2. 海军航空工程学院 系统科学与数学研究所, 山东 烟台 264001
2. Institute of Systems Science and Mathematics, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China
随机过程是一连串随机事件动态关系的定量描述。随机过程的统计特性可用随机过程的分布族完整描述,但是随机过程的分布族在实际应用中往往难以确定。因而,在研究随机过程时,通常利用随机过程的数字特征函数,如均值函数、方差函数、自相关函数、互相关函数来描述随机过程的重要特征[1-2]。
文献[3]首次采用可拓理论来刻画随机事件的概率,文献[4-5]定义了随机事元的概念,对随机事件和随机变量的概率分布进行了研究。文献[6]用参变量事元和集合理论建立了随机过程的可拓模型,并利用可拓理论对随机过程的均值函数和方差函数的拓展性进行了研究。在随机过程中,仅研究均值函数和方差函数往往是不够的,某些现实矛盾问题需要通过研究随机过程中的自相关函数和互相关函数才能得到解决。在解决实际问题时,往往同一过程中,两个时刻的自相关函数值,或者在两个过程中,两个时刻的互相关函数值为某一确定值时,矛盾问题无法得到解决,但当自相关函数或互相关函数的值变为另一个函数值时,矛盾问题将会得到解决。文献[7]定义了复杂信息元和复杂信息元集,为工程中解决矛盾问题提供依据。例如,在信号传输过程中,往往需要降低同一信号不同时刻的自相关性,或者降低同一时刻发射的两种不同信号的互相关性,进而减少信号之间相互干扰。
可拓学是以形式化的模型,研究事物的可拓展规律,并用于解决现实中的矛盾问题。本文利用可拓理论[8-9]和随机过程的可拓模型对随机过程的自相关函数和互相关函数进行研究,通过寻找主动变换,利用其传导性,使随机过程在参变量取某值的状态发生改变,从而使随机过程的自相关函数或互相关函数发生相应的传导变换,为一类涉及随机过程的自相关函数或互相关函数的矛盾问题提供一种新的处理方法。
1 过程元集及其自相关函数与互相关函数文献[5]中用过程元集
$A(t) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{O_a},}&{{c_1},}&{{u_1}(t)}\\ {}&{{c_2},}&{{u_2}(t)}\\ {}& \vdots & \vdots \\ {}&{{c_n},}&{{u_n}(t)} \end{array}} \right),(t \in T).$ |
本文将用过程元集
${W_1} \! = \! \left\{ {\left. {{A_1}(t)} \right|{A_1}(t) \! \in \! \left( {{O_{a1}},C,{U_1}(t)} \right),{U_1}(t) \! \in \! {V_1}(C),} \right.\left. {(t \! \in \! T)} \right\},$ | (1) |
${W_2} \! = \! \left\{ {\left. {{A_2}(t)} \right|{A_2}(t) \! \in \! \left( {{O_{a2}},C,{U_2}(t)} \right),{U_2}(t) \! \in \! {V_2}(C),(t \! \in \! T)} \right\}.$ | (2) |
定义 1 设随机过程
定义 2 设随机过程
在实际问题中,通常需要改变同一过程两个时刻的自相关性,或者改变不同过程的互相关性来解决矛盾问题。例如,商品在市场买卖过程中,厂家需通过不断的改进技术来提高商品的性能,进而降低同一商品买卖过程中不同时期的产品性能的相似度或者相关性来吸引顾客购买;或者降低同一时期买卖的两种不同商品的互相关性,进而减少两种商品买卖时相互之间的干扰。这时需要通过可拓推理寻找主动变换,改变随机过程在参变量为
若在过程元集为
$\mathop {{\varphi _1}}\nolimits_{{u_{1i}}(t)} \Rightarrow {}_{{u_{1i}}(t)}{\varphi _1}_{{A_1}(t)},$ |
使
${}_{{u_{1i}}(t)}{\varphi _1}_{{A_1}(t)}{A_1}(t) = {A'_1}(t),$ |
则在变换
$\begin{aligned} _{{u_{1i}}(t)}{\varphi _1}_{{W_1}}{W_1} = W_1',\\ _{{u_{1i}}(t)}{\varphi _1}_{{R_X}({W_1})}{R_X}({W_1}) = R_X'(W_1') .\end{aligned}$ |
为研究两个过程
假设实施主动变换
$\mathop {{\varphi _k}}\nolimits_{{u_{ki}}(t)} \Rightarrow {}_{{u_{ki}}(t)}{\varphi _k}_{{A_k}(t)},k = 1,2,$ |
使
$_{{u_{ki}}(t)}{\varphi _k}_{{A_k}(t)}{A_k}(t) = A_k'(t),k = 1,2.$ |
则在变换
${}_{{u_{ki}}(t)}{\varphi _{k\;}}_{{W_k}}{W_k} = W_k',k = 1,2.$ |
在上述变换中,可对两个过程
当过程
${}_{{u_{1i}}(t)}{\varphi _{1\;}}_{{W_1}}({W_1}) = W_1',$ |
则变换
${}_{{u_{1i}}(t)}{\varphi _{1\;}}_{{R_{XY}}({W_1},{W_2})}{R_{XY}}({W_1},{W_2}) = {R'_{XY}}({W'_1},{W_2}).$ |
同理当过程
