- •§ 2. Характеристики суммы случайных функций
- •§ 3. Характеристики производной от случайной функции
- •§ 4. Характеристики интеграла от случайной функции
- •Тема 2. Каноническое разложение
- •Тема 3. Стационарные случайные процессы § 1. Характеристики стационарной случайной функции
- •§2. Стационарно связанные случайные функции
- •§ 6. Спектральная плотность стационарной случайной функции
- •§ 7. Преобразование стационарной случайной функции стационарной линейной динамической системой
§ 6. Спектральная плотность стационарной случайной функции
Спектральной плотностью стационарной случайной функции X(t) называют функцию sx(ω), которая связана с корреляционной функцией kx(τ) взаимно-обратными преобразованиями Фурье:
Эти формулы называют формулами Винера—Хинчина. В действительной форме они представляют взаимнообратные косинус-преобразования Фурье:
Нормированной спектральной плотностью стационарной случайной функции X(t) называют отношение спектральной плотности к дисперсии случайной функции:
sx
норм(ω)=sx(ω)/Dx=sx(ω)/
Взаимной спектральной плстностью двух стационарных и стационарно связанных случайных функций X(t) и Y(t) называют функцию sxy (ω), определяемую преобразованием Фурье:
Взаимная корреляционная функция выражается через взаимную спектральную плотность с помощью обратного преобразования Фурье:
Задачи
3.74[877] Доказать, что спектральная плотность стационарной случайной функции—четная функция.
Указание.
Использовать формулу
3.75[878] Доказать,
что, зная спектральную плотность
стационарной
случайной функции Х(t)
можно найти дисперсию этой функции по
формуле
.
3.76[879] Найти дисперсию стационарной случайной функции Х(t), зная ее спектральную плотность sx(ω)=10/π(1+ω2).
3.77[880]
Доказать,
что, зная спектральную плотность
дифференцируемой стационарной случайной
функции, можно найти спектральную
плотность ее производной по формуле
3.78[881] Задана спектральная плотность sx(ω)=α2/(ω2+α2)2, (α>0) дифференцируемой стационарной случайной функции X(t). Найти дисперсию производной X' (t).
3.79[882] Доказать,
что, зная спектральную плотность дважды
дифференцируемой случайной стационарной
функции X(t)
можно найти спектральную плотность
второй производной X'(t)
по формуле
3.80[883] Найти спектральную плотность стационарной случайной функции X(t), зная ее корреляционную функцию kx(τ)=1-|τ| при |τ| 1; корреляционная функция равна нулю при |τ|> 1.
3.81[884] Найти спектральную плотность стационарной случайной функции X(t), зная ее корреляционную функцию kx(τ)=1—(1/5)|τ| при |τ| 5; корреляционная функция бавна нулю при |τ| > 5.
3.82[885] Найти спектральную плотность стационарной случайной функции, зная ее корреляционную функцию kx(τ)=e-|τ|.
3.83[886] Найти спектральную плотность стационарной случайной функции, зная ее корреляционную функцию kx(τ)=De-α|τ|, (α>0).
3.84[887] Найти спектральную плотность стационарной случайной функции, зная ее корреляционную функцию kx(τ)=e-|τ| cosτ.
3.85[888] Найти спектральную плотность стационарной функции, зная ее корреляционную функцию kx(τ)=De-α|τ| cosβτ, (α>0).
3.86[889] Найти спектральную плотность стационарной функции, зная ее корреляционную функцию kx(τ)=De-α|τ| [cosβτ+(α/β)sinβ|τ|], (α>0).
3.87[890] Найти спектральную плотность стационарной функции, зная ее корреляционную функцию
3.88[891] Найти спектральную плотность стационарной функции, зная ее корреляционную функцию kx(τ)=De-α|τ|(1+α|τ|) (α>0).
3.89[892] Найти спектральную плотность стационарной функции, зная ее корреляционную функцию kx(τ)=100e-0.1|τ| (1+0.1τ).
3.90[893] Найти спектральную плотность стационарной функции, зная ее корреляционную функцию kx(τ)=De-α|τ| (1+α|τ|+(1/3)α2τ2) (α>0).
3.91[894] Найти спектральную плотность случайной функции Y(t)=X(t)+X'(t), зная корреляционную функцию kx(τ)=De-α|τ|(1+α|τ|) (α>0) стационарной дифференцируемой случайной функции X(t).
