⚠ 当前无法加载公式渲染库(KaTeX 走 CDN),公式可能显示为原始代码——联网后刷新即可。
随机过程及应用 · 课程笔记 · 模块 4(课件 12–14)

随机过程基础篇

合并课件 12–14定义与样本函数 → 柯氏存在定理 → m/D/C/R 与例题
本科遗忘急救站 · 从随机变量到随机过程的“二元函数”视角

0 · 彻底看懂 \(X(t, \omega)\):固定时间看分布,固定样本看波形

  • 随机过程的双重身份:随机过程 \(X(t, \omega)\) 是关于时间 \(t\in T\) 和样本点 \(\omega\in\Omega\) 的二元函数: ① 固定时刻 \(t=t_0\):\(X(t_0, \cdot)\) 是一个普通的随机变量(状态);
    ② 固定一次试验结果 \(\omega=\omega_0\):\(X(\cdot, \omega_0)\) 是一条确定性的时间曲线,称为样本函数(或轨道 / 实现)。
  • 数字特征不过是“带着时间参数 \(t\) 算期望”:求 \(m_X(t) = E[X(t)]\) 和 \(R_X(s,t) = E[X(s)X(t)]\) 时,把时间 \(s, t\) 完全当成已知常数,只对里面的随机变量(如 \(A, \Theta, \xi\))求期望!千万别对 \(t\) 积分!

自学导航 · 有限维分布与数字特征:先会算

① 前置知识与记号

固定 t,X(t) 是随机变量;固定 ω,X(t,ω) 是样本函数。均值 m(t)=E X(t),协方差 C(s,t)=E[(X(s)−m(s))(X(t)−m(t))]。

② 完整例题

U、V 独立 N(0,1),设 X(t)=U+tV。则 m(t)=0,Var X(t)=1+t²,C(s,t)=1+st。注意 s=t 时 (X(s),X(t)) 的联合分布退化,不能声称存在一般二维密度。

💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · ③ 考前自测(展开题目))

破题切入点:每个 t 的一维分布都相同,为什么仍不能证明过程严格平稳?(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(③ 考前自测(展开题目))

每个 t 的一维分布都相同,为什么仍不能证明过程严格平稳?

本栏是补充学习材料,考试范围以本学期教师正式通知为准。

自学推导 · 重点例题

如何系统计算随机过程的均值和协方差

令 \(U,V\) 是相互独立的标准正态随机变量,定义 \(X(t)=U+tV\),\(t\ge0\)。

  1. \(m(t)=E[U]+tE[V]=0\)。
  2. \(R(s,t)=E[(U+sV)(U+tV)]=E[U^2]+stE[V^2]=1+st\)(交叉项因独立且均值为零而消失)。
  3. \(C(s,t)=R(s,t)-m(s)m(t)=1+st\),故 \(D(t)=C(t,t)=1+t^2\)。
  4. 作为一致性检查,\(s=0,t=1\) 的协方差矩阵为 \(\begin{pmatrix}1&1\\1&2\end{pmatrix}\),行列式 \(2-1=1\ge0\),满足半正定要求。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 自测:该过程宽平稳吗?)

破题切入点:否。其均值虽然恒定,但 \(D(t)=1+t^2\) 不为常数,协方差也不只取决于时间差。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(自测:该过程宽平稳吗?)

否。其均值虽然恒定,但 \(D(t)=1+t^2\) 不为常数,协方差也不只取决于时间差。不能把“正态过程”误写为“平稳过程”。

修订版 · 重点核对

先看:本模块易错点与补充

研究生层面补充
  • Kolmogorov 存在定理通常只给出一致有限维分布对应的过程;样本路径的连续/可微性质要另外验证,不能从定理本身推出。
  • 一维边缘分布相同不等于过程相同,需比较所有有限维联合分布。

★ 老师课堂划重点(第 4 周 / 第 7–8 次课)课堂口述,2026-09 末

老师课上明确了三件事,其中两件指向教材 §1.3 随机过程的基本类型——对应课件(sjgc1.3)尚未发布,以下按教材标准内容整理,课件发布后请对照核对。

划重点 ① · §4.5 不考(自学) 教材第 4 章第 5 节不列入考试范围,自学即可。(属超前预告——目前刚进入第 1 章;具体节名以教材第四章目录为准,做第四章习题时跳过 4.5。)
划重点 ② · 独立增量过程性质 1.3.1 ★(打星号 = 考试重点) 教材 §1.3 中带星号的性质,内容即独立增量(平稳独立增量)过程的核心定理(与《随机过程与排队论》课程第 3 讲“三性质”定理同款):
  1. 有限维分布的确定:独立增量过程的有限维分布由一维分布 + 各增量分布唯一决定(X(t₁), X(t₂)−X(t₁), …, X(tₙ)−X(tₙ₋₁) 独立,累加还原);若 X(0)=0,只需增量分布。
  2. 若还是平稳独立增量且 X(0)=0,则 \[m(t)=E[X(t)]=at,\qquad D(t)=\sigma^2 t,\qquad C(s,t)=\sigma^2\min(s,t)\] (a=m(1)、σ²=D(1) 为常数)。均值方差线性增长、协方差取 min——维纳过程 C=σ²min(s,t)、泊松过程 C=λmin(s,t) 都是其特例。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 证明骨架(两步,考试可能要求))

破题切入点:① m(t)=at :把 X(t+s) 拆成 [X(t+s)−X(s)]+[X(s)−X(0)],由平稳独立增量 m(t+s)=m(t)+m(s);(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(证明骨架(两步,考试可能要求))

① m(t)=at:把 X(t+s) 拆成 [X(t+s)−X(s)]+[X(s)−X(0)],由平稳独立增量 m(t+s)=m(t)+m(s);连续函数方程 f(x+y)=f(x)+f(y) 的解只有 f(x)=ax。

② D(t)=σ²t:同款拆分,独立 ⟹ 方差相加,D(t+s)=D(t)+D(s) ⟹ D(t)=σ²t。

③ C(s,t)=σ²min(s,t):设 t>s,写 X(t)=[X(t)−X(s)]+X(s),前项与 X(s) 独立: C(s,t)=E[(X(t)−X(s))X(s)]=E[X(t)−X(s)]·E[X(s)]=a(t−s)·as;结合 m=0、D=σ²t 化简即 σ²min(s,t)。∎ (前置知识:函数方程与“独立 ⟹ 期望方差可加”——见 ../../学习导航.html#math-foundation §6。)