${}_{{u_{2i}}(t)}{\varphi _{2\;}}_{{W_2}}({W_2}) = {W'_2},$ |
则变换
${}_{{u_{2i}}(t)}{\varphi _{2\;}}_{{R_{XY}}({W_1},{W_2})}{R_{XY}}({W_1},{W_2}) = {R'_{XY}}({W_1},{W'_2}).$ |
定义 3 称
定义 4 称
定义 5 称
例 某数字通信系统甲传送的信号为余弦波脉冲信号,脉冲幅度
该过程用过程元集描述为
${A_1}(t){\rm{ = }}\left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{传送,}&\text{支配对象,}&{{M_1}(t)}\\ {}&\text{施动对象,}&{{D_1}} \end{array}} \right),$ |
这里,
$\begin{aligned} & {M_1}(t) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{余弦波信号},&\text{振幅},&{B_1}\\ {}&\text{频率,}&{\omega _1}\\ {}&\text{相位,}&{\theta (t)} \end{array}} \right),\\ & \theta (t) = {\cos ^{ - 1}}\left( {\frac{X_t}{B_1}} \right) - {\omega _1}t \sim U( - {\rm{\pi ,\pi }}),\\ & {D_1} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{数字通信系统甲,}&\text{信源,}&{x_{11}}\\ {}&\text{信源,}&{x_{12}}\\ {}&\text{噪声源},&{x_{13}}\\ {}&\text{信宿},&{x_{14}}\\ {}& \vdots & \vdots \end{array}} \right).\\ {R_X}(t,s) = & E({A_1}(t){A_1}(s)) = \\ & \frac{1}{{2\rm{\pi } }}\int_\rm{\pi }^\rm{\pi } {B_1^2\cos ({\omega _1} t + \theta )\cos ({\omega _1} s + \theta )\rm{d}\theta } = \\ & \frac{{B_1^2}}{2}\cos {\omega _1}(t - s), \end{aligned}$ |
则过程元集
当
又设另一数字通信系统乙传送的信号为正弦波脉冲信号,脉冲幅度
用过程元集可描述为
${A_2}(t) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{传送},&\text{支配对象},&{{M_2}(t)}\\ {}&\text{施动对象},&{{D_2}} \end{array}} \right),$ | (3) |
这里,
${M_2}(t) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{正弦波信号,}&\text{振幅,}&{{B_2}}\\ {}&\text{频率,}&{{\omega _2}}\\ {}&\text{相位,}&{\theta (t)} \end{array}} \right),$ | (4) |
$\theta (t) = {\sin ^{ - 1}}\left( {\frac{{{Y_t}}}{{{B_2}}}} \right) - {\omega _2}t\sim U( - \rm{\pi },\rm{\pi }),$ | (5) |
${D_2} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{数字通信系统乙,}&\text{信源,}&{{x_{21}}}\\ {}&\text{信道,}&{{x_{22}}}\\ {}&\text{噪声源,}&{{x_{23}}}\\ {}&\text{信宿,}&{{x_{24}}}\\ {}& \vdots & \vdots \end{array}} \right).$ | (6) |
$\begin{aligned} {R_{XY}}(t,s) = & E({A_1}(t){A_2}(s)) = \\ & \frac{1}{{2\rm{\pi } }}\int_{ - \rm{\pi } }^{\rm{\pi }} {{B_1}{B_2}\cos ({\omega _1}t + \theta )\sin({\omega _2}s + \theta ){\rm{d}}\theta } = \\ & \frac{{{B_1}{B_2}}}{2}\sin ({\omega _2}s - {\omega _1}t),\end{aligned}$ |
则过程元集
当
在过程
${\varphi _{{x_{11}}}} \Rightarrow {}_{{x_{11}}}{\varphi _{{D_1}}} \Rightarrow {}_{{D_1}}{\varphi _{{\omega _1}}} \Rightarrow {}_{{\omega _1}}{\varphi _{{M_1}(t)}},$ |
使
$ \begin{aligned} \varphi {x_{11}} = x_{11}',{}_{{x_{11}}}{\varphi _{{D_1}}}{D_1} = D_1',{}_{{D_1}}{\varphi _{{\omega _1}}}{\omega _1} =\omega _1', \\ {}_{{\omega _1}}{\varphi _{{M_1}(t)}}{M_1}(t) = M_1'(t),\quad \quad \quad \quad \quad \end{aligned} $ |
