в узком смысле СП будем обозначать



Случайный процесс , называется стационарным в широком смысле
, если и




Замечание 1.
Если , является стационарным в узком смысле СП и то , является стационарным в широком смысле, но не наоборот.


Спектральной плотностью
стационарного случайного процесса , называется функция вида


,


при условии, что



Семиинвариантной спектральной плотностью - го порядка
, , стационарного СП , называется функция вида




при условии, что



Для смешанного семиинварианта -го порядка, , стационарного СП справедливо следующее соотношение


.


Для эти соотношения примут вид


.




2. УМЕНЬШЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ ОЦЕНКИ ВЗАИМНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ


Рассмотрим действительный стационарный в широком смысле случайный процесс,, с математическим ожиданием , , взаимной ковариационной функцией , и взаимной спектральной плотностью .


Предположим, имеются Т последовательных, полученных через равные промежутки времени наблюдений за составляющей , рассматриваемого процесса . Как оценку взаимной спектральной плотности в точке рассмотрим статистику


(2.1)


где , - произвольная, не зависящая от наблюдений четная целочисленная функция, для , а


(2.2)


s – целое число, - целая часть числа .


Статистика , называемая выборочной взаимной спектральной плотностью или периодограммой, задается соотношением


(2.3)


определено равенством (2.2).


Предположим, если оценка взаимной спектральной плотности , построенная по T наблюдениям, является асимптотически несмещенной, то математическое ожидание ее можно представить в виде


(2.4)


где некоторые действительные функции, не зависящие от T,


В качестве оценки взаимной спектральной плотности возьмем статистику


,


и исследуем первый момент построенной оценки.


Математическое ожидание построенной оценки будет следующее



Использовав соотношение (2.4), получим



где



Поскольку



следовательно, оценка является асимптотически несмещенной со смещением, убывающим как .


Так как равенство (2.4) справедливо и при , то, рассматривая оценку





где




, то оценка является асимптотически несмещенной со смещением, убывающим на . Далее рассмотрим оценку


(2.5)


Найдем математическое ожидание построенной оценки :





где





Следовательно, оценка является асимптотически несмещенной со смещением, убывающим как .


Найдем явный вид коэффициентов в представлении (2.4),


Видим, что




Таким образом, справедливо следующее утверждение.


Теорема 2.1
.
Оценка взаимной спектральной плотности стационарного в широком смысле случайного процесса , задаваемая равенством (2.5), удовлетворяет соотношению


,


,


при условии, что справедливо соотношение (2.4) для


При нахождении моментов оценок спектральных плотностей вторых и высших порядков появляются функции вида


(2.6)


где задаются соотношением




3. ОКНА ПРОСМОТРА ДАННЫХ


Чтобы выделить определенные характеристики спектральных оценок, нередко прибегают к сглаживанию значений на концах случайного временного ряда. Временное сглаживание представляет собой умножение ряда на «окно данных».


В соотношении (2.3) введена функция , называемая окном просмотра данных (множителем сходимости, коэффициентом сглаживания).


Функцию


(3.1)


называют частотным окном. Из соотношения (3.1) вытекает, что



Характерное поведение функции состоит в том, что она становится все более сконцентрированной в окрестности нуля при .


Примеры окон просмотра данных:


1. 1 – окно Дирихле;


2. 1- – окно Фейера;


3. ;


4. – окно Хэннинга;


5. – окно Хэмминга;


6. – окно Хэмминга;


7. , где – окно Хэмминга;


8. 1- – окно Рисса.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ


В данной работе исследована оценка спектральной плотности вида



где , а периодограмма задана следующим соотношением



Построены графики этой оценки для различных окон данных на основании данных, представляющих собой последовательность наблюдений - температуры воздуха в городе Бресте с октября 2008 по февраль 2009 года.


Графики построены также для центрированного случайного процесса.



СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ
ИСТОЧНИКОВ


1. Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов. – М.: Мир, 1976. – 755 с.


2. Бриллинджер Д. Временные ряды. Обработка данных и теория. - М.: Мир, 1980. - 536 с.


3. Журбенко И.Г. Спектральный анализ временных рядов. - М.: Изд-во МГУ, 1982. - 168 с.


4. Труш Н.Н. Асимптотические методы статистического анализа временных рядов. – Мн.: БГУ, 1999. - 218 с.


5. Труш Н.Н., Мирская Е.И. Случайные процессы. Преобразования Фурье наблюдений. – Мн.: БГУ, 2000.



ПРИЛОЖЕНИЕ


Для исследования оценки (3.1) был исследован ряд, состоящий из 176 наблюдений ежедневной температуры воздуха в городе Бресте с октября 2008 по февраль 2009 года.



Рис. 1 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Дирихле



Рис. 2 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Дирихле для центрированного случайного процесса



Рис. 3 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Фейера



Рис. 4 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Фейера для центрированного случайного процесса



Рис. 5 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна вида 3



Рис. 6 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна вида 3 для центрированного случайного процесса



Рис. 7 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Хэннинга



Рис. 8 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Хэннинга для центрированного случайного процесса



Рис. 9 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Хэмминга вида 5



Рис. 10 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Хэмминга вида 5 для центрированного случайного процесса



Рис. 11 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Хэмминга вида 6



Рис. 12 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Хэмминга вида 6 для центрированного случайного процесса



Рис. 13 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Хэмминга вида 7



Рис. 14 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Хэмминга вида 7 для центрированного случайного процесса



Рис. 15 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Рисса



Рис. 16 - График оценки спектральной плотности (2.1) для окна Рисса для центрированного случайного процесса

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Уменьшение оценки взаимной спектральной плотности стационарного случайного процесса

Слов:1661
Символов:14317
Размер:27.96 Кб.