划重点 ③ · “四个波”是考点(四个 XY 轴图 + 公式)★ 教材 §1.3 的经典一页:四个坐标系、四种典型随机过程的样本函数波形,下面各配公式。按教材标准整理如下(课件 sjgc1.3-1 已发布并核对:课件 p.4/9–10 另有一组"四种随机参数正弦波"对照表——判二阶矩/宽平稳,老师划考点,两组都已收录:本表 + 模块 5 第 2 节):
波形过程与公式分类标签
余弦曲线族(初相位随机)随机相位正弦波 \(X(t)=a\cos(\omega t+\Theta)\),\(\Theta\sim U(0,2\pi)\)连续参数、连续状态
±1 方波(宽度与跳变时刻随机)随机电报信号 / 半随机二元传输 \(X(t)=(-1)^{N(t)}\),N(t) 为泊松计数连续参数、离散状态(±1)
连续无规则折线维纳过程(布朗运动)\(W(t)\sim N(0,\sigma^2 t)\),W(0)=0,平稳独立增量连续参数、连续状态
阶梯上升计数泊松过程 \(P\{N(t)=k\}=\dfrac{(\lambda t)^k}{k!}e^{-\lambda t}\),独立平稳增量连续参数、离散状态(计数)

考法预判:给波形认过程 / 写公式 / 判断参数集与状态空间的连续离散(分类四象限见本模块课件 13 部分第 1 节)。四条样本函数的“长相”要能默画:正弦波=光滑曲线族;电报信号=±1 跳变方波;维纳=处处连续处处不规则;泊松=只升不降的阶梯。

课件 12-随机过程-1-定义及分类(sjgc1.1-1).pdf

12 · 随机过程(一):定义、样本函数与随机场

均方微积分地图、积集定义、随机场

0 · 本讲导读

预备知识(概率空间 → 特征函数)全部就位,正式进入第一章。随机过程 = 一族随时间(或地点)变化的随机变量——概率论向时间维度的延伸。本讲给定义、给词汇(样本函数/状态/参数集/随机场),并列出全课程的“地图”。

大白话 · 照片 vs 录像(绪论比喻的正式版) 概率论:站在路口拍一张照片(这一刻的车是红是蓝——随机变量);随机过程:用摄像机连续录像(整条车流的动态过程)。固定时刻切一刀是随机变量;固定一次“命运”看全程是一条曲线。
本模块考试重点(含老师划重点落实)
  1. 五分布期望方差表——老师明示"考试必背",一页纸必抄(泊松 λ/λ、二项 np/np(1−p)、正态 μ/σ²、均匀 (b+a)/2 与 (b−a)²/12、指数 1/λ 与 1/λ²);
  2. 数字特征函数计算 ★★——给一个具体过程(如 \(U+Vt\)、随机开关、随机正弦波)求 \(m(t),D(t),C(s,t)\)(第 2 讲例题五连是全部题型);
  3. 老师划重点三条:§4.5 不考(自学);独立增量性质 1.3.1 打星必考(平稳独立增量 \(m=at,D=\sigma^2t,C=\sigma^2\min\));"四个波"(正弦/随机电报/维纳/泊松阶梯)是考点——四个波形和公式要能默画默写;
  4. 柯氏存在定理——简答"为什么有限维分布族能确定一个过程"(定理陈述 + 相容性条件直觉),不考技术性证明。

缺基础?求导、积分、级数、矩阵乘法、复数的手生处,直接翻上级目录的 《数学基础工具箱》(每条约三分钟,配例题与易错点;考前还有"十分钟急救包")。

1 · 全课程地图:微积分的平行宇宙课件 p.2(每讲首页反复出现,务必看懂)

微积分随机世界(本课程)
数列 \(\{x_n\}\) / 函数 \(\{f(t)\}\)随机变量序列 \(\{X_n\}\) / 随机过程 \(\{X(t)\}\)
\(\mathbb R^n\)、距离二阶矩空间 \(H=\{X:E|X|^2<+\infty\}\),距离 \(d(\hat X,Y)=\sqrt{E|X-Y|^2}\)
极限(核心)均方极限(核心):\(X_n\to X\) ⟺ \(E|X_n-X|^2\to0\);Cauchy 均方收敛准则依赖自相关函数 \(E[X_mX_n]\)
微分 / 积分均方连续 / 均方微分 / 均方积分 / 均方导数
这张图的分量 它预告了后半学期的主线:把微积分整套搬到“随机变量的二阶矩空间”里重做一遍(均方微积分),而自相关函数 \(R(s,t)\) 就是那里的“内积”。今天的随机过程定义,就是这套计划的起点。

2 · 引例:七个真实过程课件 p.3–8, 10

例过程类型与看点
抛硬币计数\(\{X_n\}\)=第 n 次正/反面离散参数、离散状态
电话呼叫\(X(t)\)=t 前呼叫次数连续参数、离散状态(泊松过程雏形)
信号检测\(Y(t)=X(t)+Z(t)\)(信号+噪声)过程的预测与滤波:从 Y 检出 X(通信工程核心题)
雷达回波\(A S_{t-\tau}+N_t\)能量损耗 A、时延 τ、随机干扰 \(N_t\)——抗干扰=研究 \(N_t\) 特性
布朗运动\((X(t),Y(t))\)=微粒平面位置连续参数、连续状态;分子随机碰撞的结果
醉汉游动\(X(t)\)=街上位置(前进 p、后退 1−p)随机游动——马氏链的原型
电话排队呼叫间隔~指数,同时接通 ≤K排队模型:队长、平均等待时间(与《随机过程与排队论》直接接轨)
神经细胞膜位势\(X(t)\)=膜位势,脉冲到达即升降,兴奋后归 0 重复\(T_i\)=两次兴奋间隔;锯齿状样本函数(课件图 1.1)

AI 对照(课件 p.10):股价 \(S_t\) 预测(自相关→几何布朗运动建模,LSTM/Transformer 捕捉时间依赖);LLM 逐词生成(\(X_1,\dots,X_T\) 是离散时间随机过程,一次生成=一条样本路径)。

3 · 随机过程的正式定义课件 p.12–13, 19–21

定义 1.1.8 给定概率空间 \((\Omega,\mathcal F,P)\) 和指标集(参数集) \(T\)。若对每个 \(t\in T\),\(X(t,\omega)\) 是 \((\Omega,\mathcal F,P)\) 上的随机变量,则称 \[\{X(t,\omega),\ t\in T\}\quad\text{(简记 } \{X(t),t\in T\}\text{)}\] 为随机过程。等价地说:\(X(t,\omega)\) 是定义在积集 \(T\times\Omega\) 上的二元函数。
二元函数的两种切片(再次强调,本课程用词)
固定得到称呼
\(t=t_0\),让 ω 变随机变量 \(X(t_0)\)过程的横截面
\(\omega=\omega_0\),让 t 变普通函数 \(x(t,\omega_0)\)样本函数(trajectory / path / 现实 realization,也称轨道、路径)
“样本点固定=去除随机性”:一条样本函数上取值完全由参数 t 决定。不同 ω 给出不同确定性函数(课件 p.21 的族曲线图)。当 T 可列时称随机序列/时间序列;\(T=\{1,\dots,n\}\) 有限时就是随机向量。