则
$\begin{aligned} & \quad \quad\quad \quad \quad {}_{{x_{11}}}{\varphi _{{A_1}(t)}}{A_1}(t) = A_1'(t),\\ & \quad \quad \quad\quad \quad \quad {}_{{x_{11}}}{\varphi _{{W_1}}}{W_1} = W_1' = \\ & \left\{ {\left. {A_1'(t)} \right|A_1'(t) \in \left( {{O_{a1}},C,U_1'(t)} \right), U_1'(t) \in V_1'(C),(t \in T)} \right\}, \end{aligned}$ |
其中
$A_1'(t){\rm{ = }}\left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{传送,}&\text{支配对象,}&{M_1'(t)}\\ {}&\text{施动对象,}&{D_1'} \end{array}}\right),$ | (7) |
$M_1'(t) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{余弦波信号,}&\text{振幅,}&{{B_1}}\\ {}&\text{频率,}&{\omega _1'}\\ {}&\text{相位,}&{\theta (t)} \end{array}}\right),$ | (8) |
$\theta (t) = {\cos ^{ - 1}}(\frac{{{X_t}}}{{{B_1}}}) - {\omega _1}t \sim U( -\rm{\pi } ,\rm{\pi }),$ | (9) |
$D_1' = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} \text{数字通信系统甲,}&\text{信源,}&{x_{11}'}\\ {}&\text{信源,}&{{x_{12}}}\\ {}&\text{噪声源,}&{{x_{13}}}\\ {}&\text{信宿,}&{{x_{14}}}\\ {}& \vdots & \vdots \end{array}}\right).$ | (10) |
进而,随机过程
${}_{{x_{11}}}{\varphi _{{R_X}({W_1})}}{R_X}({W_1}) = R_X'(W_1') = \frac{{B_1^2}}{2}\cos \omega _1'(t - s),$ | (11) |
当
在两个过程
寻找主动变换
$\mathop {{\varphi _1}}\nolimits_{{x_{11}}} \Rightarrow {}_{{x_{11}}}{\varphi _1}_{{D_1}} \Rightarrow {}_{{D_1}}{\varphi _1}_{{\omega _1}} \Rightarrow {}_{{\omega _1}}{\varphi _1}_{{M_1}(t)},$ |
使
$ \begin{aligned} {\varphi _1}{x_{11}} = & x_{11}',{}_{{x_{11}}}{\varphi _1}_{{D_1}}{D_1} = D_1',{}_{{D_1}}{\varphi _1}_{{\omega _1}}{\omega _1} =\omega _1', \\ & {}_{{\omega _1}}{\varphi _1}_{{M_1}(t)}{M_1}(t) = M_1'(t), \end{aligned} $ |
则
$\begin{aligned} {}_{{x_{11}}}{\varphi _{1\;}}_{{A_1}(t)}{A_1}(t) = A_1'(t),\\ {}_{{x_{11}}}{\varphi _{1\;}}_{{W_1}}^{}({W_1}) = W_1', \end{aligned}$ |
其中
$\begin{aligned} & W_1' \! = \! \left\{ {\left. {A_1'(t)} \right|A_1'(t) \! \in \! \left( {{O_{a1}},C,U_1'(t)} \right), \! U_1'(t) \! \in \! V_1'(C),(t \in T)} \right\} \! . \end{aligned}$ |
其中
当仅改变过程
运用过程元集的传导自相关函数和传导互相关函数来解决信号互干扰问题时,由于数字通信系统在每一时刻发射信号的内部结构可用过程元来清晰地刻画,可通过过程元的可拓变换和传导变换来改变同一信号过程的自相关性和不同信号过程的互相关性来解决矛盾问题,并且可对变换过程进行清晰的刻画。
4 结束语本文利用随机过程的可拓模型,给出了传导自相关函数和传导互相关函数的概念。通过寻找主动变换, 改变过程元中某一个或多个特征的量值,由传导变换使随机过程的自相关函数或互相关函数发生改变,为解决依赖于随机过程的自相关函数或互相关函数的矛盾问题寻求一种新途径。文中利用可拓 理论对单个过程的自相关函数和两个过程的单过程变换时的互相关函数进行了深入研究,但未对两个过程同时变换的互相关函数的可拓学表示进行研究,也未对可拓理论在具体随机过程如马氏过程、泊松过程等中的应用进行研究,后续将进一步研究;其次,传导自相关函数和传导互相关函数在其他领域的应用还有继续研究的空间。
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