Исследование модели фрактального броуновского движения

Дипломная работа - Физика

Другие дипломы по предмету Физика

?ных процессов по методу моментов. Подставим в формулу (6) для точного значения ковариационной функции оценку параметра Харста и приравняем полученное выражение оценке ковариационной функции, рассчитанной по формуле (17), при .

 

,

,

.

 

Для смоделированных ФБД, траектории которых представлены
на рис. 1-4, получаем следующие оценки параметра Харста:

 

Таблица 1. Оценка параметра Харста методом моментов.

Процесс Точное значение параметра Харста HОценка параметра Харста Рис. 10.80.7914Рис. 20.80.7336Рис. 30.20.2467Рис. 40.20.27393. Интерполяция, экстраполяция и прогнозирование процесса ФБД по наблюдениям в двух точках

 

Важным классом задач в теории случайных процессов является построение оценки неизвестных значений процесса по нескольким известным значениям (наблюдениям).

В данной работе рассматривается задача построения с.к.-оптимальной оценки по наблюдениям . В зависимости от значений можно выделить три подзадачи:

Подзадача 1 (интерполяция)

Рассмотрим случай, когда :

 

 

Задачу построения оценки по наблюдениям при будем называть задачей интерполяции.

Подзадача 2 (экстраполяция)

Рассмотрим случай, когда :

 

Задачу построения оценки по наблюдениям при будем называть задачей экстраполяции.

Подзадача 3 (прогнозирование)

Рассмотрим случай, когда :

 

 

Задачу построения оценки по наблюдениям при будем называть задачей прогнозирования.

Для построения оценки воспользуемся теоремой о нормальной корреляции.

Пусть

- оцениваемая случайная величина,

- вектор наблюдений.

Тогда по теореме о нормальной корреляции:

 

,

 

где

 

,(18)

,(19)

.(20)

Поскольку , , получаем

.(21)

 

Подставив в формулу (21) выражения (18), (19) и (20) и упростив получившееся выражение, получаем:

 

,

где

 

.

 

Для случая (обычное броуновское движение) в задаче интерполяции аналитически получаем:

 

,(22)

 

то есть получаем линейную оценку неизвестного значения по двум наблюдениям:

 

Рис. 9. Оценка по двум наблюдениям в задаче интерполяции в случае .

 

Для задач экстраполяции и прогнозирования в случае также получаем, что с.к.-оптимальной оценкой является линейная оценка.

Проанализируем поведение с.к.-оптимальной оценки в случае .

Вычисление оценки для случая

(график процесса представлен на рис. 1)

 

Интерполяция:

Точное значение Линейная оценкаС.к.-оптимальная оценка 701207533,0231,2431,697012010036,8535,436,067012011039,8237,0737,42

Экстраполяция:

Точное значение Линейная оценкаС.к.-оптимальная оценка 1001207030,4134,0326,951001208035,0334,9730,651001209035,8835,9134,05

Прогнозирование:

Точное значение Линейная оценкаС.к.-оптимальная оценка 7010011039,8239,038,757010012038,7341,1440,587010013039,4743,2942,35

Вычисление оценки для случая
(график процесса представлен на рис. 3)

 

Интерполяция:

Точное значение Линейная оценкаС.к.-оптимальная оценка 70110802,382-0,288-0.35670110900,047-0,614-0.563701101000,257-0,941-0.779

Экстраполяция:

Точное значение Линейная оценкаС.к.-оптимальная оценка 100120700,0391,2950,016100120802,3820,9490,031100120900,0470,6030,062

Прогнозирование:

Точное значение Линейная оценкаС.к.-оптимальная оценка 70100110-1,2670,330,18770100120-0,4350,4020,172701001301,7010,4750,163

4. Моделирование дифференциальной системы с возмущениями в виде ФБД и оценка состояний дифференциальной системы на основе фильтрации Калмана-Бьюси

 

Рассмотрим следующую дифференциальную систему:

 

(23)

 

в которой , , , (такая система описывает процесс Орнштейна-Уленбека). - стандартные процессы фрактального броуновского движения. , являются независимыми.

Для решения системы (23) перейдем от дифференциалов к конечным разностям:

 

(24)

 

Здесь , - фрактальный гауссовский шум.

 

, .

, , - независимые.

Рассчитаем получившуюся рекуррентную формулу (24) при следующих данных: , , , , .

Для получаем:

 

Рис. 10. Решение разностного уравнения (24) . Синим цветом нарисован график наблюдаемого процесса , черным - оцениваемого процесса .

Для получаем:

Рис. 11. Решение разностного уравнения (24) для . Синим цветом нарисован график наблюдаемого процесса , черным - оцениваемого процесса .

 

Задача фильтрации состоит в определении с.к.-оптимальной оценки процесса по наблюдениям процесса . С.к.-оптимальной оценкой является условное математическое ожидание:

 

,

где

 

есть -алгебра, порожденная значениями процесса до текущего момента времени .

Классическая теорема Калмана-Бьюси дает уравнение, описывающее эволюцию математического ожидания в случае, когда в системе (23) вместо фрактального броуновского движения присутствуют обычные винеровские процессы.

Для рассмотренного случая процесса Орнштейна-Уленбека дифференциальное уравнение для математического ожидания имеет вид:

 

,(25)

где .

 

Исследуем поведение фильтра в случае системы (23) с возмущениями в виде ФБД.

В выражении (25) перейдем от дифференциалов к конечным разностям:

 

.(26)

 

Рассчитаем значения фильтра Калмана-Бьюси вместе со значениями состояния системы (24):

 

, :

Синим цветом нарисован график наблюдаемого процесса , черным - оцениваемого процесса , красным - оценка фильтра Калмана .

 

Ошибка оце