4 · 样本函数、状态与随机场课件 p.14–18, 22

状态与状态空间 \(X(t)=x\) 称过程在时刻 t 处于状态 x;全体状态 \[E=\{x:X(t)=x,\ t\in T\}\] 称状态空间(值域)。随机过程可视作“质点 M 随时间作随机运动”。
例 · 质点布朗运动(课件 Ex.5)
质点在直线上随机游动,每次碰撞各以 1/2 概率向左/右移。记 \(\omega_t^{(1)}\)=第 t 次向左、\(\omega_t^{(2)}\)=第 t 次向右,定义 \[X(t)=\begin{cases}1,&\omega_t^{(1)},\\ -1,&\omega_t^{(2)},\end{cases}\qquad T=\{1,2,\dots\},\ E=\{-1,1\}.\] 每个固定的 t,X(t) 是随机变量(±1 各半);每个固定 ω 是一条 ±1 序列——标准示范。
随机场(多维指标集随机过程) 当 \(T=\{(x,y):a<x<b,\ c<y<d\}\)(T 是高维向量),\(\{X(\boldsymbol t)\}\) 称随机场。实例:湍流的速度/气压/温度场(3 维空间 + 时间)、潮汐波形与粗糙表面高度(2 维坐标);气象风速向量场(每点一个三维随机向量)、脑电 128 通道(每个电极一条时间序列)。信息论中图像/影视信号需用随机场建模(香农信息论的随机场推广)。
AI 对照:CNN 特征图、ViT 的 patch 表示、NeRF 辐射场、LLM 词向量场——本质上都是高维向量随机场。
例 · 随机相位正弦波(课件 Ex.6)
\(X(t)=a\cos(\beta t+\Theta),\ \Theta\sim U(0,2\pi)\):每抽一个相位得到一条平移正弦曲线——无穷条样本函数。(课件绘出 \(\omega_1=5.4938\) 等三条示例。)

5 · 自测与下一步

自 测
  1. 把“二阶矩空间 H + 均方极限”这张地图讲给同学听:后半学期要干什么?
  2. 随机过程定义中的 T 和 E 各叫什么?举一个 T 是二维点的例子。
  3. 样本函数的三个英文名?“固定 ω”意味着什么?
  4. 质点布朗运动例的 T、E、每条样本函数长什么样?
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 答案要点)

破题切入点:把极限/微分/积分搬到 \(H=\{E|X|^2<\infty\}\):均方收敛(用自相关函数判 Cauchy)→ 均方连续/微分/积分。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(答案要点)
  1. 把极限/微分/积分搬到 \(H=\{E|X|^2<\infty\}\):均方收敛(用自相关函数判 Cauchy)→ 均方连续/微分/积分。
  2. 参数集(参数空间)/ 状态空间;随机场(如风速场 \(T=\{(x,y,z)\}\))。
  3. trajectory / path / realization;去掉随机性,得到一条普通函数。
  4. \(T=\{1,2,\dots\}\),\(E=\{-1,1\}\);样本函数是 ±1 交替的折线序列。

下一份:随机过程的分类四象限、有限维分布函数族(对称性与相容性)、柯尔莫哥洛夫存在定理(随机过程理论的“地基”)与它的 AI 应用表,以及随机开关、脉冲位置调制、随机正弦波三道例题。

课件 13-随机过程-2-定义分布与例题(sjgc1.1-2).pdf

13 · 随机过程(二):有限维分布与柯氏存在定理

对称/相容、存在定理、开关/PPM/正弦波例题

0 · 本讲导读

本讲回答一个根本问题:“一族”随机变量的统计规律怎么完整描述?答案:有限维分布函数族(n 取遍一切时刻组合)。更深一层:随便给一族分布,什么时候真的“存在”一个随机过程以它为有限维分布族?——柯尔莫哥洛夫存在定理,随机过程理论的地基(本课程与《随机过程与排队论》分叉的独特内容,重点掌握)。

1 · 分类四象限与样本函数例题课件 p.5, 7–12

按 T、E 是否可列分四类
E 可列(离散状态·链)E 不可列
T 可列(随机序列/时间序列)离散参数链随机序列
T 不可列连续参数链(随机过程)
例 1 · 随机开关系统(课件 Ex.1)
开机时随机开关以概率 p 接通子系统Ⅰ(输出 \(\cos\pi t\))、以概率 \(1-p\) 接通子系统Ⅱ(输出 \(2t\)):\(X(t)=\cos\pi t\) 或 \(2t\)。样本函数只有两条:\(x(t,\omega_1)=\cos\pi t\)、\(x(t,\omega_2)=2t\)。
例 2 · 抛硬币 ±1 过程(课件 Ex.2)
独立重复抛均匀硬币,\(X(n)=1\)(正面)/ \(-1\)(反面)。样本空间为无穷维乘积空间: \[\Omega\times\Omega\times\cdots=\{(\omega_1,\omega_2,\dots):\omega_i\in\{\text{正},\text{反}\}\},\] 每个样本点(如“正反正正反反正…”)对应一条样本函数——过程有无穷条样本函数。第 1 份笔记的“乘积样本空间”伏笔在此兑现。

2 · 有限维分布函数族课件 p.13–18

定义 1.1.10 一维分布函数 \(F_t(x)=P\{X(t)\le x\}\) 只描述孤立时刻。对给定 n 及 \(t_1,\dots,t_n\in T\),随机向量 \((X(t_1),\dots,X(t_n))\) 的 n 维联合分布函数 \[F_{t_1,\dots,t_n}(x_1,\dots,x_n)=P\{X(t_1)\le x_1,\dots,X(t_n)\le x_n\}.\] 全体 \(\{F_{t_1,\dots,t_n}:n\ge1,\ t_i\in T\}\) 称为过程的有限维分布函数族——它完整刻画过程的统计特性(n 越大描述越完善)。类似地有有限维特征函数族(φ 与 F 相互唯一确定)。
有限维分布族的两条性质
  1. 对称性(横向相容):对 \(1,\dots,n\) 的任一排列 \(j_1,\dots,j_n\),\(F_{t_{j_1},\dots,t_{j_n}}(x_{j_1},\dots,x_{j_n})=F_{t_1,\dots,t_n}(x_1,\dots,x_n)\)。(因事件乘积满足交换律,\(P(AB)=P(BA)\)。)
  2. 相容性(纵向相容):对 m<n,\(F_{t_1,\dots,t_m}(x_1,\dots,x_m)=F_{t_1,\dots,t_m,t_{m+1},\dots,t_n}(x_1,\dots,x_m,+\infty,\dots,+\infty)\)。(联合分布完全确定边缘分布。)
特征函数族版本:对称性同款;相容性为 \(\varphi_{t_1,\dots,t_m}(u_1,\dots,u_m)=\varphi_{t_1,\dots,t_n}(u_1,\dots,u_m,0,\dots,0)\)(补 0 后取高维)。有限维特征函数族同样满足这两条。
与《随机过程与排队论》笔记的接口 那边第 3 讲“有限维分布族完整刻画过程”与本讲完全同一件事;但这边多走了一步——反问题:“给一族分布,何时真有过程?”即下一节的柯氏定理。

