SchoolWork-LaTeX/随机过程/平时作业/第十四周作业.tex

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2024-09-02 17:47:53 +08:00
\documentclass[全部作业]{subfiles}
\input{mysubpreamble}
\begin{document}
\setcounter{chapter}{6}
\section{布朗运动及其分布}
\subsection{练习题\thesection}
\textcolor{red}{若无特别说明},以下总设$B=\{ B(t)\ ;\ t\geqslant 0 \}$为标准布朗运动。)
\begin{enumerate}
\questionandanswerSolution[2]{
对任意$0<s<t$,求$B(s)+B(t)$的概率密度函数。
}{
首先,$B(s)$$B(t)$不独立,所以需要进行变换,$B(s)+B(t)=2 B(s) + B(t)-B(s)$,而$B(s)$$B(t)-B(s)$是独立的,且$B(s)\sim N(0,s)$, $B(t)-B(s)\sim N(0,t-s)$,所以
$$
B(s)+B(t)=2 B(s) + (B(t)-B(s)) \sim N(0, 4s+t-s)=N(0, 3s+t)
$$
所以$B(s)+B(t)$的概率密度函数为
$$
p(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi (3s+t)}} e^{- \frac{x^{2}}{3s+t}}
$$
}
\questionandanswer[3]{
在例6.1.9假设下例6.1.9:记$\mu=(1,2,3)^{\mathrm{T}}$, $\mathrm{D} = \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 \\
1 & 4 & 2 \\
1 & 2 & 9 \\
\end{pmatrix}$$(X_1,X_2,X_3) \sim N(\mu, \mathrm{D})$
}{}
\begin{enumerate}
\questionandanswer[]{
$X_2=2$$(X_1,X_3)$的条件联合分布;
}{
交换$X_2$$X_3$的位置,$\displaystyle (X_1,X_3,X_2) \sim N\left( \begin{bmatrix}
1 \\
3 \\
2 \\
\end{bmatrix}, \begin{bmatrix}
1 & 1 & 1 \\
1 & 9 & 2 \\
1 & 2 & 4 \\
\end{bmatrix} \right) $,则$\tilde{\mu}=\begin{bmatrix}
1 \\
3 \\
\end{bmatrix}, v=2$, $A=\begin{bmatrix}
1 & 1 \\
1 & 9 \\
\end{bmatrix}, B = \begin{bmatrix}
1 \\
2 \\
\end{bmatrix}, C=4$
$$
\begin{aligned}
(X_1,X_3)\sim &N(\tilde{\mu}+BC^{-1}(2-v), A-BC^{-1}B^{\mathrm{T}}) \\
&=N\left( \begin{bmatrix}
1 \\
3 \\
\end{bmatrix}, \begin{bmatrix}
1 & 1 \\
1 & 9 \\
\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}
1 \\
2 \\
\end{bmatrix} \frac{1}{4} \begin{bmatrix}
1 & 2 \\
\end{bmatrix} \right) = N\left( \begin{bmatrix}
1 \\
3 \\
\end{bmatrix}, \begin{bmatrix}0.75 & 0.5\\0.5 & 8.0\end{bmatrix} \right) \\
\end{aligned}
$$
}
\questionandanswer[]{
$X_2=2, X_3=3$$X_1$的条件分布。
}{
$\tilde{\mu} = 1, \bar{y}=\begin{bmatrix}
2 \\
3 \\
\end{bmatrix}, v=\begin{bmatrix}
2 \\
3 \\
\end{bmatrix}$, $A=1, B=\begin{bmatrix}
1 & 1 \\
\end{bmatrix}, C=\begin{bmatrix}
9 & 2 \\
2 & 4 \\
\end{bmatrix}$
$$
\begin{aligned}
X_1 \sim &N\left( \tilde{\mu}+BC^{-1}(\bar{y}-v), A-BC^{-1}B^{\mathrm{T}} \right) \\
&=N\left( 1, 1-\begin{bmatrix}
1 & 1 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
9 & 2 \\
2 & 4 \\
\end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix}
1 \\
1 \\
