Випадкова функція та випадковий процес
Розділ: Прикладна математика
📌 Про що ця тема
Тут перевіряють розуміння того, як описувати явища, що змінюються непередбачувано в часі чи просторі: шум у каналі звʼязку, завантаження сервера, курс, трафік. Ключові поняття — випадкова величина, випадкова функція і випадковий процес. Це фундамент для моделювання й аналізу систем, у яких є невизначеність.
📖 Головне
• Випадкова величина — величина, що в результаті досліду набуває одного зі значень із певною ймовірністю (напр., число на кубику).
• Випадкова функція — функція, значення якої при кожному аргументі є випадковою величиною. Якщо аргумент — час, це випадковий процес X(t).
• Реалізація (траєкторія) — конкретна «записана» крива, яку ми отримали в одному досліді. Процес — це сукупність усіх можливих реалізацій.
• Переріз процесу — фіксуємо момент t, і X(t) стає звичайною випадковою величиною зі своїм розподілом.
• Характеристики процесу:
• математичне сподівання m(t) = M[X(t)] — «середня» траєкторія;
• дисперсія D(t) = M[(X(t) − m(t))²] — міра розкиду навколо середнього;
• кореляційна функція K(t₁, t₂) — звʼязок значень процесу в різні моменти.
• Класифікація за станами й часом:
• дискретні/неперервні стани;
• дискретний/неперервний час.
• Стаціонарний процес — його характеристики не змінюються зі зсувом у часі (m = const, а кореляція залежить лише від різниці t₂ − t₁).
• Марковський процес — майбутнє залежить лише від теперішнього стану, а не від усієї попередньої історії («без памʼяті»).
• Окремий важливий випадок — випадкова послідовність (дискретний час): X₁, X₂, X₃, …
🔢 Як це працює на прикладі
Нехай кількість запитів до сервера за секунду — випадковий процес N(t), t = 1, 2, 3…
• Один день роботи дав реалізацію: 5, 7, 6, 8, 4 запити.
• Переріз у момент t = 2 — це випадкова величина «кількість запитів на 2-й секунді».
• Оцінимо математичне сподівання по реалізації: m ≈ (5+7+6+8+4)/5 = 6 запитів.
• Відхилення від середнього: −1, +1, 0, +2, −2; їх квадрати: 1,1,0,4,4; сума 10.
• Оцінка дисперсії ≈ 10/5 = 2, тож «розкид» близько √2 ≈ 1,4 запиту.
Якщо середнє навантаження приблизно однакове протягом доби — процес можна вважати стаціонарним.
⚠️ Типові помилки
• Плутають реалізацію і сам процес: одна крива — це лише один дослід, а процес — множина всіх можливих траєкторій.
• Вважають X(t) числом, а не випадковою величиною в кожній точці.
• Плутають стаціонарність (незмінність характеристик у часі) з марковістю (відсутність памʼяті) — це різні властивості.
• Думають, що математичне сподівання процесу — завжди стала; m(t) може залежати від t.
• Забувають, що кореляційна функція має два аргументи K(t₁, t₂), а не один.
🎯 Що завчити напамʼять
• m(t) = M[X(t)] — середнє.
• D(t) = M[(X(t) − m(t))²] — розкид.
• Стаціонарність: m = const, K залежить лише від t₂ − t₁.
• Марковість: майбутнє залежить лише від теперішнього.
• Процес = множина реалізацій; переріз = випадкова величина.
🧠 Перевір себе
1. Чим реалізація відрізняється від випадкового процесу?
2. Що таке переріз процесу в момент t?
3. Яка властивість означає «процес без памʼяті»?
4. Що означає стаціонарність процесу?
Відповіді: 1 — реалізація це одна конкретна траєкторія з одного досліду, процес — сукупність усіх можливих реалізацій; 2 — випадкова величина X(t) при фіксованому t зі своїм розподілом; 3 — марковість (майбутнє залежить лише від теперішнього стану); 4 — характеристики (сподівання, дисперсія, кореляція) не змінюються при зсуві в часі.