3 · 柯尔莫哥洛夫存在定理 ★课件 p.19–25

定理 1.1.3(Kolmogorov 随机过程存在定理) 若有限维分布函数族 \(\{F_{t_1,\dots,t_n}:n\ge1,\ t_i\in T\}\) 满足对称性与相容性,则存在一个概率空间及其上的随机过程 \(\{X(t),t\in T\}\),以该族为有限维分布函数族。
大白话 · 为什么它是“地基” 描述一个过程,直接列出所有样本函数及其概率是不可能的(路径空间太大)。定理换角度:不描述路径,只描述“任意有限个时刻的联合分布”——只要这族分布内部不矛盾(低维是高维的边缘=相容;换时间顺序不变=对称),就保证存在一个过程实现它们。注意:定理只保证“存在”,不告诉你怎么构造。
领域过程有限维分布定理的作用
经典概率布朗运动多元正态(均值 0,Cov=\(\min(t_i,t_j)\),增量独立)保证布朗运动存在
机器学习高斯过程 \(\mathcal{GP}(m,k)\)任意有限点函数值联合正态保证高斯过程存在(贝叶斯优化的合法性)
深度学习扩散模型(前向)马尔可夫链联合分布保证前向过程存在
人工智能语言模型自回归分解 \(P(w_1..w_T)=\prod P(w_t|w_{<t})\)保证文本生成过程良定义
金融 / 通信几何布朗运动 / 泊松过程对数正态 / 泊松分布保证股价 / 到达过程存在
自检案例 · 布朗运动(课件 p.21)
任意 \(t_1<\cdots<t_n\):\((B_{t_1},\dots,B_{t_n})\) 服从均值 0、协方差 \(\mathrm{Cov}(B_{t_i},B_{t_j})=\min(t_i,t_j)\) 的多元正态,增量 \(B_{t_j}-B_{t_i}\sim N(0,t_j-t_i)\)。这族分布满足相容与对称 ⟹ 由柯氏定理,“一条连续但处处不可微的曲线”的随机模型合法存在——你不需要亲手构造那条曲线。高斯过程回归同理:从不定义“函数空间上的分布”,只由核函数 k 指定有限维联合。

4 · 例题:随机开关系统的一二维分布课件 p.27–30

例(课件 Ex)
\(X(t)=2\cos t\)(\(\omega_1\),\(P=\frac13\))或 \(-2\cos t\)(\(\omega_2\),\(P=\frac23\))。求 \(F_0(x)\)、\(F_{\pi/4}(x)\) 及 \(F_{0,\pi/4}(x,y)\)。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答)

破题切入点:一维 :t=0 时 \(X(0)=2\)(p=1/3)或 \(-2\)(p=2/3): \[F_0(x)=\begin{cases}0,&x<-2,\\ \tfrac23,&a(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答)
一维:t=0 时 \(X(0)=2\)(p=1/3)或 \(-2\)(p=2/3): \[F_0(x)=\begin{cases}0,&x<-2,\\ \tfrac23,&-2\le x<2,\\ 1,&x\ge2.\end{cases}\qquad t=\tfrac\pi4:\ X=\pm\sqrt2\ \Rightarrow\ F_{\pi/4}(x)=\begin{cases}0,&x<-\sqrt2,\\ \tfrac23,&-\sqrt2\le x<\sqrt2,\\ 1,&x\ge\sqrt2.\end{cases}\] (本课程 \(F=P\{X\le x\}\):跳跃点取上台阶——与排队论课程相反,注意!)

二维:\((X(0),X(\pi/4))\) 的联合分布律: \[P\{(2,\sqrt2)\}=\tfrac13\cdot\tfrac13=\tfrac19,\quad P\{(2,-\sqrt2)\}=\tfrac19,\quad P\{(-2,\sqrt2)\}=\tfrac29,\quad P\{(-2,-\sqrt2)\}=\tfrac29.\] 按“左开右闭矩形计概率”累加(\(F=P\{X\le x,Y\le y\}\)): \[F_{0,\pi/4}(x,y)=\begin{cases} 0, & x<-2\ \text{或}\ y<-\sqrt2,\\[2pt] \tfrac29, & -2\le x<2,\ -\sqrt2\le y<\sqrt2,\\[2pt] \tfrac23, & -2\le x<2,\ y\ge\sqrt2\ \ (\text{或}\ x\ge2,\ -\sqrt2\le y<\sqrt2),\\[2pt] 1, & x\ge2,\ y\ge\sqrt2. \end{cases}\] 方法论:离散状态过程求有限维分布 = 列联合分布律表 → 按 \(\{X\le x\}\) 事件数格子/累加。∎

5 · 例题:脉冲位置调制信号课件 p.31–33(Ex.10)

例 · PPM 信号的一维分布
通信系统每隔 T 秒输出一个宽度 T/6、幅度 A 的脉冲;第 j 个脉冲开始时刻 \(X_j\stackrel{iid}{\sim}U(0,\tfrac{5T}6)\)。观察时刻 t 时信号 \(Y_t\):若某脉冲覆盖 t 则 \(Y_t=A\),否则为 0。求 \(P\{Y_t=A\}\)。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答)

