ÑÀÍÊÒ-ÏÅÒÅÐÁÓÐÃÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ
Ìàòåìàòèêî-ìåõàíè÷åñêèé ôàêóëüòåò
Êàôåäðà òåîðèè âåðîÿòíîñòåé è ìàòåìàòè÷åñêîé ñòàòèñòèêè
Äóäíèê Ìàêñèì Åâãåíüåâè÷
Ñóììû íåçàâèñèìûõ íåîäíîðîäíûõ ïñåâäî-ïóàññîíîâñêèõ ïðîöåññîâ ñî
ñòîõàñòè÷åñêîé èíòåíñèâíîñòüþ
Äèïëîìíàÿ ðàáîòà
Çàâ. êàôåäðîé:
ä. ô.-ì. í., ïðîôåññîð Íèêèòèí ß.Þ.
Íàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü:
ê. ô.-ì. í., äîöåíò Ðóñàêîâ Î.Â.
Ðåöåíçåíò:
ä. ò. í., ïðîôåññîð Áåëÿâñêèé Ã.È.
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2016
SAINT PETERSBURG STATE UNIVERSITY
Mathematics and Mechanics Faculty
Maxim Dudnik
Sums of independent non-homogeneous pseudo-poissonian processes with stochastic
intensity
Graduation Thesis
Head of the chair:
professor Ya.Yu. Nikitin Scientic supervisor:
associate professor O. V. Rusakov Reviewer:
professor G. I. Belyavsky
Saint Petersburg 2016
Ñîäåðæàíèå
1 Ââåäåíèå 4
2 Ãëàâà 1. Îñíîâíûå îïðåäåëåíèÿ è ïîñòàíîâêà çàäà÷è 7 2.1 Îñíîâíûå îïðåäåëåíèÿ è òåîðåìû . . . 7 2.2 Ïîñòàíîâêà ïðîáëåìû . . . 11 3 Ãëàâà 2. Ñëó÷àé äèñêðåòíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé Ïóàññî-
íîâñêîãî ïðîöåññà 12
4 Ãëàâà 3. Ñëó÷àé íåïðåðûâíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé Ïóàññî-
íîâñêîãî ïðîöåññà 15
5 Ãëàâà 4. Íåêîòîðûå ÷àñòíûå ñëó÷àè ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé
Ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà 19
6 Çàêëþ÷åíèå 24
7 Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 25
8 Ïðèëîæåíèÿ 26
1 Ââåäåíèå
Äàííàÿ ðàáîòà ïîñâÿùåíà îïèñàíèþ îñíîâíûõ ñâîéñòâ ñóìì íåçàâèñèìûõ ïñåâäî- ïóàññîíîâñêèõ ïðîöåññîâ ñî ñëó÷àéíîé èíòåíñèâíîñòüþ â ñëó÷àå, åñëè èíòåíñèâíîñòü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íåïðåðûâíî ðàñïðåäåëåííóþ ñëó÷àéíóþ âåëè÷èíó. Ïðè ýòîì êëþ÷å- âûì ïîíÿòèåì, íåîáõîäèìûì äëÿ àíàëèçà, ÿâëÿåòñÿ ïðîöåññ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà (ÏÑÈ).
Ïðè ýòîì ïîä÷åðêíåì, ÷òî ïðîöåññîì ñëó÷àéíîãî èíäåêñà ìû íàçûâàåì ïñåâäîïóàñ- ñîíîâñêèé ïðîöåññ, ïðèìåíåííûé ê ïðîèçâîëüíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, à íå òîëüêî ê ìàðêîâñêîé. Îòìåòèì òàêæå, ÷òî â äàííîì ðàçäåëå áóäóò äàíû ëèøü êðàòêèå ââîäíûå ïîíÿòèÿ. Áîëåå ñòðîãèå îïðåäåëåíèÿ äàíû â Ãëàâå 1. Ïîä ïðîöåññîì ñëó÷àéíîãî èíäåê- ñà (ñóáîðäèíàòîðîì) ψ(t) = ψΠ(t) ìû áóäåì ïîíèìàòü ñëó÷àéíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, ñîñòàâëåííóþ èç ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí {ξ} = {ξ0, ξ1, ...ξi, ...} ïóòåì ñëó÷àéíîé çàìåíû âðåìåíè, à èìåííî, ïî îïðåäåëåíèþ:
ψΠ(t) = ξΠλ(t). (1)
Çäåñü è äàëåå Πλ(t)ïðîöåññ Ïóàññîíà ñ ïîñòîÿííîé âåùåñòâåííîé èíòåíñèâíîñòüþ λ > 0. Çäåñü è äàëåå â êà÷åñòâå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí {ξ} ìû áó- äåì ðàññìàòðèâàòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü öåíòðèðîâàííûõ è íîðìèðîâàííûõ íåçàâèñè- ìûõ îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí. Ïóàññîíîâñêèå ïðîöåññû, ïðèìå- íåííûå ê ìàðêîâñêèì ïîñëåäîâàòåëüíîñòÿì, íàçûâàþòñÿ ïñåâäîïóàññîíîâñêèìè ïðîöåñ- ñàìè (Pseudo-Poisson proceses). Êàê ïðîöåññû ñëó÷àéíîãî èíäåêñà, òàê è ïñåâäîïóàññî- íîâñêèå ïðîöåññû â äîñòàòî÷íîé ìåðå èññëåäîâàíû â ëèòåðàòóðå (ñì. íàïð. [1]). Îäíà- êî, ñóììû òàêèõ ïðîöåññîâ â óêàçàííûõ ðàáîòàõ íå ðàññìàòðèâàëèñü. Ïðèìå÷àòåëüíûì ÿâëÿåòñÿ òîò ôàêò, ÷òî ñóììà óæå äâóõ ñëàãàåìûõ âèäà (1) äëÿξ, ñîñòîÿùåé èç íåçà- âèñèìûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí, óæå íå áóäåò îáëàäàòü ñâîéñòâîì ìàðêîâîñòè.
 ðàáîòàõ Î.Â.Ðóñàêîâà (ñì. íàïð. [2], [3]) áûëè âïåðâûå ââåäåíû â ðàññìîòðåíèå ñóììû íåçàâèñèìûõ êîïèé ïðîöåññîâ âèäà (1), è äîêàçàíà èõ ñõîäèìîñòü â ñìûñëå ñõîäè- ìîñòè êîíå÷íîìåðíûõ ðàñïðåäåëåíèé ê ïðîöåññàì òèïà Îðíøòåéíà-Óëåíáåêà, à òàêæå ñõîäèìîñòü òàêèì ñóìì â ôèíêöèîíàëüíîì ïðîñòðàíñòâå Ñêîðîõîäà. Èíûìè ñëîâàìè,
áûëè ðàññìîòðåíû ñâîéñòâà ïðîöåññîâ âèäà:
ΨN(t) := 1
√N
N
X
i=1
ψi(t), t≥0. (2)
Äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà ñëó÷àéíûå âåëè÷èíû{ξt}íå îáëàäàþò âòîðûì ìîìåíòîì, íî ïðèíàä- ëåæàò îáëàñòè ïðèòÿæåíèÿαóñòîé÷èâîãî çàêîíà,0< α <2. Òàêæå áûëè ðàññìîòðåíû ñâîéñòâà ïðîöåññîâ âèäà:
ΨN(t) := 1 N1/α
N
X
i=1
ψi(t), t ≥0. (3)
Äàëüíåéøèé àíàëèç ÏÑÈ ïðîõîäèë â áîëåå îáùèõ äîïóùåíèÿõ îá èíòåíñèâíîñòè âåäó- ùåãî ñëó÷àéíîãî ïðîöåññàΠλ(t)(ñì íàïð. [4]). Áûë ðàññìîòðåí ñëó÷àé, êîãäà èíòåíñèâ- íîñòü ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà,λ, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äèñêðåòíóþ ñëó÷àéíóþ âåëè÷èíó, îïðåäåëåííóþ ñëåäóþùèì îáðàçîì: ïóñòü λ èìååò ðàñïðåäåëåíèå Pλ. Ïîëîæèì, ÷òî λ ïðèíèìàåò çíà÷åíèÿ λ1 < λ2 < ... < λi < ...λn ñ âåðîÿòíîñòÿìè p1, p2, ..., pi, ..., pn, ãäå P
i=1
pi = 1. Áûëè èññëåäîâàíû ñâîéñòâà ñóìì âèäà (2) â äàííîì ñëó÷àå ñòîõàñòè÷åñêîé èíòåíñèâíîñòè ñ äèñêðåòíûì ðàñïðåäåëåíèåì, à òàêæå äîêàçàí ðÿä ïðåäåëüíûõ ñâîéñòâ äëÿ òàêèõ ñóìì.