\end{bmatrix} \right) =N\left( 1, \frac{23}{32} \right) \\
\end{aligned}
$$
}
\end{enumerate}
\questionandanswer[4]{
已知$B(1)=x$,对任意$0\leqslant s_1<s_2\leqslant s_3<s_4\leqslant 1$,证明
}{}
\begin{enumerate}
\questionandanswerProof[]{
$E((B(s_4)-B(s_3))(B(s_2)-B(s_1)))=(s_4-s_3)(s_2-s_1)(x^{2}-1)$,
}{
$$
\begin{aligned}
&E((B(s_4)-B(s_3))(B(s_2)-B(s_1))) \\
&=\operatorname{Cov}(B(s_4)-B(s_3), B(s_2)-B(s_1)) + E(B(s_4)-B(s_3)) \cdot E(B(s_2)-B(s_1)) \\
&=\operatorname{Cov}(B(s_4),B(s_2))-\operatorname{Cov}(B(s_4), B(s_1)) - \operatorname{Cov}(B(s_3), B(s_2))+\operatorname{Cov}(B(s_3), B(s_1)) \\ & + (E(B(s_4)) - E(B(s_3)))(E(B(s_2))-E(B(s_1))) \\
\end{aligned}
$$
根据推论6.1.10,当$i<j$时,$\operatorname{Cov}(B(s_i),B(s_j))= s_i - s_i s_j$$E(B(s_i))=s_i x$,所以
$$
\begin{aligned}
&\text{上式}=s_2-s_2s_4 - s_1+s_1s_4-s_2+s_2s_3+s_1-s_1s_3 + (s_4 x-s_3x)(s_2x-s_1x) \\
&= - s_{1} s_{3} + s_{1} s_{4} + s_{2} s_{3} - s_{2} s_{4} + x^{2} (s_{1} - s_{2}) (s_{3} - s_{4}) \\
&=(s_4-s_3)(s_1-s_2)(x^{2}-1) \\
\end{aligned}
$$
}
\questionandanswerProof[]{
$E\left[ (B(s_4)-B(s_1))^{2} \right] =(s_4-s_1)+(s_4-s_1)^{2}(x^{2}-1)$
}{
仍然根据推论6.1.10
$$
\begin{aligned}
&E\left[ (B(s_4)-B(s_1))^{2} \right] =\operatorname{Var}[B(s_4)-B(s_1)]+[E(B(s_4)-B(s_1))]^{2} \\
&=\operatorname{Var}[B(s_4)]+\operatorname{Var}[B(s_1)]-2\operatorname{Cov}(B(s_4),B(s_1))+[E(B(s_4))-E(B(s_1))]^{2} \\
&=s_4-s_4^{2}+s_1-s_1^{2}-2(s_1+s_1s_4)+(s_4 x-s_1x)^{2} \\
&=s_4-s_1+2s_1s_4-s_1^{2}-s_4^{2}+x^{2}(s_4-s_1) \\
&=(s_4-s_1)+(s_4-s_1)(x^{2}-1) \\
\end{aligned}
$$
}
\end{enumerate}
\questionandanswerSolution[5]{
$B$是方差参数$\sigma^{2}=3$的布朗运动,已知$B(1)=1,B(4)=4$,求$E(B(2)B(3))$$E(B(3)B(5))$
}{
由于$(B(1),B(2),B(3),B(4),B(5)) \sim N(\overrightarrow{0}, (i \land j)_{i,j=1,2,3,4})$,所以
$$
(B(2),B(3),B(5),B(1),B(4)) \sim N \left( \begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
0 \\
0 \\
0 \\
\end{bmatrix}, 3\begin{bmatrix}
2 & 2 & 2 & 1 & 2 \\
2 & 3 & 3 & 1 & 3 \\
2 & 3 & 5 & 1 & 4 \\
1 & 1 & 1 & 1 & 1 \\
2 & 3 & 4 & 1 & 4 \\
\end{bmatrix} \right)
$$
由于$B(1)=1,B(4)=4$,所以
$$
\begin{aligned}
(B(2),B(3))\sim &N (\tilde{\mu}+ BC^{-1}(\bar{y}-v), A-BC^{-1}B^{\mathrm{T}}) \\
&=N\left( \begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
\end{bmatrix}+ \begin{bmatrix}
1 & 2 \\
1 & 3 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
1 & 1 \\
1 & 4 \\
\end{bmatrix}^{-1} \left( \begin{bmatrix}
1 \\
4 \\
\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