3.92[895] Может ли функция kx(τ)=e|τ|(1+|τ|+τ2) быть корреляционной функцией стационарной случайной функции Х(t)?
3.93[896] а)
Доказать, что функция
может быть корреляционной функцией
стационарной случайной функции X(t).
б) Доказать методом от противного, что
не существует такой стационарной
функции, корреляционная функция которой
сохраняет постоянное значение в интервале
(—τ1,τ1),
симметричном относительно начала
координат, и которая равна нулю вне
этого интервала.
3.94[897] Задана спектральная плотность sx(ω)=10α/π(α2+ω2) (α>0) стационарной случайной функции. Найти нормированную спектральную плотность.
3.95[898] Задана
спектральная плотность sx(ω)=Dα/π(α2+ω2)
(α>0)
стационарной случайной функции. Найти
спектральную функцию Sx(ω)=
3.96[899] Доказать, что спектральная плотность равна производной от спектральной функции: sx(ω) = S'x(ω).
3.97[900] Доказать, что для стационарных и стационарно связанных случайных функций X (t) и Y (t) справедливо соотношение, связывающее взаимные спектральные плотности: sxу(—ω)=syx(ω).
3.98[901] Доказать,
что взаимные спектральные плотности
дифференцируемой стационарной случайной
функции нее производной связаны
равенством
.
3.99[902] Доказать,
что, зная спектральную плотность sx(ω)
дифференцируемой стационарной случайной
функции Х(t),
можно найти взаимную спектральную
плотность функции X(t)
и ее производной по формуле
.
3.100[903] Известна спектральная плотность sx(ω)= =2Dα3/π(α2+ω2)2 (α>0) дифференцируемой стационарной случайной функции Х(t). Найти взаимную cпектральную плотность функции X (t) и ее производной.
3.101[904] Найти
взаимную спектральную плотность
дифференцируемой стационарной
случайной функции X(t)
и ее производной, зная корреляционную
функцию
.
3.102[905] Найти
корреляционную функцию стационарной
случайной функции X(t),
зная ее спектральную плотность
sx(ω)=s0
в интервале
;
вне этого интервала sx(ω)
= 0.
3.103[906] Найти корреляционную функцию стационарной случайной функции, зная ее спектральную плотность: sx(ω)=s0 в интервалах (-2ω0, - ω0) и (ω0, 2ω0); вне этих интервалов sx(ω) = 0.
3.104[907] Найти корреляционную функцию стационарной случайной функции, зная ее спектральную плотность sx(ω)=Dα/π(α2+ω2).
3.105[908] Найти корреляционную функцию стационарной случайной функции, зная ее спектральную плотность sx(ω) = 2/π(4+ω2).
3.106[909] Найти корреляционную функцию стационарного белого шума—стационарной случайной функции с постоянной спектральной плотностью sx(ω) = s0.
Ответы
3.76
Dx=10.
3.78
.
3.80
sx(ω)=2sin2(ω/2)/πω2.
3.81
sx(ω)=
=2sin2(5ω/2)/5πω2.
3.82
sx(ω)=1/π(1+ω2).
3.83
sx(ω)=Dα/π(α2+ω2).
3.84
sx(ω)=(2+ω2)/π[1+(1-ω)2][1+(1+ω)2].
3.85
sx(ω)=(Dα/π)·(ω2+α2+β2)/
[(ω--β)2+α2]
[(ω+β)2+α2].
3.86
sx(ω)=(2Dα/π)·(α2+β2)/[(ω2α2+β2)2-4β2ω2].
3.87
3.88
sx(ω)=2Dα3/π(α2+ω2)2.
3.89
sx(ω)=
=(1/5)/(ω2+0.01)2π.
3.90
sx(ω)=8Dα5/3π(α2+ω2)3.
3.91
sx(ω)=2Dα3(1+ω2)/
/π(α2+ω2)2.
3.92
нет.
3.94
sx
норм(ω)=α/π(α2+ω2).
3.95
Sx(ω)=
=D[(1/π)arctg(ω/α)+0.5].
3.100
=iω2Dα3/π(ω2+α2)2.
3.101
3.102
kx(τ)=2s0(sinω0τ)/τ.
3.103
kx(τ)=(2s0sinω0τ)
(2cosω0τ-1)/τ.
3.104
kx(τ)=De-α|τ|.
3.105kx(τ)=e-2|τ|.
3.106
kx(τ)=2πs0δ(τ).