Îñíîâíîé öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ èññëåäîâàòü àñèìïòîòè÷åñêèå ñâîéñòâà è îïèñàòü êîâàðèàöèîííûå ñâîéñòâà ïðåäåëüíîãî ïðîöåññà äëÿ ñóìì âèäà (2), êîãäà â êà-
÷åñòâå èíòåíñèâíîñòè âåäóùåãî ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà âûñòóïàåò ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà λ(ω), îáëàäàþùàÿ åñòåñòâåííûìè ñòîõàñòè÷åñêèìè ñâîéñòâà (íàïðèìåð, áåçãðàíè÷íîé äåëèìîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ), à òàêæå:
1. λ èΠ1(t)íåçàâèñèìû, ãäå Π1(t)- ïðîöåññ Ïóàññîíà ñ èíòåíñèâíîñòüþ 1;
2. λ èξ íåçàâèñèìû.
Êðîìå òîãî, â ðàáîòå áóäåò ðàññìîòðåí ÷àñòíûé ñëó÷àé ñóìì âèäà (2) ïðè ñëåäóþùèõ äîïóùåíèÿõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ ñõåìå ñåðèé:
1. Ïóñòü ñóùåñòâóåò ïîñëåäîâàòåëüíîñòü äèñêðåòíûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èíλj, j = 0..n
<N. Ïðè ýòîì äëÿ êàæäîãîj ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíàλj ðàñïðåäåëåíà ïî çàêîíóPλj
ñëåäóþùèì îáðàçîì: λj ïðèíèìàåò ïîëîæèòåëüíûå çíà÷åíèÿ λj,1 < λj,2 < ... <
λj,i < ...∞ ñ âåðîÿòíîñòÿìè pj,1, pj,2, ..., pj,i, ..., ãäå P∞
i=1
pj,i = 1 è pj,iðàöèîíàëüíûå
÷èñëà âèäà aj,i/N;
2. Ðàñïðåäåëåíèå (λj, pj), çàâèñÿùåå îò N, ñëàáî ñõîäèòñÿ ïðèN → ∞ê íåêîòîðîìó ðàñïðåäåëåíèþ ν ñ ïðåîáðàçîâàíèåì Ëàïëàñà Lν.
 òàêîì ñëó÷àå ðàññìîòðèì ñóììû âèäà:
ΨN(t) := 1
√N
n
X
i=1 aj
X
j=1
ψλ;j(t), t≥0, (4)
è ïîñòàâèì öåëüþ èññëåäîâàíèå ïðåäåëüíûõ ñâîéñòâ ñóìì âèäà (4) ïðèN ñòðåìÿùèìñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè. Ïîìèìî îçâó÷åííûõ öåëåé, â ðàìêàõ äèïëîìíîé ðàáîòû ïëàíèðóåòñÿ ðàññìîòðåòü ðÿä ñâîéñòâ ñóìì ïðîöåññîâ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà ïðè íåêîòîðûõ êîíêðåò- íûõ âèäàõ ðàñïðåäåëåíèé èíòåíñèâíîñòåé, à òàêæå ðàñøèðèòü òàáëèöó èíòåãðàëüíûõ ïðåîáðàçîâàíèé Ëàïëàñà.
 Ãëàâå 1 ïëàíèðóåòñÿ äàòü îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è îïðåäåëåíèÿ, íåîáõîäèìûå äëÿ äàëü- íåéøåãî àíàëèçà, à òàêæå ñôîðìóëèðîâàòü ïðîáëåìó.  Ãëàâå 2 ïëàíèðóåòñÿ îïèñàòü îñíîâíûå ïðåäâàðèòåëüíûå ðåçóëüòàòû, èìåþùèåñÿ â ëèòåðàòóðå, äëÿ ñëó÷àåâ äèñêðåò- íî ðàñïðåäåëåííûõ èíòåíñèâíîñòåé.  Ãëàâå 3 ïëàíèðóåòñÿ îïèñàòü îñíîâíûå ïðåäâà- ðèòåëüíûå ðåçóëüòàòû, èìåþùèåñÿ â ëèòåðàòóðå, äëÿ ñëó÷àåâ íåïðåðûâíî ðàñïðåäåëåí- íûõ èíòåíñèâíîñòåé.  Ãëàâå 4 ïëàíèðóåòñÿ ïðîèëëþñòðèðîâàòü è âûâåñòè ðÿä ñâîéñòâ ðàññìàòðèâàåìûõ ïðîöåññîâ ïðè íåêîòîðûõ êîíêðåòíûõ âèäàõ ðàñïðåäåëåíèé èíòåí- ñèâíîñòåé.
2 Ãëàâà 1. Îñíîâíûå îïðåäåëåíèÿ è ïîñòàíîâêà çàäà÷è
2.1 Îñíîâíûå îïðåäåëåíèÿ è òåîðåìû
Ðàññìîòðèì âåðîÿòíîñòíîå ïðîñòðàíñòâî{Ω,F,P}. Êëþ÷åâûì äëÿ âñåãî èçëîæåíèÿ â äàëüíåéøåì áóäåò ïîíÿòèå ïðîöåññà Ïóàññîíà:
Îïðåäåëåíèå 1. Ïðîöåññîì Ïóàññîíà ñ èíòåíñèâíîñòüþ λ (íà äàííîì ýòàïå ìû íå îïèñûâàåì ïðèðîäó ïàðàìåòðà λ è ñ÷èòàåì åãî ïðîèçâîëüíîé, íî ôèêñèðîâàííîé ïîëîæèòåëüíîé êîíñòàíòîé), ãäåλ >0, íàçûâàåòñÿ ñëó÷àéíûé ïðîöåññ Πλ(t), t∈[0;∞) ñ íåçàâèñèìûìè ïðèðàùåíèÿìè, íà÷àëüíûì çíà÷åíèåìΠλ(0) = 0è ñ ðàñïðåäåëåííûìè ïî çàêîíó Ïóàññîíà ñ ïàðàìåòðîìλ·(t−s) ïðèðàùåíèÿìè:
P(Πλ(t)−Πλ(s) = k) = λ·(t−s)k
k! ·exp{−λ·(t−s)}, k= 0,1,2...(5)
Îïðåäåëåíèå 2. Ïóñòü íà âåðîÿòíîñòíîì ïðîñòðàíñòâå {Ω,F,P} çàäàíà ñëó÷àé- íàÿ âåëè÷èíà ξ(ω), ãäå ω èç Ω. Çäåñü è äàëåå ìû áóäåì îïóñêàòü àðãóìåíò ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû. ÏóñòüFξ(x), ãäå x∈R çàêîí ðàñïðåäåëåíèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû ξ. Ïðå- îáðàçîâàíèåì Ëàïëàñà ñëó÷àéíîé âåëè÷èíàξ íàçûâàåòñÿ ñëåäóþùàÿ ôóíêöèÿ:
Lξ(t) = Z ∞
0
exp{−tv}dFξ(dv). (6)
Ïåðåä òåì, êàê ïðèñòóïèòü ê îïðåäåëåíèþ ïðîöåññîâ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà (ÏÑÈ) çà- ìåòèì ñëåäóþùèé ôàêò: ïóñòüΠ1(t) ïðîöåññ Ïóàññîíà ñ èíòåíñèâíîñòüþ1. Ïóñòüλ ïîñòîÿííàÿ âåùåñòâåííàÿ êîíñòàíòà, ïðè÷åìλ >0. Ïðîöåññ Ïóàññîíà ñ èíòåíñèâíîñòüþ λ ïîëó÷àåòñÿ èç ïðîöåññà ÏóàññîíàΠ1(t) ñëåäóþùèì îáðàçîì:
Πλ(t) := Π1(λ·t). (7)
 ñëó÷àå íåîäíîðîäíîé èíòåíñèâíîñòè ïðîöåññà Ïóàññîíà, Λ = Λ(t) íåóáûâàþùàÿ íåïðåðûâíàÿ ôóíêöèÿ (ò.÷. Λ(0) = 0 èëè ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ïîëîæèòåëüíîé ìå- ðû áåç àòîìîâ, çàäàííîé íà ïðàâîé ïîëóîñè) êîíñòðóêöèÿ çàìåíû âðåìåíè â ïðîöåññå Ïóàññîíà ñòðîèòñÿ ïî ñóòè àíàëîãè÷íî ïðåäñòàâëåííîé âûøå:
ΠΛ(t) = Π1(Λ(t)). (8)
 ñëó÷àå, êîãäà èíòåíñèâíîñòü ïðîöåññà Ïóàññîíà, λ, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëó÷àéíóþ âåëè÷èíóλ(ω), ìû áóäåì óêàçûâàòü àðãóìåíò ω.