破题切入点:观察时刻 t 落在某脉冲 \([X, X+T/6)\) 内 ⟺ \(t-\tfrac T6<X\le t\)(落在首个周期内讨论)。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答)
观察时刻 t 落在某脉冲 \([X, X+T/6)\) 内 ⟺ \(t-\tfrac T6<X\le t\)(落在首个周期内讨论)。记 \(f_X(x)=\frac6{5T}\ (0<x<\frac{5T}6)\)。 ① \(0\le t<\tfrac T6\):只需脉冲起点已出现且覆盖 t:\(P\{0<X\le t\}=\dfrac{6t}{5T}\)。 ② \(\tfrac T6\le t<\tfrac{5T}6\):区间 \((t-\tfrac T6,t]\) 完整落在支撑内,长度恒为 T/6: \[P\Big\{t-\tfrac T6<X\le t\Big\}=\frac{6}{5T}\cdot\frac T6=\frac15.\] ③ \(\tfrac{5T}6\le t<T\):窗口右端被支撑截断在 \(\tfrac{5T}6\): \[P\Big\{t-\tfrac T6<X\le\tfrac{5T}6\Big\}=\frac{6}{5T}\Big(\tfrac{5T}6-t+\tfrac T6\Big)=\frac{6(T-t)}{5T}.\] 即 \(P\{Y_t=A\}=\dfrac{6t}{5T}\to\dfrac15\to\dfrac{6(T-t)}{5T}\) 分段——“均匀分布落窗”型问题的标准三段讨论。∎

6 · 例题:随机正弦波的一维密度课件 p.36–37(教材 Ex.1.1.15)

例 · \(X(t)=A\cos(\omega t+\Theta)\) 的一维概率密度 ★
\(\omega>0\) 常数;A 与 Θ 独立,\(A\sim U(0,1)\),\(\Theta\sim U(-\pi,\pi)\)。求过程的一维概率密度 \(f(t;x)\)。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答(条件密度 + 全概率公式的连续版,三步))

破题切入点:① 固定 A=a :\(Y=a\cos(\omega t+\Theta)\),Θ 均匀 ⟹ \(Y\) 的条件密度为 反正弦分布 (单调公式法两分支合并,\(\Theta\) 跨 \(2\p \cdots\)(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答(条件密度 + 全概率公式的连续版,三步))
① 固定 A=a:\(Y=a\cos(\omega t+\Theta)\),Θ 均匀 ⟹ \(Y\) 的条件密度为反正弦分布(单调公式法两分支合并,\(\Theta\) 跨 \(2\pi\) 恰两个解分支): \[f_{Y|A}(y|a)=\frac{1}{\pi\sqrt{a^2-y^2}},\qquad |y|<a.\] ② 混合(对 A=a 用连续型全概率公式 \(f_X(t;x)=\int f_{X|A}(x|a)\,\mathrm dF_A(a)\),\(f_A(a)=1\)): \[f_X(t;x)=\int_0^1\frac{1}{\pi\sqrt{a^2-x^2}}\,\mathrm da,\quad |x|<1.\] ③ 积分:\(\displaystyle\int\frac{\mathrm da}{\sqrt{a^2-x^2}}=\ln\big(a+\sqrt{a^2-x^2}\big)\),代入 0→1(下限 \(\ln|x|\)): \[f_X(t;x)=\frac1\pi\ln\frac{1+\sqrt{1-x^2}}{|x|},\qquad 0<|x|<1\quad(\text{其余为 }0).\] (\(x\to0\) 时对数发散但可积 ✓;∫ 归一 ✓。)方法论:随机过程的“一维密度”问题 = 冻结 t 的随机变量密度问题 = 条件密度对参数变量混合。∎

6+ · 老师补充例题 ★:二维离散型随机变量求联合分布课件上补充黑板 / 群通知:“二维离散型随机变量要求联合分布图数”
例(老师强调要求掌握)
类似随机开关系统,设随机过程 \(\{X_1(\omega),\,t\in R\}\) 只有两条样本函数 \[x_1(\omega_1)=2\cos t,\qquad x_1(\omega_2)=-2\cos t,\quad t\in R,\qquad P(\omega_1)=\frac13,\ P(\omega_2)=\frac23.\] 求:1) 一维分布函数 \(F(x)\);2) 二维分布函数 \(F(x,y)\)(取 \(t=0\) 与 \(t=\pi/4\) 两时刻)。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答(板书原文思路 + 数格子))

破题切入点:1) 一维 :对任意实数 t,\(X_t\in\{-2\cos t,\ 2\cos t\}\),分布律 \(\begin{array}{c|cc}X_t & -2\cos t &am \cdots\)(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答(板书原文思路 + 数格子))

1) 一维:对任意实数 t,\(X_t\in\{-2\cos t,\ 2\cos t\}\),分布律 \(\begin{array}{c|cc}X_t & -2\cos t & 2\cos t\\\hline p&1/3&2/3\end{array}\)。 特别 \(t=0\):\(X_0\in\{-2,2\}\);\(t=\pi/4\):\(X_{\pi/4}\in\{-\sqrt2,\ \sqrt2\}\),各以 1/3、2/3。按本课程 \(F=P\{X\le x\}\)(右连续、跳跃点取上台阶): \[F_0(x)=\begin{cases}0,&x<-2\\ \tfrac13,&-2\le x<2\\ 1,&x\ge2\end{cases}\qquad F_{\pi/4}(x)=\begin{cases}0,&x<-\sqrt2\\ \tfrac13,&-\sqrt2\le x<\sqrt2\\ 1,&x\ge\sqrt2\end{cases}\]

2) 二维:\((X_0,\ X_{\pi/4})\) 只有两条轨道取值:\(\omega_1\to(2,\sqrt2)\)(p=1/3),\(\omega_2\to(-2,-\sqrt2)\)(p=2/3),联合分布律两格。 求 \(F(x,y)=P\{X_0\le x,\ X_{\pi/4}\le y\}\) 就是“在平面上数格子”——以两格点 \((-2,-\sqrt2)\)(权 2/3)与 \((2,\sqrt2)\)(权 1/3)画横竖分割线,平面切成 9 个区域(板书图 (1)–(9)): \[F(x,y)=\begin{cases} 0, & x<-2\ \text{或}\ y<-\sqrt2\quad(\text{区域(1)--(5):左下两格都没圈住}),\\[2pt] \dfrac13, & -2\le x<2,\ y\ge-\sqrt2\ \text{且}\ y<\sqrt2\ \text{的组合(圈住 }(-2,-\sqrt2)\text{ 格})\ \text{等对应区域},\\[2pt] \dfrac23, & \text{只圈住第二格的组合区域},\\[2pt] 1, & x\ge2,\ y\ge\sqrt2\ (\text{区域(9)}). \end{cases}\] (板书末行自检 \(\tfrac13+\tfrac23=1\) ✓。)方法论:只有 k 条样本函数的离散状态过程,联合分布 = k 个格点的加权计数;画“格点 + 十字分割线”数区域是标准画法。此题与模块内“随机开关系统”例同型——板书版用 1/3、2/3 概率并显式要求二维分布,务必会画区域图。∎

