ランダムプロセスは、検討中の各瞬間に1つずつ、ランダム変数のコレクションです。通常、これは連続時間()または離散時間(すべての整数またはすべての時刻(はサンプル間隔))です。 −∞<t<∞nnTT
- 定常性とは、ランダム変数の分布のことです。具体的には、定常処理で、全ての確率変数は、すべての正の整数を、より一般的に同一の分布関数を有し、及び時間瞬間、関節の分布確率変数は、の共同分布と同じです。つまり、すべての時刻をだけシフトしても、プロセスの統計的記述はまったく変化しません。プロセスは静止していますnnt1,t2,…,tn n X (t 1)、X (t 2)、⋯ 、X (t n)X (t 1 + τ )、X (t 2 + τ )、⋯ 、X (t n + τ )τnX(t1),X(t2),⋯,X(tn)バツ(t1+ τ)、X(t2+ τ)、⋯ 、X(tn+ τ)τ。
- 一方、エルゴード性は、ランダム変数の統計的特性ではなく、サンプルパス、つまり物理的に観察するものを調べます。ランダム変数に戻ると、ランダム変数はサンプル空間から実数へのマッピングであることを思い出してください。各結果は実数にマッピングされ、異なるランダム変数は通常、任意の結果を異なる数にマッピングします。そのため、サンプル空間で結果もたらした実験を実行し、この結果がプロセスのすべてのランダム変数によって(通常は異なる)実数にマッピングされていることを想像してください。具体的には、変数はをマッピングしましたωバツ(t )ω実数までx (t )として示す。番号 x (t )の波形とみなし、あるサンプルに対応する経路ω、及び異なる結果は私達に異なったサンプルパスを与えます。次に、エルゴード性は、サンプルパスのプロパティと、これらのプロパティがランダムプロセスを構成するランダム変数のプロパティにどのように関連するかを扱います。
今、サンプル経路のためのx (t )から定常プロセス、我々は計算することができる時間を平均
バツ¯= 12 T∫T− Tx (t )d t
はなく、何をんバツ¯関連していμ = E[ X(t )]、平均ランダムプロセスの?(使用するt値は問題ではないことに注意してください。すべての確率変数は同じ分布を持っているため、同じ平均を持っています(平均が存在する場合))。OPが言うように、プロセスがエルゴード的で静止している場合など、サンプルパスが十分に長く観察されると、サンプルパスの平均値またはDC成分はプロセスの平均値に収束します。 2つの計算の結果を接続し、そのをアサートする
リムT→ ∞バツ¯= リムT→ ∞12 T∫T− Tx (t )d t
μ = E [ X (T )] = ∫ ∞ - ∞ U F X(U )等しい そのような等式が成立するための方法はあると言われている平均エルゴード、その自己相関関数場合、プロセスは平均エルゴードある性質を有する:
μ = E[ X(t )] = ∫∞- ∞U Fバツ(u )d u。
C X(τ )LIM T → ∞ 1Cバツ(τ)リムT→ ∞12 T∫T− TCバツ(τ)D τ= 0。
したがって、すべての定常プロセスが平均エルゴード的である必要はありません。しかし、エルゴード性には他の形態もあります。たとえば、自己共分散エルゴードプロセスの場合、有限セグメントの自己共分散関数(たとえば、サンプルパスは、プロセスの自己共分散関数に収束します。 as。プロセスがエルゴード的であるという包括的な文は、さまざまな形式のいずれかを意味する場合もあれば、特定の形式を意味する場合もあります。T ∈ (- T、T)x (t )Cバツ(τ)T→ ∞
2つの概念の違いの例として、検討中のすべてのに対してと仮定します。ここで、は確率変数です。これは定常プロセスです。各は同じ分布(つまり、の分布)、同じ平均
、同じ分散などを持ちます。各とは、同じジョイント分布を持ちます(ただし、縮退しています)。しかし、各サンプルパスは定数であるため、プロセスは
エルゴード的ではありません。具体的には、実験の試行(あなたまたは上司によって実行された)の結果がバツ(t )= YtYX (T )Y E [ X (T )] = E [ Y ] X (T 1)X (T 2)Y α α T α E [ X (T )] = E [ Y ] Y = β β Tバツ(t )YE[ X(t )] = E[ Y]バツ(t1)バツ(t2)Y値が場合、この実験結果に対応するランダムプロセスのサンプルパスの値はすべてのに対してになり、サンプルパスのDC値はではなくになり、どの程度長く(退屈な)サンプルパスを観察しても。パラレルユニバースでは、試行の結果はなり、そのユニバースのサンプルパスの値はすべてのに対してになります。このような自明性を定常プロセスのクラスから除外する数学的な仕様を記述することは容易ではないため、これはエルゴード的ではない定常ランダムプロセスの非常に最小限の例です。ααtαE[ X(t )] = E[ Y]Y= ββt
定常的ではないがエルゴード的であるランダムなプロセスが存在する可能性はありますか?まあ、N0は、いない場合は、エルゴードによって、私たちが考えることができるすべての可能な方法のいずれかでエルゴード意味:例えば、我々が測定した場合に端数サンプルパスの長のセグメント間の時間の最大で値を持つ、これは適切な推定値です。プロセスが想定される場合、でのの(共通)CDFの値分布関数に関してエルゴード的である。 しかし、私たちはランダムなプロセスを持つことができますx (t )αP(X(T )≤ α )= Fバツ(α )Fバツバツ(t )α{ X (T ):X (T )= COS (T + Θ )、- ∞ < T < ∞ } Θ 0 、π / 2 、π 3静止ではないが、それでも平均-エルゴードおよび自己共分散-エルゴードである。たとえば、プロセスを考える
ここで 4に等しくありそうな値をとりと。各は離散確率変数であり、一般に、4つの同等の可能性のある値を取るおよび、一般的におよび{ X(t ):X(t )= cos(t + Θ )、− ∞ < t < ∞ }Θ0 、π/ 2、π3個のπ/ 2バツ(t )COS (T )、COS (T + π / 2 )= - 罪(T )、COS (T + π )= - COS (T )COS (T + 3 π / 2 )= 罪(t )X (t )X (scos(t )、cos(t + π/ 2)=−罪(t )、cos(t + π)= − cos(t )cos(T + 3 π/ 2)=罪(t )バツ(t )バツ(s )分布が異なるため、プロセスは一次定常でさえありません。一方、
間
、ごとに
要するに、プロセスの平均はゼロであり、その自己相関(および自己共分散)関数は時間差のみに依存するため、プロセスはE[ X(t )] = 14cos(t )+ 14(− 罪(t ))+ 14(− cos(t ))+ 14罪(t )= 0
tE[ X(t )X(s )]=14[ cos(t )cos(s )+ (− cos(t ))(− cos(s ))+ sin(t )罪(s )+ (− sin(t ))(− sin(s ))]=12[ cos(t )cos(s )+ 罪(t )罪(s )]= 12cos(t − s )。
t − s広義の静止。しかし、それは一次定常ではないため、高次でも定常であってはなりません。ここで、実験が実行され、の値がわかっている場合、に等しいDC値を持つまたはいずれかでなければならないサンプル関数を取得します、及びその自己相関関数である、同じ、この処理はそうであることは全く静止していないにもかかわらず、平均エルゴード自己相関-エルゴード。最後に、プロセスは分布関数に関してエルゴード的ではないことに注意しますΘ± cos(t )± 罪(t )0012cos(τ)Rバツ(τ)、つまり、あらゆる点でエルゴード的とは言えません。