Ïåðåéäåì ê îïðåäåëåíèþ ïñåâäîïóàññîíîâñêèõ ïðîöåññîâ è ïðîöåññîâ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà. Äàëåå ïóñòü íà âåðîÿòíîñòíîì ïðîñòðàíñòâå {Ω,F,P} çàäàíà ïîñëåäîâàòåëü- íîñòü íåçàâèñèìûõ îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí{ξ}={ξ0, ξ1, ...ξi, ...}
è ïðîöåññ Πλ(t) = Π(t), ãäå t >= 0. Ïðîöåññ Π(t) ïóàññîíîâñêèé ñëó÷àéíûé ïðîöåññ, íå çàâèñÿùèé îò {ξ}, λ >0 èíòåíñèâíîñòü ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà; λ∈IR.
Îïðåäåëåíèå 3. Çàäàäèì ñëó÷àéíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ξ(t) := ξt, ãäå ξt ∈ {ξ}. Äàëåå ðàññìîòðèì ñëó÷àéíóþ çàìåíó âðåìåíè â ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ξ(t) ïîñðåäñòâîì ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà Π(t) ñëåäóþùèì îáðàçîì:
ψ(t) =ψΠ(t) =ψΠ,ζ(t) :=ζΠ(t) =ζΠ(t). (9) Ïðîöåññ ψ(t) íàçûâàþò ïðîöåññîì ñëó÷àéíîãî èíäåêñà (ÏÑÈ). Îòìåòèì, ÷òî ïðîöåññ ψ(t) èìååò êóñî÷íî-ïîñòîÿííûå, íåïðåðûâíûå ñïðàâà òðàåêîðèè, çàäàí íà IR+.Π(t) ìû áóäåò íàçûâàòü âåäóùèì, ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí ξ(t) ôîðìèðóþùåé.
Åñëè íå óêàçàíî èíîå, ìû áóäåì çäåñü è äàëåå ïðåäïîëàãàòü, ÷òî ñëó÷àéíûå âåëè÷èíû ξi, i = 1, ... íåçàâèñèìû, èìåþò îäèíàêîâîå ðàñïðåäåëåíèå Fξ(x), êîíå÷íûé âòîðîé ìî- ìåíò, èçâåñòíîå ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå è äèñïåðñèþ.  äàëüíåéøåì, åñëè íå óêàçàíî èíîå, ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå è äèñïåðñèÿ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí ξi, i = 1, ...ïðåäïîëà- ãàþòñÿ ðàâíûìè íóëþ è åäèíèöå ñîîòâåòñòâåííî.
Êàê óæå îòìå÷àëîñü, â ñëó÷àå, åñëè ôîðìèðóþùàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ÿâëÿåòñÿ ìàðêîâñêîé, òî êîíñòðóêöèÿ âèäà (9) íàçûâàåòñÿ ïñåâäîïóàññîíîâñêèì ïðîöåññîì. Îò- ìåòèì, ÷òî òàê êàê â ðàìêàõ äàííîé ðàáîòû áóäóò ðàññìàòðèâàòüñÿ ïî áîëüøåé ÷àñòè òîëüêî ïñåâäîïóàññîíîâñêèå ïðîöåññû, äëÿ êðàòêîñòè èçëîæåíèÿ áóäåì îïåðèðîâàòü òîëüêî òåðìèíîì ÏÑÈ, åñëè íå ïîòðåáóåòñÿ óòî÷íåíèÿ.
Ðàññìîòðèì òåïåðü ìåõàíèçì ôîðìèðîâàíèÿ ïðîöåññà (9). Ïóñòü åñòü äâà ìîìåíòà ñêà÷êîâ âåäóùåãî ïðîöåññà,tk< tk+1, k ∈Z+. Êàæäîìó èíòåðâàëó[tk, tk+1) ïîñòàâèì â ñîîòâåòñòâèå ñëó÷àéíóþ âåëè÷èíóξk, çàâèñÿùóþ îò íîìåðà èíòåðâàëà. Ïðè ïåðåõîäå ê ñëåäóþùåìó èíòåðâàëó (k+ 1)ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíàξk òàêæå çàìåíÿåòñÿ íà ñëó÷àéíóþ âåëè÷èíó ξk+1 èç âåäóùåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè {ξ}. Íàïîìíèì, ÷òî â ðàìêàõ äàííîé
ðàáîòû â êà÷åñòâå ýëåìåíòîâ ïîñëåäîâàòåëüíîñòè {ξ} âûñòóïàþò íåçàâèñèìûå îäèíà- êîâî ðàñïðåäåëåííûå âåëè÷èíû ñ íóëåâûì ìàòåìàòè÷åñêèì îæèäàíèåì è åäèíè÷íîé äèñïåðñèåé:
IEξ0 = 0,IDξ0 = 1
Îòìåòèì òàêæå î÷åâèäíîå ñâîéñòâî ïðîöåññà (9), íåîáõîäèìîå äëÿ ðÿäà äàëüíåéøèõ äî- êàçàòåëüñòâ: ïðîöåññ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà (9) ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí â âèäå ñëåäóþùåé áåñêîíå÷íîé ñóììû:
ψΠ(t) =
∞
X
i=0
ξiII{Π(t) =i}, (10)
ãäå II{A} - èíäèêàòîð ìíîæåñòâà .
Çäåñü è äàëåå èíäåêñ ïðè ξ0 ìû áóäåì îïóñêàòü, åñëè ýòî íåñóùåñòâåííî äëÿ àíàëèçà.
Ïåðåéäåì äàëåå ê îïðåäåëåíèþ ñóìì ïðîöåññîâ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà. Áóäåì ðàññìàò- ðèâàòü íåçàâèñèìûå êîïèè ïðîöåññà (9) ïðè ñëåäóþùèõ îñíîâíûõ äîïóùåíèÿõ:
1. Âåäóùèå ïðîöåññû Ïóàññîíà íåçàâèñèìû è èìåþò îäèíàêîâóþ èíòåíñèâíîñòü λ; 2. ξi, i = 0,1... íåçàâèñèìûå îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûå ñëó÷àéíûå âåëè÷èíû ñ ðàñ-
ïðåäåëåíèåì, ðàâíûì ðàñïðåäåëåíèþ ξ0;
3. λ èΠ1(t)íåçàâèñèìû, ãäå Π1(t) ïðîöåññ Ïóàññîíà ñ èíòåíñèâíîñòüþ 1;
4. λ èξ íåçàâèñèìû.
Îòìåòèì, ÷òî îäèíàêîâàÿ èíòåíñèâíîñòü ïóàññîíîâñêèõ ïðîöåññîâλâ ñëó÷àåλ(ω)îçíà-
÷àåò, ÷òî ðàññìàñòðèâàåòñÿ ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíàλ(ω)áóäåò ñâîÿ äëÿ êàæäîé íåçàâèñè- ìîé êîïèè ïðîöåññà Π1(λ(ω)t), íî âñå îíè îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåíû è íåçàâèñèìû.
Òî åñòü, áóäåì ðàññìàòðèâàòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü âèäà (s≥0):
{ξΠ(s);ξ[1]Π
1(s);...;ξΠ[k]
k(s);...}={ξΠ(s);ξΠ1(s);...;ξΠi(s);...}. (11) Îïðåäåëåíèå 4. Ïóñòü ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå è äèñïåðñèÿ ξ0 ðàâíû íóëþ è åäèíèöå ñîîòâåòñòâåííî. Ïóñòü t ≥ 0 , n ∈ IN. Íîðìèðîâàííûå ñóììû íåçàâèñèìûõ
êîïèé ÏÑÈ ïðîöåññîâ îïðåäåëèì ñëåäóþùèì îáðàçîì:
ΨN(t) := 1
√N ·
N
X
i=0
ξΠi(t) = 1
√N ·
N
X
i=0
ψi(t), (12)
ãäå (ψi(t)) ñóòü íåçàâèñèìûå êîïèè ïðîöåññàψ(t).
Ó÷èòûâàÿ òîò ôàêò, ÷òî îäíà èç îñíîâíûõ çàäà÷ ðàññìàòðèâàåìûõ â äàííîé ðàáîòå - ðàññìîòðåíèå ñõîäèìîñòè è ïðåäåëüíûõ ðàñïðåäåëåíèé äëÿ ñóìì íåçàâèñèìûõ ïðîöåñ- ñîâ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà, ïðèâåäåì íèæå áåç äîêàçàòåëüñòâà îñíîâíóþ îïîðíóþ òåîðåìó î ñõîäèìîñòè êîíå÷íîìåðíûõ ðàñïðåäåëåíèé.