7 · 自测与下一步

自 测
  1. 有限维分布族两条性质(对称/相容)分别说什么?特征函数版怎么写?
  2. 柯氏存在定理的条件与结论?“存在”意味着它给出构造方法吗?
  3. 用柯氏定理说明高斯过程的合法性。
  4. 随机开关例中 F 在跳跃点取上台阶还是下台阶?为什么?
  5. PPM 例的三段讨论窗口怎么划分?随机正弦波例的“混合”用的是哪条公式?
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 答案要点)

破题切入点:换序不变 / 高维限制边缘;特征函数版:补 0(对称版换下标)。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(答案要点)
  1. 换序不变 / 高维限制边缘;特征函数版:补 0(对称版换下标)。
  2. 对称+相容 ⟹ 存在过程以该族为有限维分布族;不给出构造。
  3. 核 k 给出有限维正态族,满足两条性质 ⟹ 过程存在。
  4. 上台阶(本课程 \(P\{X\le x\}\) 右连续)。
  5. 窗口与支撑 (0, 5T/6] 的相对位置;连续型全概率公式(对 A 的分布积分条件密度)。

下一份:随机过程的数字特征——均值/方差函数、协方差函数 \(C(s,t)\) 与自相关函数 \(R(s,t)\)(后续均方微积分与平稳过程的主角)、复随机过程,以及 \(U+Vt\)、随机开关、随机正弦波、半二元传输、复振荡五道例题。

x₁ x₂ p(--) p(+-) p(-+) p(++) a₁ = -|2cos t₁| b₁ = +|2cos t₁| a₂ b₂ ⑦ F = 0 ⑧ p(--)+p(-+) ⑨ F = 1 (全含) ④ F = 0 ⑤ F = p(--) ⑥ p(--)+p(+-) ① F = 0 ② F = 0 ③ F = 0 右连续约定: • 区域左闭下闭: a₁ ≤ x₁ < b₁ • 累加(x₁,x₂)左下 方所有红点概率
图:二维离散过程联合分布函数 F(x₁,x₂; t₁,t₂) 的“九区域画法”(含红点边界归属左闭右开区间)
课件 14-随机过程-3-数字特征(sjgc1.2-1).pdf

14 · 随机过程(三):过程的数字特征

m/D/C/R、复过程、五道例题

0 · 本讲导读课件 p.4

有限维分布族虽然完整,但实际中很难确定。数字特征(随时间变化的函数)反映过程的局部统计性质,许多问题用它就够了;而且在特定情况下(如正态过程),数字特征可以完全确定有限维分布——这句话是后面“正态过程”一节的引子。

大白话 · 整讲一句话 把第 07–09 份笔记的期望/方差/协方差“按时刻展开成函数”:\(m(t)\) 是平均轨道;\(D(t)\) 是各时刻的波动幅度;\(C(s,t)\)、\(R(s,t)\) 是两个时刻状态的线性关联——其中 \(R(s,t)\) 是全课程最重要的函数(均方微积分的“内积”、平稳过程的“身份证”、谱分析的输入)。

0.1 老师补充 ★:常用五种分布的期望与方差(考试必背)课件外板书 / 群通知

老师原话与应用背景 “常用的五种分布的期望和方差,这些需要记住的,考试题目中需要用。”三条应用背景:①测量与预测问题中,方差作为误差起关键作用;②物理学与电学中,方差作为能量来描述噪声;③当代金融中用均值-方差理论刻画收益与风险(Markowitz 1950s 开创,1990 年诺贝尔经济学奖,成为金融市场的理论基石)。
五分布表(照抄一页纸)
分布\(E(X)\)\(D(X)\)
1. \(X\sim P(\lambda)\) 泊松\(\lambda\)\(\lambda\)
2. \(X\sim B(n,p)\) 二项\(np\)\(np(1-p)\)
3. \(X\sim N(\mu,\sigma^2)\) 正态\(\mu\)\(\sigma^2\)
4. 均匀分布 \(U(a,b)\)\(\dfrac{b+a}{2}\)\(\dfrac{(b-a)^2}{12}\)
5. 指数分布\(\dfrac{1}{\lambda}\)\(\dfrac{1}{\lambda^2}\)

推导出处:泊松/指数见模块2(07–09 课件),均匀用定义直接积分;二项由“n 个独立 0-1 之和”逐项叠加。

1 · 四大数字特征函数课件 p.6–13

定 义(实随机过程 \(\{X(t),t\in T\}\))
名称定义R-S 形式含义
均值函数 \(m(t)\)\(E[X(t)]\)\(\int x\,\mathrm dF(t,x)\)各时刻的平均特征
方差函数 \(D(t)\)\(D[X(t)]=E\{[X(t)-m(t)]^2\}\)\(E[X^2(t)]-m^2(t)\)各时刻的波动程度
协方差函数 \(C(s,t)\)\(\mathrm{Cov}(X(s),X(t))=E[(X(s)-m(s))(X(t)-m(t))]\)—两时刻的(中心化)线性关联
自相关函数 \(R(s,t)\)\(E[X(s)X(t)]\)\(\iint xy\,\mathrm dF(s,t;x,y)\)两时刻的原始关联(重点)
恒等式:\(C(s,t)=R(s,t)-m(s)m(t)\);\(C(t,t)=D(t)\);\(m(t)\equiv0\)(零均值过程)时 \(C=R\)。
自相关系数函数:\(\rho(s,t)=\dfrac{C(s,t)}{\sqrt{D(s)}\sqrt{D(t)}}\)(归一化关联,\(|\rho|\le1\))。
易错点 ① m(t) 是函数不是数——每冻结一个 t 做一次期望;② R、C 是二元函数,别写成 R(t);③ \(R=E[X(s)X(t)]\) 不除方差——除过的叫“自相关系数函数 ρ”;④ 名词“相关函数”在本课程默认指 R(重点研究内容)。

2 · 复随机过程课件 p.6–8, 12, 14

定义 1.2.1(复过程) \(Z(t)=X(t)+jY(t)\)(X、Y 为实过程)。均值 \(m_Z(t)=m_X(t)+j\,m_Y(t)\);方差 \(D_Z(t)=E\{|Z(t)-m_Z(t)|^2\}=D_X(t)+D_Y(t)\);自相关函数(注意取共轭!): \[R_Z(s,t)=E\big[Z(s)\,\overline{Z(t)}\big],\qquad C_Z(s,t)=R_Z(s,t)-m_Z(s)\overline{m_Z(t)}.\] 因 \(|Z-m_Z|^2=(X-m_X)^2+(Y-m_Y)^2\),方差是实数且相加。复过程在信号/通信里是常态(解析信号、窄带噪声),后面谱分析全在复数域。

3 · 例题五连课件 p.15–27

例 1 · \(X(t)=U+Vt\)(\(\sim N(0,1)\) 独立)★
求 m(t)、D(t)、C(s,t)、R(s,t) 与一维分布。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答)

