Глава 2. ФУНКЦИИ ОТ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН
Поставим
следующую задачу. Пусть многомерная СВ (случайный вектор) =
имеет ПВ
и компоненты другого случайного вектора
=
функционально связаны
с компонентами вектора
, т. е.
,
, … ,
. Тогда ФР случайного вектора
=
=
,
где область определяется
неравенствами
,
.
Пример. Пусть требуется найти ФР и ПВ суммы
СВ , т. е.
. В
соответствии со сказанным ФР случайной величины
есть вероятность попадания точки (
) в подпространство
,
или
.
Для
это даст
=
.
Область интегрирования представлена на рис. 2.1.
Переходя от двойного интеграла к повторному, получим
=
.
Для отыскания ПВ суммы СВ
и
, считая
записанный интеграл дифференцируемым по параметру
, получим
=
=
.
Если СВ и
независимы, то
=
,
где
и
– ПВ
случайных величин
и
соответственно.
Таким образом, для независимых СВ, для которых
=
,
ПВ суммы есть свертка ПВ слагаемых
.
Учитывая, что Фурье-образ
свертки есть произведение преобразований Фурье сворачиваемых функций,
целесообразно ввести в рассмотрение преобразование Фурье ПВ, что возможно, так
как для любой ПВ выполняется
условие абсолютной интегрируемости.
Определение. Преобразование Фурье ПВ определяет характеристическую функцию (ХФ)
СВ
=
. Обратное преобразование
Фурье позволяет выразить ПВ через ХФ
.
Различие знаков в показателе экспоненты для прямого и обратного преобразований по сравнению с обычно используемым несущественно, что и отмечено в гл. 5 первой части пособия.
Таким образом ХФ суммы
независимых СВ и
есть
произведение ХФ слагаемых, т. е.
=
.
Характеристическая
функция естественно определяется и для многомерных СВ как многомерное преобразование
Фурье совместной ПВ случайных величин
=
,
=
.
Из определения многомерных ХФ видно, что если СВ
независимы, т. е.
=
, то переменные в многомерном интеграле,
определяющем
, разделяются и
=
.
Вернемся к задаче отыскания ПВ функций от СВ. В рассмотренном примере мы показали, как можно найти ПВ функции от СВ (суммы) путем дифференцирования ФР. Однако можно решить задачу о нахождении ПВ функций от СВ, не обращаясь к помощи ФР.
Поясним это на примере.
Пусть требуется найти ПВ случайной величины ,
связанной со СВ
функциональным соотношением
. Будем вначале считать, что
задает взаимно однозначное соответствие между
СВ
и
(рис. 2.2).
Можно утверждать, что в
силу функциональной связи между и
, вероятность попадания СВ
в промежуток
равна
вероятности попадания СВ
в промежуток
. Считая
и
малыми, это утверждение можно записать в
виде
. В пределе при
,
это
равенство станет точным. Знак модуля ставится в силу неотрицательности вероятностей,
в то время как величины
и
, вообще говоря, имеют знак.
Разрешая уравнение
относительно
(в силу
наличия взаимно однозначного соответствия между
и
решение единственно)
и учитывая, что
,
получим окончательно
.
Рассмотрим случай, когда уравнение
имеет несколько решений (рис. 2.3). В этом
случае вероятность попадания СВ
в интервал
есть вероятность объединения двух несовместных
событий: попадание СВ
в интервал
и попадание СВ
в
интервал
. Следовательно,
,
где –
функции, обратные к fна
интервалах однозначности.
Двумерный случай иллюстрируется
рис. 2.4. Пусть связь СВ ,
и
,
задается функциями
=
и
=
и решения этой системы уравнений
=
и
=
. Вероятность попадания
СВ
и
в
область
равна вероятности попадания СВ
и
в область
, что с учетом малости областей
и
можно записать как
.
Знак модуля появился
вследствие того, что площади и
ориентированы (направление обхода или
положение нормали). Переходя к пределу, получим
, где
– определитель Якоби, или якобиан, имеющий
смысл масштабного коэффициента при преобразовании элемента площади из системы
координат
в систему
,
связанных между собой записанными выше соотношениями
=
и
=
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.