Îïðåäåëåíèå 5. Ñëó÷àéíûé ïðîöåññX(t)íàçûâàåòñÿ ñòàöèîíàðíûì â óçêîì ñìûñ- ëå, åñëè äëÿ ëþáîãî íàòóðàëüíîãî n, äëÿ ëþáûõ t1, t2, ..., tn ∈ T, T ⊂ IN, ãäå T âðå- ìåííîé ïðîìåæóòîê, äëÿ ëþáîãî ñäâèãà ïî âðåìåíè íà âåëè÷èíót â ðàìêàõ çàäàííîãî âðåìåííîãî ïðîìåæóòêà âûïîëíÿåòñÿ:
(X(t1), X(t2), ...X(tn)) = (X(t1+t), X(t2+t), ...., X(tn+t)),
ãäå ðàâåíñòâî ïîíèìàåòñÿ ñ òî÷êè çðåíèÿ ðàâåíñòâàn-ìåðíûõ ðàñïðåäåëåíèé.
Òåîðåìà 1. Öåíòðàëüíàÿ ïðåäåëüíàÿ òåîðåìà äëÿ âåêòîðîâ. ÏóñòüX1, X2, ...
- íåçàâèñèìûå îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûå âåêòîðû â ïðîñòðàíñòâåIRdñ ìàòåìàòè÷åñêèì îæèäàíèåì µè êîâàðèàöèîííîé ìàòðèöåé R. Òîãäà
√1 N ·
N
X
i=1
(Xi−µ)⇒N(0, R), (13)
ãäåN(0, R) îáîçíà÷àåò íîðìàëüíî ðàñïðåäåëåííûé âåêòîð ñ âåêòîðîì ìàòåìàòè÷åñêèõ îæèäàíèé0 è ìàòðèöåé âàðèàöèè-êîâàðèàöèèR, ñõîäèìîñòü ïîíèìàåòñÿ â ñìûñëå ñëà- áîé ñõîäèìîñòè.
2.2 Ïîñòàíîâêà ïðîáëåìû
Êàê óæå îòìå÷àëîñü, ïðîöåññû ñëó÷àéíîãî èíäåêñà è ñóììû ÏÑÈ ïðîöåññîâ â ñëó÷àå âåùåñòâåííîé èíòåíñèâíîñòè äîñòàòî÷íî õîðîøî îïèñàíû è èçó÷åíû â ðàáîòàõ Ôåëëåðà è Ðóñàêîâà (ñì. íàïð. [1], [2], [3]). Îäíàêî íà äàííûé ìîìåíò íàáëþäàåòñÿ íåäîñòàòîê ëèòåðàòóðû è èññëåäîâàíèé, çàòðàãèâàþùèõ åñòåñòâåííûå îáîáùåíèÿ ñóìì âèäà (12) â ñëó÷àå íåîäíîðîäíîé èíòåíñèâíîñòè ïðîöåññà Ïóàññîíà è, â ÷àñòíîñòè, â ñëó÷àå åå íåïðåðûâíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ.  äàííîé ðàáîòå ïëàíèðóåòñÿ ïðèâåñòè îñíîâíûå èìåþ- ùèåñÿ ðåçóëüòàòû, îïèñàòü ñâîéñòâà ÏÑÈ ïðîöåññîâ â ñëó÷àÿõ êîíêðåòíûõ ðàñïðåäå- ëåíèé èíòåíñèâíîñòåé è ïðåäâàðèòåëüíî ñôîðìóëèðîâàòü óòâåðæäåíèå îòíîñèòåëüíî ñõîäèìîñòè áîëåå ñëîæíûõ êîíñòðóêöèé âèäà (12) â ñëó÷àå äèñêðåòíûõ, íî íå îäèíà- êîâî ðàñïðåäåëåííûõ èíòåíñèâíîñòåé.
Òàêæå, ó÷èòûâàÿ òî, ÷òî òàáëèöû èíòåãðàëüíûõ ïðåîáðàçîâàíèé Ëàïëàñà ïî ñóòè ÿâ- ëÿþòñÿ èñòî÷íèêîì äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ êîíêðåòíûõ ñëó÷àåâ ðàñïðåäåëåíèé ñòîõàñòè-
÷åñêèõ èíòåíñèâíîñòåé ïðîöåññà Ïóàññîíà, óïðàâëÿþùåãî çàìåíîé âðåìåíè â ñóììàõ ÏÑÈ-ïðîöåññîâ, îäíîé èç ïîòåíöèàëüíûõ öåëåé äàííîé ðàáîòû ìîæíî íàçâàòü ðàñøè- ðåíèå èìåþùèõñÿ ïðèìåðîâ ïðåîáðàçîâàíèé Ëàïëàñà â òàáëèöàõ èíòåãðàëüíûõ ïðåîá- ðàçîâàíèé (ñì. íàïð. [12]).
3 Ãëàâà 2. Ñëó÷àé äèñêðåòíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé Ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà
 äàííîé ãëàâå áóäóò ïðèâåäåíû îñíîâíûå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ Ãàéñèíà (ñì.
íàïð. [4]), â ðàáîòå êîòîðîãî ðàññìàòðèâàëèñü ñóììû ÏÑÈ ïðîöåññîâ âèäà (12) äëÿ ñëó÷àÿ äèñêðåòíî ðàñïðåäåëåííûõ èíòåíñèâíîñòåéλ(ω). Ïåðåä îïèñàíèåì îñíîâíûõ ðå- çóëüòàòîâ ïðåäâàðèòåëüíî ïîñòðîèì ñëåäóþùóþ êîíñòðóêöèþ, â ðàìêàõ êîòîðîé áóäóò îïèñàíû è äîêàçàíû óòâåðæåäèÿ: ïóñòüν(ω) äèñêðåòíàÿ ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà, çàäàí- íàÿ íà ïðîñòðàíñòâå {Ω,F,P} è èìåþùàÿ ðàñïðåäåëåíèå Pν. Ïóñòü ν(ω) ïðèíèìàåò çíà÷åíèÿ 0 < ν1 < ... < νk < ... < ... < νj < .. < ∞ ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè âåðîÿòíîñòÿ- ìè {pj}, j = 1...∞.  äàííîì ñëó÷àå ïðîöåññ Ïóàññîíà, óïðàâëÿþùèé âðåìåíåì â (13), ñòðîèòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì:
Πν(t) := Π(ν·t). (14)
Èìåÿ ïðîöåññ Ïóàññîíà îïèñàííîãî âèäà, ìû ìîæåì ñîñòàâèòü ñóììû, àíàëîãè÷íûå ïî ïîñòðîåíèþ âûðàæåíèþ (12), íî èìåÿ â âèäó óæå â êà÷åñòâå âåäóùåãî ïðîöåññà ïðîöåññ Ïóàñîíà âèäà (14). Îáîçíà÷èì òàêèå ñóììû:
ΨνN(t). (15)
Ó÷èòûâàÿ, ÷òî êëþ÷åâóþ è èñ÷åðïûâàþùóþ ðîëü â Òåîðåìå 1 èãðàþò ïàðíûå êîâàðè- àöèè, ïðèâåäåì âíà÷àëå ñëåäóþùèé ðåçóëüòàò:
Óòâåðæäåíèå 1. Äëÿ ëþáîãî íàòóðàëüíîãî N è äëÿ ëþáûõ íåîòðèöàòåëüíûõ s è t âåðíî
cov(ΨνN(t),ΨνN(t+s)) =
∞
X
i=1
piexp{−νi·s}. (16) Äîêàçàòåëüñòâî.
Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ñëó÷àéíûå ïðîöåññû â âûðàæåíèè (15), à èìåííîξΠν(s), ïîïàðíî íåçàâè- ñèìû è îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåíû, ïîëó÷àåì:
cov(ΨνN(t),ΨνN(t+s)) = IE{ 1 N
N
X
i=1
ξ(Πν(t))i ·
N
X
j=1
ξ(Πν(t+s))j}= 1 N
N
X
j=1
cov(ξ(Πν(t))i, ξ(Πν(t+s))j).(17)
Äàëåå ðàññìîòðèì âûðàæåíèå ïîä çíàêîì ïîñëåäíåé ñóììû, èñïîëüçóÿ âûðàæåíèå äëÿ ÏÑÈ ïðîöåññà âèäà (10):
A :=cov(ξ(Πν(t))i, ξ(Πν(t+s))j) = IE{
∞
X
i=0
ξiII{Πν(t) =i}
∞
X
j=0
ξjII{Πν(t+s) =j}}.