\end{bmatrix} \right) , 3 \left(\begin{bmatrix}
2 & 2 \\
2 & 3 \\
\end{bmatrix} - \begin{bmatrix}
1 & 2 \\
1 & 3 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
1 & 1 \\
1 & 4 \\
\end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix}
1 & 2 \\
1 & 3 \\
\end{bmatrix} ^{\mathrm{T}} \right) \right) \\
&=N\left( \begin{bmatrix}2\\3\end{bmatrix} , \begin{bmatrix}2 & 1\\1 & 2\end{bmatrix} \right) \\
\end{aligned}
$$
所以
$$
\bm{E(B(2)B(3))} = \operatorname{Cov}(B(2),B(3))+E(B(2))E(B(3)) = 1 + 2 \times 3 \bm{=7}
$$
同理,
$$
\begin{aligned}
(B(3),B(5)) \sim &N(\tilde{\mu}+BC^{-1}(\bar{y}-v), A-BC^{-1}B^{\mathrm{T}}) \\
&=N\left( \begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}
1 & 3 \\
1 & 4 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
1 & 1 \\
1 & 4 \\
\end{bmatrix}^{-1}\left( \begin{bmatrix}
1 \\
4 \\
\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
\end{bmatrix} \right) , 3 \left(\begin{bmatrix}
3 & 3 \\
3 & 5 \\
\end{bmatrix}- \begin{bmatrix}
1 & 3 \\
1 & 4 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
1 & 1 \\
1 & 4 \\
\end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix}
1 & 1 \\
3 & 4 \\
\end{bmatrix} \right) \right) \\
&=N\left( \begin{bmatrix}3\\4\end{bmatrix} , \begin{bmatrix}2 & 0\\0 & 3\end{bmatrix} \right) \\
\end{aligned}
$$
所以
$$
\bm{E(B(3)B(5))} = \operatorname{Cov}(B(3),B(5))+E(B(3))E(B(5) ) =0 + 3\times 4 \bm{= 12}
$$
}
\questionandanswerProof[7]{
$Y(t)=B^{2}(t)-t$, $R(t)=e^{c B(t)-c^{2}t /2}$,其中$c >0$为常数。证明对任意$0\leqslant t<s$$E(Y(s)|B(t))=Y(t)$ 以及 $E(R(s)|B(t))=R(t)$
}{
根据推论6.1.10,由于$t<s$,所以$E(B(s)|B(t))=B(t), \operatorname{Var}(B(s)|B(t))=s-t$,所以
$$
\begin{aligned}
&\bm{E(Y(s)|B(t))}=E(B^{2}(s)-s|B(t)) = E(B^{2}(s)|B(t)) - E(s|B(t)) \\
=&\operatorname{Var}(B(s)|B(t))+\left( E(B(s)|B(t)) \right) ^{2} - s \\
=&s-t+(B(t))^{2}-s = B^{2}(t) - t \bm{=T(t)} \\
\end{aligned}
$$
$$
\begin{aligned}
&\bm{E(R(s)|B(t))} = E\left( e^{c B(s)-\frac{c^{2} s}{2}} \middle| B(t) \right) = E\left( e^{c B(s)}\middle| B(t) \right) E\left( e^{- \frac{c^{2}s}{2}} \middle| B(t) \right) \\
=& E\left( e^{cB(t)}\ \middle|\ B(t) \right) E\left( e^{c(B(s) - B(t))} \middle| B(t) \right) E\left(e^{- \frac{c^{2}s}{2}}\ \middle|\ B(t)\right) \\
=&e^{cB(t)} e^{\frac{c^{2}(s-t)}{2}} e^{-\frac{c^{2}s}{2}} =e^{cB(t) - \frac{c^{2} t}{2}} \bm{= R(t)} \\
\end{aligned}
$$
}
\end{enumerate}
\end{document}