2023年中国科学大学随机过程孙应飞复习题及答案.docx

中国科学大学随机过程（孙应飞）复习题及答案 中国科学大学随机过程(孙应飞)复习题及答案 （1） 设是一个实的零均值二阶矩过程，其相关函数为，且是一个周期为的函数，即，求方差函数。 解：由定义，有： （2） 试证明：如果是一独立增量过程，且，那么它必是一个马尔可夫过程。 证明：我们要证明： ，有 形式上我们有： 因此，我们只要能证明在条件下，与相互独立即可。 由独立增量过程的定义可知，当时，增量与相互独立，由于在条件和下，即有与相互独立。由此可知，在条件下，与相互独立，结果成立。 （3） 设随机过程为零初值（）的、有平稳增量和独立增量的过程，且对每个，，问过程是否为正态过程，为什么？ 解：任取，那么有： 由平稳增量和独立增量性，可知并且独立 因此是联合正态分布的，由 可知是正态过程。 （4） 设为为零初值的标准布朗运动过程，问次过程的均方导数过程是否存在？并说明理由。 解：标准布朗运动的相关函数为： 如果标准布朗运动是均方可微的，那么存在，但是： 故不存在，因此标准布朗运动不是均方可微的。 （5） 设，是零初值、强度的泊松过程。写出过程的转移函数，并问在均方意义下，是否存在，为什么？ 解：泊松过程的转移率矩阵为： 其相关函数为：，由于在，连续，故均方积分存在。 （6） 在一计算系统中，每一循环具有误差的概率与先前一个循环是否有误差有关，以0表示误差状态，1表示无误差状态，设状态的一步转移矩阵为： 试说明相应齐次马氏链是遍历的，并求其极限分布（平稳分布）。 解：由遍历性定理可知此链是遍历的，极限分布为。 （7） 设齐次马氏链一步转移概率矩阵如下： （a）写出切普曼－柯尔莫哥洛夫方程（C－K方程）； （b）求步转移概率矩阵； （c）试问此马氏链是平稳序列吗？ 为什么？ 解：（a）略 （b） （c）此链不具遍历性 （8） 设，其中为强度为的Poission过程，随机变量与此Poission过程独立，且有如下分布： 问：随机过程是否为平稳过程？请说明理由。 由于： 故是平稳过程。 （9） 设，其中与独立，都服从 （a）此过程是否是正态过程？说明理由。 （b）求此过程的相关函数，并说明过程是否平稳。 证明：（a）任取 ，那么有： 由于与独立，且都服从，因此可得服从正态分布，由上式可知随机向量 服从正态（高斯）分布，所以过程是正态（高斯）过程。 （b）由： 由于相关函数不是时间差的函数，因此此过程不是平稳过程。 （10） 设，是零初值、强度的泊松过程。 （a）求它的概率转移函数； （b）令，说明存在，并求它的二阶矩。 解：（a） （b）先求相关函数： 对任意的，在处连续，故均方连续，因此均方可积，存在。 将代入计算积分即可。 由，得： （11） 设一口袋中装有三种颜色（红、黄、白）的小球，其数量分别为3、4、3。现在不断地随机逐一摸球，有放回，且视摸出球地颜色计分：红、黄、白分别计1、0、-1分。第一次摸球之前没有积分。以表示第次取出球后的累计积分， （a），是否齐次马氏链？说明理由。 （b）如果不是马氏链，写出它的有穷维分布函数族； 如果是，写出它的一步转移概率和两步转移概率。 （c）令，求。 解：（a）是齐次马氏链。由于目前的积分只与最近一次取球后的积分有关，因此此链具有马氏性且是齐次的。状态空间为：。 （b） （c）即求首达概率，注意画状态转移图。 （12） 考察两个谐波随机信号和，其中： 式中和为正的常数； 是内均匀分布的随机变量，是标准正态分布的随机变量。 （a）求的均值、方差和相关函数； （b）假设与独立，求与的互相关函数。 