Òàê êàê IEξ = 0, âñå ξi ñîâîêóïíî íåçàâèñèìû è íåçàâèñèìû ñ ïðîöåññîì Ïóàññîíà, òî îêîí÷àòåëüíî èìååì:
A= IE{
∞
X
i=0
ξi2II{Πν(t) = Πν(t+s) = i}=
∞
X
i=0
IE(ξi2)P{Πν(t) = Π(ν(t+s) =i}
,
ãäåP() - âåðîÿòíîñòíàÿ ìåðà íà Ω.
Òàê êàê IDξ = 1, òî äëÿ ëþáîãî i âûïîëíÿåòñÿ IEξi2 = 1. Îòñþäà èìååì îêîí÷àòåëüíî:
A=
∞
X
i=0
P{Πν(t) = Π(ν(t+s) = i}.
Äàëåå ïî ôîðìóëå ïîëíîé âåðîÿòíîñòè ñïðàâåäëèâî ñëåäóþùåå:
A=
∞
X
i=0
piP{Πν i(t) = Π(νi(t+s)}.
Ó÷èòûâàÿ îäíîðîäíîñòü ïðèðàùåíèé ïðîöåññà Ïóàññîíà èìååì:
A=
∞
X
i=0
piP{Πν i(t) = Π(νi(s)}=
∞
X
i=0
iexp{−νis}.
Îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì òðåáóåìîå:
cov(ΨνN(t),ΨνN(t+s)) = 1 N
∞
X
i=0
cov(ξΠi(t), ξΠi(t+s)) = (18)
=N · 1 N ·
∞
X
m=0
pmexp{−νms}=
∞
X
m=0
pmexp{−νms}.
Çàìåòèì, ÷òî ïî ñóòè, ïðàâàÿ ÷àñòü äîêàçàííîãî íàìè óòâåðæäåíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà âåðîÿòíîñòíîé ìåðû, âûðîæäåííîé â òî÷êàõνi, i= 1...∞.
Ïîìèìî îáîçíà÷åííîãî ðåçóëüòàòà, â èìåþùèõñÿ ðàáîòàõ ðàññìîòðåíû ñëó÷àè ñëà- áîé ñõîäèìîñòè ðàñïðåäåëåíèé ñóáîðäèíàòîðîâ ïðè ñëàáîé ñõîäèìîñòè èíòåíñèâíîñòåé, à òàêæå âàæíûå ñâîéñòâà õàðàêòåðèñòè÷åñêîé ôóíêöèè âåêòîðà ñå÷åíèé äëÿ ñóáîðäè- íàòîðà. Ýòè ðåçóëüòàòû ïëàíèðóåòñÿ áîëåå ïîäðîáíî ïðåäñòàâèòü â Ïðèëîæåíèè ê äàí- íîé ðàáîòå. Îòìåòèì, ÷òî â íàñòîÿùèé ìîìåíò â ëèòåðàòóðå (ñì. íàïð [11]) îäíèì èç íàèáîëåå àêòóàëüíûõ íàïðàâëåíèé èññëåäîâàíèé ÿâëÿåòñÿèçó÷åíèå ñõîäèìîñòè ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðåäåëà êîíå÷íîìåðíûõ ðàñïðåäåëåíèé äëÿ ñóìì ïðîöåññîâ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà, êîãäà ñëó÷àéíàÿ èíòåíñèâíîñòü ïóàññîíâîñêîãî ïðîöåññà èìååò âïîëíå êîíêðåòíîå äèñ- êðåòíîå ðàñïðåäåëåíèå è áîëåå òîãî, ðàñïðåäåëåíèå çàâèñèò îò êîëè÷åñòâà ñëàãàåìûõ â ñóììå. Èíà÷å ãîâîðÿ, ðàññìàòðèâàþòñÿ ñëåäóþùóþ êîíñòðóêöèþ:
1. Ïóñòü(ξ) = ξ0, ξ1, ...ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íåçàâèñèìûõ, îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí, èìåþùèõ α - óñòîé÷èâîå ðàñïðåäåëåíèå, ãäå α∈(0,2];
2. Òàêæå ïóñòü IEξo =µ,IDξ0 =σ2.Π(t)- ïóàññîíâîñêèé ïðîöåññ ñ èíòåíñèâíîñòüþ1, t ≥0;
3. λ(ω, N) - ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà, èìåþùàÿ ñëåäóþùåå äèñêðåòíîå ðàñïðåäåëåíèå:
ïóñòüλ(ω;N)ïðèíèìàåò çíà÷åíèÿ èç ìíîæåñòâà{a1, a2, ..., an(N)}òàêèå, ÷òî P
k=1
ak = N;
4. ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, îïðåäåëåííàÿ âûøå, ñõîäèòñÿ ê íåêîòîðîìó ðàñïðåäåëåíèþ â ñìûñëå ñõîäèìîñòè ïðåîáðàçîâàíèé Ëàïëàñà.
4 Ãëàâà 3. Ñëó÷àé íåïðåðûâíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé Ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà
Åñòåñòâåííûì îáîáùåíèåì èññëåäîâàíèé, ïðîâåäåííûõ â ðàìêàõ äîïóùåíèÿ î äèñ- êðåòíîì ðàñïðåäåëåíèè èíòåíñèâíîñòåé ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà, ÿâëÿåòñÿ ðàñ- ïðîñòðàíåíèå ñôîðìèðîâàííîé òåîðèè íà ñëó÷àé íåïðåðûâíî ðàñïðåäåëåííûõ èí- òåíñèâíîñòåé.
Óòâåðæäåíèå 3. Ïóñòü (ξ) = ξ0, ξ1, ... ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íåçàâèñèìûõ, îäè- íàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí ñ êîíå÷íûì âòîðûì ìîìåíòîì (åñëè íå óêàçàíî èíîãî, ýòî äîïóùåíèå â äàëüíåéøåì áóäåò îïóñêàòüñÿ). Òàêæå ïóñòü IEξo = µ,IDξ0 = σ2. Π(t) - ïóàññîíâîñêèé ïðîöåññ ñ èíòåíñèâíîñòüþ 1, t ≥ 0. λ(ω) - ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà, ñîñðåäîòî÷åííàÿ íà ëó÷å [0,∞) è èìåþùàÿ ðàñïðåäåëåíèå Pλ. Ïóñòü òàêæå Lλ(x), x ≥ 0 - ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà äëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ñëó-
÷àéíîé âåëè÷èíûλ. Îêîí÷àòåëüíî, ïóñòü âñå âåëè÷èíû:ξ, λ,Π(t)âçàèìíî íåçàâè- ñèìû. Ïóñòü λ ðàçûãðûâàåòñÿ îäèí ðàç. Òîãäà: ïðîöåññ ñëó÷àéíîãî èíäåêñàξΠλ(t) ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíûì â øèðîêîì ñìûñëå è
cov(ξΠλ(t), ξΠλ(s)) = σ2·Lλ·(|t−s|), (19)
ãäå t, s ≥0.
Äîêàçàòåëüñòâî. Ñì., íàïð. [5].
Íàïîìíèì äëÿ óäîáñòâà ôîðìóëèðîâêó Òåîðåìû 1:
Òåîðåìà 1. Öåíòðàëüíàÿ ïðåäåëüíàÿ òåîðåìà äëÿ âåêòîðîâ ÏóñòüX1, X2, ...
- íåçàâèñèìûå îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûå âåêòîðû â ïðîñòðàíñòâåIRdñ ìàòåìàòè-
÷åñêèì îæèäàíèåì µè êîâàðèàöèîííîé ìàòðèöåé R. Òîãäà
√1 N ·
N
X
i=1
(Xi−µ)⇒N(0, R), (20)
ãäå N(0, R) îáîçíà÷àåò íîðìàëüíî ðàñïðåäåëåííûé âåêòîð ñ âåêòîðîì ìàòåìàòè-
÷åñêèõ îæèäàíèé0è ìàòðèöåé âàðèàöèè-êîâàðèàöèè R, ñ ñõîäèìîñòü ïîíèìàåòñÿ â ñìûñëå ñëàáîé ñõîäèìîñòè.