破题切入点:① \(m(t)=E(U)+tE(V)=0\)。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答)
① \(m(t)=E(U)+tE(V)=0\)。 ② \(D(t)=E[X^2(t)]-0=E(U^2)+2tE(UV)+t^2E(V^2)=1+t^2\)(独立⟹交叉项为 0)。 ③ \(C(s,t)=R(s,t)=E[(U+Vs)(U+Vt)]=E(U^2)+st\,E(V^2)+(s+t)E(UV)=1+st\)。 ④ 一维:独立正态线性组合 ⟹ \(X(t)\sim N(0,1+t^2)\),\(f(t;x)=\dfrac{1}{\sqrt{2\pi(1+t^2)}}e^{-x^2/2(1+t^2)}\)。 (与《随机过程与排队论》第 3 讲例 5 同题——对照两边解法。)
例 2 · 随机开关系统(教材 P9 例 1.1.1)
\(X(t)=\cos\pi t\) 或 \(2t\)(各概率 1/2)。求四大函数。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答)

破题切入点:\[m(t)=\tfrac12(\cos\pi t+2t);\qquad E[X^2(t)]=\tfrac12\cos^2\pi t+2t^2,\quad D(t)=\tfrac12\cos(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答)
\[m(t)=\tfrac12(\cos\pi t+2t);\qquad E[X^2(t)]=\tfrac12\cos^2\pi t+2t^2,\quad D(t)=\tfrac12\cos^2\pi t+2t^2-m^2(t).\] \[R(s,t)=E[X(s)X(t)]=\tfrac12\cos\pi s\cos\pi t+2st\quad(\text{同轨 }: \cos\pi s\cos\pi t;\ \text{异轨 }: 2s\cdot2t).\] \[C(s,t)=R-m(s)m(t)=\tfrac14\cos\pi s\cos\pi t-\tfrac12\big(t\cos\pi s+s\cos\pi t\big)+st.\] 注意 \(X(s)\) 与 \(X(t)\) 不独立(同一开关决定整条轨道)——所以不能拆乘积,要按两条轨道分别算再混合。∎
例 3 · 随机正弦波 \(X(t)=A\cos(\beta t+\Theta)\)
A 与 Θ 独立,\(A\sim N(0,1)\),\(\Theta\sim U(0,2\pi)\),β>0。求 m、D、R。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答)

破题切入点:\(m(t)=E[A]\cdot E[\cos(\beta t+\Theta)]=0\)(整周期平均为 0)。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答)
\(m(t)=E[A]\cdot E[\cos(\beta t+\Theta)]=0\)(整周期平均为 0)。 \[R(s,t)=E[A^2]\;E[\cos(\beta s+\Theta)\cos(\beta t+\Theta)]=E[A^2]\cdot\tfrac12\cos\beta(t-s)=\cos\beta(t-s).\] (积化和差:\(\cos\alpha\cos\gamma=\tfrac12[\cos(\alpha-\gamma)+\cos(\alpha+\gamma)]\),第二项整周期积分为 0。)\(D(t)=C(t,t)=1\)。 记忆点:一般振幅(\(E[A^2]=a^2\) 常数)时 \(R=\tfrac{a^2}{2}\cos\beta(t-s)\)——相关函数只依赖时间差 \(t-s\),这是“宽平稳”的影子。∎
例 4 · 半二元传输信号 ★
抛均匀硬币定义 \(X(t)=1\)(第 n 次正面)或 \(-1\)(反面),且在相同区间 \([nT,(n+1)T)\) 内取同一值、不同区间独立取值(脉宽 T)。求 m(t)、R(s,t)。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答)

破题切入点:\(m(t)=\tfrac12\cdot1+\tfrac12\cdot(-1)=0\)。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答)
\(m(t)=\tfrac12\cdot1+\tfrac12\cdot(-1)=0\)。 同区间(\(\lfloor s/T\rfloor=\lfloor t/T\rfloor\)):\(X(s)=X(t)\),\(R=E[X^2]=1\); 异区间:\(X(s)\perp X(t)\) 且均值 0,\(R=E[X(s)]E[X(t)]=0\)。 \[R(s,t)=\begin{cases}1,&s,t\text{ 在同一 } T\text{-区间},\\ 0,&\text{否则}.\end{cases}\] (“方波随机过程”的祖母模型;把“独立翻转”改成指数等待时间,就得到通信里的随机电报信号。)∎
例 5 · 复随机过程 \(Z(t)=\sum_{k=1}^nA_ke^{j\omega_kt}\)(课件 Ex.4)
\(A_k\sim N(0,\sigma_k^2)\) 相互独立,\(\omega_k\) 常数。求 \(m_Z(t)\)、\(R_Z(t_1,t_2)\)。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 解答)

破题切入点:用欧拉公式 \(e^{j\omega_kt}=\cos\omega_kt+j\sin\omega_kt\): \[m_Z(t)=\sum_kE(A_k)(\cos\omega_kt+j\sin\omega_kt)=0.(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(解答)
用欧拉公式 \(e^{j\omega_kt}=\cos\omega_kt+j\sin\omega_kt\): \[m_Z(t)=\sum_kE(A_k)(\cos\omega_kt+j\sin\omega_kt)=0.\] \[R_Z(t_1,t_2)=E\big[Z(t_1)\overline{Z(t_2)}\big]=\sum_{k,l}E[A_kA_l]\,e^{j\omega_kt_1-j\omega_lt_2}\overset{\text{独立零均值}}{=}\sum_k\sigma_k^2\,e^{-j\omega_k(t_1-t_2)}.\] (交叉项 \(E[A_kA_l]=0\) 全部消失。)这是“随机振荡叠加”的标准模型,谱分析的原型。∎
数字特征计算题的固定流水线(五连例题的共同骨架)
  1. 均值函数:\(m(t)=E[X(t)]\)——把过程表达式按 t 展开,逐项取期望(独立交叉项拆开);
  2. 二阶矩:\(E[X^2(t)]\) 完全平方展开后逐项算,\(D(t)=E[X^2(t)]-m^2(t)\);
  3. 相关函数:\(R(s,t)=E[X(s)X(t)]\)——乘开成四项,独立项拆开;
  4. 协方差:\(C(s,t)=R(s,t)-m(s)m(t)\);自查 \(C(t,t)=D(t)\);
  5. 识别加分项:若 m 是常数、R 只依赖 \(t-s\),答一句"该过程是宽平稳过程"(例 3 随机正弦波的结论);若能写成独立正态的线性变换,答"是正态过程"。
本课程与排队论课程的平行例题(\(X_0+Vt\) 两边都考),套路一字不差,只是记号约定不同。