解：（a） ， （b） （13） 令谐波随机信号： 式中为固定的实数； 是内均匀分布的随机变量，考察两种情况： （a）幅值为一固定的正实数； （b）幅值为一与独立，分布密度函数为的随机变量； 试问谐波随机信号在两种情况下是平稳的吗？ （a）如12题（b）略 （14） 设是一强度为的Poission过程，记，试求随机过程的均值和相关函数。 解：利用导数过程相关函数与原过程相关函数的关系即可得： （15） 研究以下随机过程的均方连续性，均方可导性和均方可积性。当均方可导时，试求均方导数过程的均值函数和相关函数。 （a），其中是相互独立的二阶矩随机变量，均值为，方差为； （b），其中是相互独立的二阶矩随机变量，均值为，方差为。 略 （16） 求以下随机过程的均值函数和相关函数，从而判定其均方连续性和均方可微性。 （a），其中是参数为1的Wienner过程。 （b）,其中是参数为的Wienner过程。 解：（a） 连续，故均方连续，均方可积。 （b） 均方连续，均方可积。 （17） 讨论Wienner过程和Poission过程的均方连续性、均方可导性和均方可积性。 解：略。 （18） 设有平稳随机过程，它的相关函数为，其中为常数，求（为常数）的自协方差函数和方差函数。 解：略。 （19） 设有实平稳随机过程，它的均值为零，相关函数为， 假设，求的自协方差函数和方差函数。 解： （20） 设和是参数分别为和的时齐Poission过程，证明在的任一到达时间间隔内，恰有个事件发生的概率为： 证明：令为的任一到达时间间隔并且，即的分布密度为： 由此可知： （21） 设随机振幅、随机相位正弦波过程，其中随机变量和相互独立，且有分布： 令： 试求过程的均值函数。 解：由定义，随机过程的均值函数为： 而 由于当时，随机变量的分布密度为： 因此有： 即： （22） 设有一泊松过程，固定两时刻，且，试证明 证明：由于，有 其中 所以 （23） 设为零均值的标准布朗运动，和为两个待定的正常数（），问在什么情况下仍为标准的布朗运动？说明理由。 解：由为标准布朗运动可知为正态过程，由正态分布的性质可知为正态过程，令，那么有 因此，要使仍为标准的布朗运动，必须，即： （24） 设有无穷多只袋子，各装有红球只，黑球只及白球只。今从第1个袋子随机取一球，放入第2个袋子，再从第2个袋子随机取一球，放入第3个袋子，如此继续。令 （a）试求的分布； （b）试证为马氏链，并求一步转移概率。 解：（a）的分布为： （b）的一步转移概率为： （25） 设有随机过程，与是相互独立的正态随机变量，期望均为0，方差分别为和。证明过程均方可导，并求导过程的相关函数。 证明：计算得： 由于相关函数的导数为： 它是一连续函数，因此过程均方可导，导过程的相关函数由上式给出。 （26） 设是初值为零标准布朗运动过程，试求它的概率转移密度函数。 解：由标准维纳过程的定理：设为标准维纳过程，那么对任意，的联合分布密度为： 其中： 可知：当时，的联合分布密度为： 的分布密度为： 因此 （27） 设有微分方程，初值为常数，是标准维纳过程，求随机过程在时刻的一维概率密度。 解：方程的解： 由于为维纳过程，故为正态过程，因此有： 故的一维概率密度为： （28） 设给定随机过程及实数，定义随机过程 试将的均值函数和自相关函数用过程的一维和二维分布函数来表示。 解：由均值函数的定义，有： 由自相关函数的定义，有： （29） 设是一个零均值的平稳过程，而且不恒等于一个随机变量，问是否仍为平稳过程，为什么？ 不是平稳过程 （30） 设为平稳过程，其自相关函数是以为周期的函数，证明：是周期为的平稳过程。 证明：由于 由切比雪夫不等式有： 由相关函数的周期性，可知：对于，有： 因此 即是周期为的平稳过程。