Äàëåå îäíèì èç îñíîâíûõ ðåçóëüòàòîâ ðàáîò, èññëåäîâàâøèõ, ïîìèìî ïðî÷åãî, âî- ïðîñû ñòîõàñòè÷åñêîé èíòåíñèâíîñòè Ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà (ñì. íàïð. [5],[11]) ÿâëÿëîñü, ïî ñóòè, äîêàçàòåëüñòâî öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìû äëÿ âåêòîðîâ â îáùåì ñëó÷àå íåïðåðâíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ïóàññîíîâñêîãî ïðî- öåññà â îïðåäåëåíèè ñóìì ïðîöåññîâ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà. Èòîãî, ïðèâåäåì äîêà- çàòåëüñòâî ñëåäóþùåãî óòâåðæäåíèÿ:
Óòâåðæäåíèå 4. Ïóñòü(ξ) =ξ0, ξ1, ...êàê è ðàíåå, ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íåçàâèñè- ìûõ, îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí. Òàêæå ïóñòü IEξo =µ,IDξ0 = σ2.Π(t)- ïóàññîíîâñêèé ïðîöåññ ñ èíòåíñèâíîñòüþ1,t≥0.λ(ω)- ñëó÷àéíàÿ âåëè-
÷èíà, ñîñðåäîòî÷åííàÿ íà ëó÷å [0,∞) è èìåþùàÿ ðàñïðåäåëåíèå Pλ. Ïóñòü òàêæå Lλ(x), x≥0- ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà äëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíûλ. Îêîí÷àòåëüíî, ïóñòü âñå âåëè÷èíû:ξ, λ,Π(t)âçàèìíî íåçàâèñèìû. Ïóñòüλðàçûã- ðûâàåòñÿ îäèí ðàç. Ñîñòàâèì íåçàâèñèìûå êîïèè ïðîöåññà ñëó÷àéíîãî èíäåêñà ξΠλ(t) âèäà (12), à èìåííî:
ΨN(t) := 1
√N ·
N
X
i=0
ξΠi(t)= 1
√N ·
N
X
i=0
ψi(t). (21)
Òîãäà ΨN(t)ñõîäèòñÿ â ñìûñëå ñëàáîé ñõîäèìîñòè êîíå÷íîìåðíûõ ðàñïðåäåëåíèé ê ñòàöèîíàðíîìó ïðîöåññóG(t)ñ ãàóññîâñêèìè êîíå÷íîìåðíûìè ðàñïðåäåëåíèÿìè è êîâàðèàöèåé.
cov((t),(t+s)) =σ2·Lλ·(|t−s|), (22)
ãäå t, s ≥0.
Äîêàçàòåëüñòâî. Çàôèêñèðóåì äàííûå ìîìåíòû âðåìåíè: (t1, t2, ..., tm) òàê, ÷òî t1 ≥t2)< ... < tm è ðàññìîòðèì ñëó÷àéíûå âåêòîðà âèäà:
(ψk(t1), ψk(t2), ..., ψk(tm)), k ∈[1 :N].
Òàê êàê äëÿ ðàçëè÷íûõ èíäåêñîâ i 6= jêîïèè ïðîöåññà ψj(t) è ψi(t) ÿâëÿþòñÿ íåçàâèñèìûìè, òî
cov(ΨN(t),ΨN(s)) = 1 XN
cov(ψp(t), ψk(s)) = 1 XN
cov(ψp(t), ψp(s)) =cov(ψp(t), ψp(s)).
Òåïåðü ïðèìåíèì öåíòðàëüíóþ ïðåäåëüíóþ òåîðåìó (Òåîðåìà 1) äëÿ âåêòîðîâ è ïîëó÷èì ñëåäóþùóþ ñëàáóþ ñõîäèìîñòü ê ãàóññîâñêîìó ñëó÷àéíîìó âåêòîðó Gâ òåðìèíàõ êîíå÷íîìåðíûõ ðàñïðåäåëåíèé:
(ΨN(t1),ΨN(t2), ...,ΨN(tm)) = 1
√N ·
N
X
p=1
(ψp(t1), ψp(t2), ..., ψp(tm)) =⇒G(0, R), ïðè N ñòðåìÿùèìñÿ ê ∞.
Ãäå ìàòðèöà êîâàðèàöèé R îïðåäåëÿåòñÿ ÷åðåç ñâîè êîìïîíåíòû êàê:
R:= (rij :=cov(ψ1(ti), ψ1(tj))i,j=1..m.
Ñîãëàñíî äîêàçàííîìó ðàíåå óòâåðæäåíèþ, èìååì:
cov(ξΠλ(ω)(t), ξΠλ(ω)(s)) =σ2Lλ(ω)(|t−s|), (23)
ãäå t, s ≥0.
Èòîãî èìååì: ìàòðèöà R ðàçìåðíîñòè d × d ïîëó÷åííîãî ãàóññîâñêîãî âåêòîðà ïðåäñòàâèìà â ñëåäóþùåì âèäå ÷åðåç ñâîè ýëåìåíòû:
R:= (rij :=σ2Lλ(ω)(|ti−tj|))i,j=1..m.
Òàê êàê íàìè ïîëó÷åí ðåçóëüòàò äëÿ ëþáûõ m èç IN è ëþáîãî íàáîðà èíäåêñîâ (t1, t2, ..., tm) òàêèõ, ÷òî t1 ≥t2)< ... < tm, òî ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî ñëó÷àéíûé ïðîöåññ ΨN(t) ñõîäèòñÿ â ñìûñëå ñõîäèìîñòè êîíå÷íîìåðíûõ ðàñïðåäåëåíèé ê ïðîöåññó G(t), t ≥ 0 ñ ãàóññîâñêèìè êîíå÷íîìåðíûìè ðàñïðåäåëåíèÿìè. Ó÷èòûâàÿ ïîñëåä- íèé ôàêò ïî îïðåäåëåíèþ èìååì, ÷òî G(t)ÿâëÿåòñÿ ãàóññâîñêèì ñëó÷àéíûì ïðî- öåññîì. Äëÿ äîêàçàòåëüñòâà âòîðîãî óòâåðæäåíèÿ ïîëîæèì m = 2, t1 =s, t2 =t è ïðîâåäåì àíàëîãè÷íûå ðàññóæäåíèÿ. Ïîëó÷èì ñëåäóþùåå âûðàæåíèå äëÿ ìàòðè- öà êîâàðèàöèé ÷åðåç åå ýëåìåíòû:
R := (r11=r22=σ2;r1,2 =r2,1 =cov(ψ(t), ψ(s))).
Èç ïîñëåäíåãî ðàâåíñòâà ñëåäóåò ðàâåíñòâî êîâàðèàöèé, óêàçàííîå â ôîðìóëè- ðîâêå óòâåðæäåíèÿ. Èç ýòîãî ñëåäóåò, ÷òî ïðîöåññ G(t)ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíûì â
øèðîêîì ñìûñëå. Òàê êàê â ñëó÷àå ãàóññîâñêîãî ïðîöåññà ñòàöèîíàðíîñòü â øè- ðîêîì ñìûñëå ðàâíîñèëüíî ñòàöèîíàðíîñòè â óçêîì ñìûñëå, îêîí÷àòåëüíî èìååì,
÷òî ïðîöåññ G(t)ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíûì â óçêîì ñìûñëå è äîêàçàòåëüñòâî óòâåð- æäåíèÿ çàâåðøåíî.
5 Ãëàâà 4. Íåêîòîðûå ÷àñòíûå ñëó÷àè
ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé Ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà
Äëÿ öåëåé äàëüíåéøåãî àíàëèçà ââåäåì ðÿä îïðåäåëåíèé è îïèøåì ñâîéñòâà ÏÑÈ ïðîöåññå â íåñêîëüêèõ êîíêðåòíûõ ñëó÷àÿõ îòíîñèòåëüíî âèäà ðàñïðåäåëåíèÿ èí- òåíñèâíîñòåé λ(ω).
Îïðåäåëåíèå 6. Ãîâîðÿò, ÷òî ñëó÷àéíûé ïðîöåññ X(t), t≥0ÿâëÿåòñÿ ïðîöåññîì Ëåâè,åñëè:
ΨN(t) := 1
√N ·
N
X
i=0
ξΠi(t)= 1
√N ·
N
X
i=0
ψi(t), (24)
ãäå ψi(t) ñóòü íåçàâèñèìûå êîïèè ïðîöåññàψ(t).