4 · 多维随机过程与互相关函数课件 p.26–27

互关联(互协方差/互相关) 两个过程 \(\{X(t)\}\)、\(\{Y(t)\}\)(如传输系统的输入与输出、n 台计算机的下载速度 \(X_i(t)\))之间定义: \[C_{XY}(s,t)=E[(X(s)-m_X(s))(Y(t)-m_Y(t))],\qquad R_{XY}(s,t)=E[X(s)Y(t)],\] 且 \(C_{XY}=R_{XY}-m_Xm_Y\)。研究输入–输出的整体统计特性(滤波、信道)就看这对函数——后续“随机过程通过线性系统”一章的主角。
① 随机振幅 X(t)=A cos ωt (EA=0) → ❌ 非宽平稳 所有样本在 cos ωt=0 处恒过零点,D[X(t)]=σ²cos²ωt 随 t 变 ② 随机相位 X(t)=a cos(ωt+Θ), Θ~U(0,2π) → ✅ 宽平稳 波形水平均匀平移,m(t)=0,R(τ)=(a²/2)cos ωτ 仅依赖时间差 ③ 正交振幅 U cos ωt + V sin ωt → ✅ 宽平稳 (+正态则严平稳) EU=EV=0, EU²=EV²=σ², EUV=0 ⇒ R(τ)=σ²cos ωτ(消除 t₁+t₂ 项) ④ 随机幅相 A cos(ωt+Θ) (A⊥Θ, Θ~U(0,2π)) → ✅ 宽平稳 不同样本振幅各异且相位均匀分布,R(τ)=(E[A²]/2)cos ωτ
图:考场高频四种正弦波样本轨迹对比——唯有“纯随机振幅 A cos ωt”因确定性零点锁相而非宽平稳

5 · 公式速查 / 自测 / 下一步

四大函数\(m(t)=E[X(t)]\);\(D(t)=E[X^2(t)]-m^2\);\(R=E[X(s)X(t)]\);\(C=R-m(s)m(t)\),\(C(t,t)=D(t)\),\(\rho=C/\sqrt{D(s)D(t)}\)
复过程\(m_Z=m_X+jm_Y\);\(D_Z=D_X+D_Y\);\(R_Z=E[Z(s)\overline{Z(t)}]\)
速算结论\(U+Vt\)(iid \(N(0,1)\)):\(m=0,D=1+t^2,C=R=1+st\);随机正弦波:\(R=E[A^2]\cdot\frac12\cos\beta(t-s)\);半二元传输:\(R=1\)(同区间)/ 0;复振荡和:\(R=\sum\sigma_k^2e^{-j\omega_k(t_1-t_2)}\)
自 测
  1. 四大函数定义与三个恒等式?“相关函数”与“相关系数函数”的区别?
  2. 复过程方差为什么是 \(D_X+D_Y\)?\(R_Z\) 为什么要共轭?
  3. 例 2 里为什么不能把 \(E[X(s)X(t)]\) 拆成 \(E[X(s)]E[X(t)]\)?
  4. 例 3、例 5 的 R 各依赖 \(t-s\) 还是别的?这种性质叫什么(预告)?
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 答案要点)

破题切入点:见第 1 节表;R 原始关联、ρ 归一化关联。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(答案要点)
  1. 见第 1 节表;R 原始关联、ρ 归一化关联。
  2. \(|Z-m_Z|^2=(X-m_X)^2+(Y-m_Y)^2\);复过程能量/功率按模方计。
  3. 同一开关(同一 ω)决定整条轨道,X(s)、X(t) 强相关不独立;要按轨道分情形混合。
  4. 都只依赖时间差(例 5 亦然)——“宽平稳”性质,平稳过程一章的主角。

下一步:第一章至此(定义、有限维分布、柯氏定理、数字特征)完成。后续课件(泊松过程、更新过程、平稳过程、均方微积分、谱分析、马氏链)发布后,按本套格式追加笔记 15+;期末冲刺请配合本文件夹 复习资料/考试范围.pdf(9 条考点)与 课堂练习/(CH2 布朗、CH3 泊松、CH5、CH6 谱密度已可用)。

🎯 考场题型信号词 → 破题套路速查表 期末冲刺必背 · 信号词秒配定理与防扣分清单

考场上读题 10 秒内锁定“题干信号词”,直接调用中间列的定理模板作答,并在交卷前对照右列逐条排查高频扣分点。

🔍 题干信号词 / 设问特征 ⚡ 必用定理 / 核心递推式 / 标准破题套路 🚨 老师批改高频扣分点
判断状态空间 \(S\) 与参数集 \(T\) 属于哪一类随机过程 按 \((T,S)\) 四象限分类表判定,并写出固定 \(t_0\) 时的随机变量截面与固定 \(\omega_0\) 时的样本函数轨迹 ⚠ 避坑:把样本函数族(确定性时间函数集合)与一维分布律混为一谈
求二维离散型随机过程在任意时刻 \((t_1,t_2)\) 的联合分布函数 \(F(x_1,x_2;t_1,t_2)\) 老师点名必考“九区域画法”:在 \((x_1,x_2)\) 平面画出两条取值分界线,分成 9 个左闭右开/右连续区域逐格累加左下角概率 ⚠ 避坑:未画九宫格分界图直接跳结论;边界不等号未写成 \(x < a\) 与 \(x \ge a\)(违背右连续约定)
含随机振幅或随机相位的连续过程求一维概率密度 \(f(x;t)\) 先算分布函数 \(F(x;t)=P\{X(t)\le x\}\),注意对 \(t\) 使系数为 0 的奇异时刻单独讨论(退化为单点分布) ⚠ 避坑:直接除以 \(\cos\omega t\) 而漏讨论 \(\cos\omega t=0\) 及 \(\cos\omega t<0\) 不等号反向的情况
求复随机过程 \(Z(t)=X(t)+jY(t)\) 的自相关与自协方差函数 复过程定义:\(R_Z(t_1,t_2)=E[Z(t_1)\overline{Z(t_2)}]\),后一项必须取复共轭! ⚠ 避坑:漏掉第二项的共轭横线导致 \(e^{j\omega(t_1-t_2)}\) 错算成 \(e^{j\omega(t_1+t_2)}\),全题零分
已知均值函数 \(m_X(t)\) 与协方差函数 \(B_X(t_1,t_2)\) 互换自相关 \(R_X(t_1,t_2)\) 恒等式:\(B_X(t_1,t_2) = R_X(t_1,t_2) - m_X(t_1)m_X(t_2)\);方差 \(\sigma_X^2(t)=B_X(t,t)\) ⚠ 避坑:把 \(R_X(t,t)=E[X^2(t)]\) 当成方差 \(D[X(t)]\)(仅当零均值时二者才相等)