(a) ïðîöåññ åñòü îòîáðàæåíèå èç âåðîÿòíîñòíîãî ïðîñòðàíñòâà (Ω,F,P)â IRd; (b) X(0) = 0 ïî÷òè íàâåðíîå;
(c) ïðèðàùåíèÿ ïðîöåññà X(t)−X(t+s)íåçàâèñèìû äëÿ ëþáûõ t, s ≥0;
(d) ïðèðàùåíèÿ ïðîöåññà ñòàöèîíàðíû â óçêîì ñìûñëå, ò.å. äëÿ ëþáîãî íàáîðà èíäåêñîâ t1, t2, ..., tn ≥ 0 êîíå÷íîìåðíûå ðàñïðåäåëåíèÿ ïðîöåññû íå çàâèñÿò îò ñäâèãà t;
(e) ïðîöåññX(t)ñòîõàñòè÷åñêè íåïðåðûâåí;
(f) òðàåêòîðèè ïðîöåññàX(t)äëÿ ïî÷òè âñåõωèçΩ(çà èñêëþ÷åíèåì ìíîæåñòâà ìåðû íóëü) ïðèíàäëåæàò ïðîñòðàíñòâó âåêòîðíûõ ôóíêöèé ñ íåïðåðûâíûìè ñïðàâà êîìïîíåíòàìè è êîìïîíåíòàìè, èìåþùèìè ïðåäåëû ñëåâà ïðè t >0. Îïðåäåëåíèå 7. Ãîâîðÿò, ÷òî ñëó÷àéíûé ïðîöåññ Ëåâè X(t), t ≥ 0 ÿâëÿåòñÿ Ãàììà-ïðîöåññîì Ëåâè, åñëè åãî ïðèðàùåíèÿ èìåþò Ãàììà-ðàñïðåäåëåíèå.
Ïóñòü, êàê è ðàíüøå, {Ω,F,P} îïðåäåëÿåò âåðîÿòíîñòíîå ïðîñòðàíñòâî. Äàëåå ïóñòü èìååòñÿ ïðîöåññ Ïóàññîíà âèäà: Π1(t) = Π(t) = Π, t≥0. Ïóñòü, êàê è ðàíü- øå, λ(ω),ω ∈Ω, åñòü ñóòü íåçàâèñèìàÿ îò Π ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà íà âåðîÿòíîñò- íîì ïðîñòðàíñòâå. Ïóñòü λ ÿâëÿåòñÿ èíòåíñèâíîñòüþ Ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà.
Ò.å., êàê áûëî ïîêàçàíî â Ãëàâå 1: Πλ(t) = Πλ. Èëè Πλ(s) = Π1(sλ), Ïóñòü äàëåå Fλ(x), x >0 ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàñïðåäåëåíèåλ. Òàêèì îáðàçîì çàìåòèì, ÷òî â îïèñàííîì ñëó÷àå ìû èìååì ñìåñü ðàñïðåäåëåíèé Πx(t) èFλ(x), x >0
Èç ñâîéñòâ ñìåñåé ðàñïðåäåëåíèé ñëåäóåò, ÷òî äëÿ ëþáîãî t >0, IEΠλ(t) =tIE{λ(ω)},
IDΠλ(t) = Z ∞
0
IDΠx(t)Fλ(x) + Z ∞
0
{IEΠx(t)−IEΠλ(t)}2Fλ(x)
=tIE{λ(ω)}+tID{λ(ω)}=t(IE{λ(ω)}+ ID{λ(ω)}) .
Ðàññìîòðèì òåïåðü ñëó÷àé, êîãäà èíòåíñèâíîñòü λ(ω) èìååò ðàñïðåäåëåíèå Γ ñ ïåðåìåííûì ïàðàìåòðîìγ >0è ïîñòîÿííûì ïàðàìåòðîìκ >0. (çäåñü äëÿ ýêñïî- íåíöèàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ, ò.å. äëÿκ >0,ïëîòíîñòü åñòü(1/γ) exp(−t/γ),t ≥0).
 òàêîì ñëó÷àå IE{λ(ω)} =κγ, è ID{λ(ω)} = κγ2. Ïðèìåíÿÿ ñêàçàííîå âûøå äëÿ IEΠλ(t) and IDΠλ(t), èìååì:
IEΠλ(t) = tκγ, IDΠλ(t) =tκγ+tκγ2.
Äîïóñòèì òåïåðü, ÷òî λ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëó÷àéíûé ïðîöåññ Ëåâè. Òî åñòü, ïóñòü òåïåðü, λ =λ(t, ω)âðåìåííûì ïàðàìåòðîì t ≥0. Ðàññìîòðèì ñîîòâåòñòâó- þùèé ïðîöåññ Êîêñà â êà÷åñòâå ñóáîðäèíàòîðà: Πλ(t) = Π1(λ(t, ω)), ãäå λ(t, ω)íå çàâèñèò Π1(ω). Ïóñòü Fλ(t)(x), x > 0, îïðåäåëÿåò ðàñïðåäåëåíèå λ(t, ω) â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè t≥0.
Ïðèìåíÿÿ ôîðìóëó ïîëíîé âåðîÿòíîñòè è ñâîéñòâà ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà ìû ïîëó÷àåì âûðàæåíèå äëÿ ïðîöåññà Êîêñà:Πλ(t),
IEΠλ(t) = IE{λ(t, ω)}, IDΠλ(t) =
Z ∞
0
IDΠ1(x)dFλ(t)(x) + Z ∞
0
{IEΠ1(x)−IEΠ1(λ(t))}2dFλ(t)(x)
= IE{λ(t, ω)}+ ID{λ(t, ω)}.
Ðàññìîòðèì ñëó÷àé, êîãäà λ(t, ω), t ≥ 0, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé Γ-ïðîöåññ Ëåâè ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè ïàðàìåòðàìè γ >0 è κ > 0, òî åñòü λ(1, ω) èìååò Γ(γ, κ) ðàñ- ïðåäåëåíèå. Îòìåòèì, ÷òî, èñõîäÿ èç ñâîéñòâ ïðîöåññà Ëåâè, ñëåäóåò, ÷òî λ(t, ω),
Òàêèì îáðàçîì, â ñëó÷àå, êîãäà ñëó÷àéíàÿ èíòåíñèâíîñòü óïðàâëÿåòñÿ ïðîöåññîì Ãàììà ìû èìååì òî æå âûðàæåíèå äëÿ ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ è äèñïåðñèè,
÷òî è â ñëó÷àå Ãàììà-ðàñïðåäåëåííîé èíòåíñèâíîñòè:
IEΠλ(t) =tκγ, IDΠλ(t) =tκγ+tκγ2Γ
Äàëåå ïî ïðîöåññó Ïóàññîíà ñî ñòîõàñòè÷åñêîé èíòåíñèâíîñòüþ, ñëåäóþùåé ïðî- öåññó Ëåâè, ïîñòðîèì íåçàâèñèìûå îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûå ïðîöåññû ñëó÷àé- íîãî èíäåêñà è èõ ñóììû âèäà Ψ. Îíè ïðè ñîîòâåòñòâóþùèõ ìîìåíòíûõ ïðåäïî- ëîæåíèÿõ íà ðàñïðåäåëåíèå ÷ëåíîâ ïîä÷èíÿþùèõñÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé ïî öåí- òðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìå äëÿ âåêòîðîâ ñõîäÿòñÿ ê ñòàöèîíàðíîìó ãàóññîâñêî- ìó ïðîöåññó ñ êîâàðèàöèåé âèäà (26).
Ðàññìîòðèì òåïåðü ïðîöåññû Îðíøòåéíà - Óëåíáåêà. Îñíîâíûì èíñòðóìåíòîì ïðè èçó÷åíèè ïðîöåññîâ òèïà Îðíøòåéíà - Óëåíáåêà â ñëó÷àå ñëó÷àéíîé èíòåíñèâíî- ñòè ÿâëÿåòñÿ âûðàæåíèå:
IE{Xt|X0 =z}=zΛλ(t), t≥0, z ∈IR,
Xt îïðåäåëÿåò çíà÷åíèå ïðîöåññà Îðíøòåéíà - Óëåíáåêà â ìîìåíò t ≥ 0, Λλ(t) åñòü ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà äëÿ ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ dFλ(x),x ≥0, ñëó÷àé- íîé èíòåíñèâíîñòèλ. Äëÿ ñëó÷àÿλ(ω)∈Γ(γ, κ)ñîîòâåòñòâóþùåå ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà õîðîøî èçâåñòíî:
ΛΓ(γ,κ)(t) = γκ (t+γ)κ .
Äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà èíòåíñèâíîñòü èìååò Γ-ðàñïðåäåëåíèå ñ íåîòðèöàòåëüíûì ïà- ðàìåòðîì ñäâèãà a, òî åñòü λ(ω) = a+λ0(ω), λ0(ω) ∈ Γ(γ, κ), ñîîòâåòñòâóþùåå ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà èìååò âèä:
ΛΓ(γ,κ;a)(t) = γκ
(t+γ)κ exp(−at).
 ñëó÷àå, êîãäà ïðîöåññ Êîêñà óïðàâëÿåò ïðîöåññîì Ëåâè äëÿ λ(t, ω), t ≥ 0, âû- ðàæåíèå äëÿ ïðåäñêàçàíèÿ áóäóþùåãî ñîñòîÿíèÿ â ôîðìå óñëîâíîãî ìàòåìàòè÷å- ñêîãî îæèäàíèÿ èìååò âèä:
IE{Xt|X0 =z}=zIE{e−λ(t)}=zIE{e−λ(t, ω)·1}.
Ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå
IE{e−λ(t, ω)·1}
ìîæåò áûòü èíòåðïðåòèðîâàíî, êàê ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà â òî÷êå 1äëÿ ðàñïðå- äåëåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî ñå÷åíèÿ ïðîöåññà Ëåâè â ìîìåíò âðåìåíèt. Èòîãî, äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà λ(t, ω), t ≥ 0, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé Γ(γ, κ)-ïðîöåññ Ëåâè ïîëó÷àåì ñëåäóþùåå âûðàæåíèå äëÿ ïðåäñêàçàíèÿ áóäóþùåãî ñîñòîÿíèþ ïðîöåññà:
IE{Xt|X0 =z}=z γ
1 +γ κt
.
Ïðèâåäåì òàêæå íåêîòîðûå ðåçóëüòàòû, àíàëîãè÷íûå ïðåäñòàâëåííûì â ïðåäû- äóùåé ãëàâå, íî äëÿ ñëó÷àÿ èíòåíñèâíîñòè ïóàññîíîâñêîãî ïðîöåññà, ïðåäñòàâëÿ- þùåé ñîáîé íå ñëó÷àéíóþ âåëè÷èíó, à ñëó÷àéíûé ïðîöåññ.
Óòâåðæäåíèå 5. Ïóñòü (ξ) = ξ0, ξ1, ... êàê è ðàíåå, ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íåçà- âèñèìûõ, îäèíàêîâî ðàñïðåäåëåííûõ ñëó÷àéíûõ âåëè÷èí. Òàêæå ïóñòü IEξo = µ,IDξ0 = σ2. Π(t) - ïóàññîíâîñêèé ïðîöåññ ñ èíòåíñèâíîñòüþ 1, t ≥ 0. Λ(t, ω) - ïðîöåññ Ëåâè, t ∈ [,∞.L{Lambda(t)(x), x ≥ 0 - ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà äëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ Λ(t, ω) â ëþáîé ôèêñèðîâàííûé ìîìåíò âðåìåíèt. Îêîí÷àòåëüíî, ïóñòü âñå âåëè÷èíû, (ξ),Λ(t),Π(t) âçàèìíî íåçàâèñèìû. Íàïîìíèì îáîçíà÷åíèå:
ΠΛ(t,ω)(t) := Π(Λ(t, ω). Òîãäà:
cov(ξΠΛ(t), ξΠΛ(s)) =σ2·LΛ(|t−s|), (25)
ãäå t, s ≥0.
Äàëüíåéøèå ïðèìåðû ðàññìîòðåíû â Ïðèëîæåíèè. Òàêæå îæèäàåòñÿ, ÷òî â Ïðè- ëîæåíèå ê äàííîé ðàáîòå âîéäóò ðåçóëüòàòû ïðîâåäåííîé äåÿòåëüíîñòè, íàïðàâ- ëåííîé íî ðàñøèðåíèå èìåþùåéñÿ òàáëèöû èíòåãðàëüíûõ ïðåîáðàçîâàíèé Ëàïëà- ñà. Òàáëèöû èíòåãðàëüíûõ ïðåîáðàçîâàíèé Ëàïëàñà ïî ñóòè ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íè- êîì äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ êîíêðåòíûõ ñëó÷àåâ ðàñïðåäåëåíèé ñòîõàñòè÷åñêèõ èí- òåíñèâíîñòåé ïðîöåññà Ïóàññîíà, óïðàâëÿþùåãî çàìåíîé âðåìåíè â ñóììàõ ÏÑÈ- ïðîöåññîâ. Îäíîé èç öåëåé äàííîé ðàáîòû ïîäðàçóìåâàåòñÿ ðàñøèðåíèå èìåþùèõ-
6 Çàêëþ÷åíèå
 ðàìêàõ ïðåäñòàâëåííîé ðàáîòû áûëè ðàññìîòðåíû îñíîâíûå ðåçóëüòàòû îòíîñè- òåëüíî âîïðîñîâ ñâîéñòâ ïñåâäîïóàññîíîâñêèõ ïðîöåññîâ è ñóìì ïñåâäîïóàññîíîâ- ñêèõ ïðîöåññîâ. Áûëè èçëîæåíû âàæíûå àññèìïòîòè÷åñêèå ñâîéñòâà ñóìì ïðî- öåññîâ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà, à òàêæå èññëåäîâàí ðÿä ïðàêòè÷åñêèõ ïðèìåðîâ â ðàçðåçå ðàçëè÷íûõ äîïóùåíèé îòíîñèòåëüíî ïðèðîäû èíòåíñèâíîñòè Ïóàññîíîâ- ñêîãî ïðîöåññà, óïðàâëÿþùåãî çàìåíîé âðåìåíè â ïðîöåññàõ ñëó÷àéíîãî èíäåêñà.
 ðàìêàõ âîçìîæíûõ íàïðàâëåíèé äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèé êàæåòñÿ óìåñòíûì ðàññìîòðåòü âîïðîñ äàëüíåéøåãî ðàñøèðåíèÿ òàáëèö èíòåãðàëüíûõ ïðåîáðàçîâà- íèé Ëàïëàñà ïî ïðè÷èíàì, îçâó÷åííûì â ïðåäûäóùåé Ãëàâå, à òàêæå ðàññìîòðåòü àññèìïòîòè÷åñêîå ïîâåäåíèå ñóìì âèäà
7 Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
[1] Â. Ôåëëåð. Ââåäåíèå â òåîðèþ âåðîÿòíîñòåé è åå ïðèëîæåíèÿ. Òîì 2. Ì., Ìèð, 1964.
[2]Î.Â. Ðóñàêîâ. Ïóàññîíîâñêèå ñóáîðäèíàòîðû, ïîëå Âèíåðà-Îðíøòåéíà-Óëåíáåêà è ñâÿçü áðîóíîâñêèõ ìîñòîâ ñ ïåðåõîäíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ïðîöåññîâ Îðíøòåéíà- Óëåíáåêà. Çàï. íàó÷í. ñåì. ÏÎÌÈ, òîì 384:225-237, 2010.
[3] Î.Â. Ðóñàêîâ. Ñóììû íåçàâèñèìûõ ïóàññîíîâñêèõ ñóáîðäèíàòîðîâ è èõ ñâÿçü ñî ñòðîãî α-óñòîé÷èâûìè ïðîöåññàìè òèïà Îðíøòåéíà-Óëåíáåêà. Âåðîÿòíîñòü è ñòàòèñòèêà. 13, Çàï. íàó÷í. ñåì. ÏÎÌÈ, òîì 361:123-137, 2008.
[4]À.Ò.Ãàéñèí.Àñèìïòîòè÷åñêîå ïîâåäåíèå ñóìì íåçàâèñèìûõ ïóàññîíîâñêèõ ñóá- îðäèíàòîðîâ äëÿ ñëó÷àÿ ñëó÷àéíîé èíòåíñèâíîñòè.Äèìëîìíàÿ ðàáîòà, ÑÏáÃÓ, 2014.
[5]Ä.À.Íèêèôîðîâ.Èññëåäîâàíèå ïñåâäîïóàññîíîâñêèõ ïðîöåññîâ ñî ñëó÷àéíîé èí- òåíñèâíîñòüþ ñ ïîìîùüþ åå ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëàïëàñà. Äèïëîìíàÿ ðàáîòà, ÑÏá- ÃÓ, 2015.
[6]È.È. Ãèõìàí, À.Â. Ñêîðîõîä. Ââåäåíèå â òåîðèþ ñëó÷àéíûõ ïðîöåññîâ. Ì., Íà- óêà, 1977.
[7] À.Í. Øèðÿåâ. Âåðîÿòíîñòü, 2-îå èçä.Ì., Íàóêà, 1989.
[8] Ya. G. Sinai. Self-similar probability distributions.Theory of proabbility and its applications. XXI, 1976.
[9] Ï.Áèëëèíãñëè. Ñõîäèìîñòü âåðîÿòíîñòíûõ ìåð. Ì.,Íàóêà, 1977.
[10]D. Applebaum. Lectures on Levy Processes and Stochastic Calculus. Braunschweig, 2010.
[11] O. Rusakov. Temporal Dependence in Financial Models. Set of lectures at Saint- Petersburg University, 2015.
[12] Ã. Áåéòìåí, À.Ýðäåéè Òàáëèöû èíòåãðàëüíûõ ïðåîáðàçîâàíèé, â 2-õ ò. Ì., Íàóêà, 1969.