內容簡介
《應用隨機過程》是現代應用隨機過程教材,內容從入門知識到學術前沿,包括預備知識、隨機過程的基本類型、Poisson過程、更新過程、Markov鏈、鞅、Brown運動、隨機積分、隨機微分方程及其應用和Levy過程等。
《應用隨機過程》配有大量與社會、經濟、金融、生物等專業相關的例題和習題,並給齣瞭參考答案,方便自學。
《應用隨機過程》可以作為高等院校統計、經濟、金融、管理專業的本科生教材,也可以作為其他相關專業的研究生教材和教學參考書,對廣大從事與隨機現象相關工作的實際工作者也極具參考價值。
內頁插圖
目錄
第1章 預備知識
1.1 概率空間
1.2 隨機變量和分布函數
1.3 數字特徵、矩母函數與特徵函數
1.3.1 數字特徵
1.3.2 Riemann-Stieltjes積分
1.3.3 關於概率測度的積分
1.3.4 矩母函數和特徵函數
1.4 條件概率、條件期望和獨立性
1.4.1 條件概率
1.4.2 條件期望
1.4.3 獨立性
1.4.4 獨立隨機變量和的分布
1.5 收斂性
第2章 隨機過程的基本概念和基本類型
2.1 基本概念
2.2 有限維分布與Kolmogorov定理
2.3 隨機過程的基本類型
2.3.1 平穩過程
2.3.2 獨立增量過程
習題
第3章 Poisson過程
3.1 Poisson過程
3.2 與Poisson過程相聯係的若乾分布
3.2.1 Xn和Tn的分布
3.2.2 事件發生時刻的條件分布
3.3 Poisson過程的推廣
3.3.1 非齊次Poisson過程
3.3.2 復閤Poisson過程
3.3.3 條件Poisson過程
習題
第4章 更新過程
4.1 更新過程定義及若乾分布
4.1.1 更新過程的定義
4.1.2 N(t)的分布及E(N(t))的一些性質
4.2 更新方程及其應用
4.2.1 更新方程
4.2.2 更新方程在人口學中的一個應用
4.3 更新定理
4.4 Lundherg-Cramer破産論
4.5 更新過程的推廣
4.5.1 延遲更新過程
4.5.2 更新迴報過程
4.5.3 交替更新過程
習題
第5章 Markov鏈
5.1 基本概念
5.1.1 Markov鏈的定義
5.1.2 轉移概率
5.1.3 一些例子
5.1.4 n步轉移概率C-K方程
5.2 停時與強Markov性
5.3 狀態的分類及性質
5.4 極限定理及不變分布
5.4.1 極限定理
5.4.2 不變分布與極限分布
5.5 Markov鏈的大數定律與中心極限定理
5.5.1 大數定律與不變分布
5.5.2 Markovr鏈的中心極限定理
5.6 群體消失模型與人口模型
5.6.1 群體消失模型(分支過程)
5.6.2 人口結構變化的Markov鏈模型
5.7 連續時間Markov鏈
5.7.1 連續時間Markov鏈
5.7.2 轉移概率pij(t)和Kolmogorov微分方程
5.8 應用——數據壓縮與熵
習題
第6章 鞅
6.1 基本概念
6.2 鞅的停時定理
6.2.1 停時定理
6.2.2 Doob極大不等式
6.2.3 停時定理的應用——關於期權值的界
6.3 一緻可積性
6.4 鞅收斂定理
6.5 連續鞅
習題
第7章 Brown運動
7.1 基本概念與性質
7.2 Gauss過程
7.3 Brown運動的鞅性質
7.4 Brown運動的Markov性
7.5 Brown運動的最大值變量及反正弦律
7.6 Brown運動的幾種變化
7.6.1 Brown橋
7.6.2 有吸收值的Brown運動
7.6.3 在原點反射的Brown運動
7.6.4 幾何Brown運動
7.6.5 有漂移的Brown運動
習題
第8章 隨機積分與隨機微分方程
8.1 關於隨機遊動的積分
8.2 關於Brown運動的積分
8.3 Ito積分過程
8.4 Ito公式
8.5 隨機微分方程
8.5.1 解的存在惟一性定理
8.5.2 擴散過程
8.5.3 簡單例子
8.6 應用——金融衍生産品定價
8.6.1 Black-Scholes模型
8.6.2 等價鞅測度
習題
第9章 Levy過程與關於點過程的隨機積分簡介
9.1 Levy過程
9.2 關於Poisson點過程的隨機積分
習題參考答案
文獻評注
參考文獻
前言/序言
本書的初稿曾在中國人民大學統計學係本科生的教學中多次使用,反映良好,此次齣版,我們根據廣大讀者的反饋意見,對部分內容進行瞭適當調整,對Markov過程的討論更加詳盡,並增加瞭隨機微分方程和Levy過程等新的內容,
幾十年來,由於實際問題的需要和數學工作者的努力,隨機過程無論在理論上還是在應用上都有瞭蓬勃的發展,它的基本知識和方法,不僅為數學、概率統計專業所必需,也為工程技術、生物信息及經濟領域的應用與研究所需要,因此,隨機分析的方法越來越受到人們的重視,高等院校的學生、工程技術人員、金融工作者,更迫切地需要學習和掌握隨機過程的知識.本書是為適應這種需求,根據近年來講授這門課的教學實踐所積纍的資料,參考國內外有關著作編寫而成.由於隨機過程這門學科發展十分迅速,其內容十分豐富,作為一本大學本科生用教科書,不可能包括其全部內容,因此,我們力圖根據經濟類和管理類本科生教學選擇素材.為適應更廣泛的讀者,本書著重於隨機過程的基礎知識和基本方法的介紹,特彆注重實際應用,盡量迴避測度論水平的嚴格證明,隻有第6章的部分內容、第8章和第9章不可避免的用到一些測度論知識.這些內容初學者可以根據各自的基礎進行取捨,數學基礎稍好、有測度論基礎或對數理金融有興趣的讀者可以選學.為瞭方便讀者,我們在第1章中用很小的篇幅,對概率測度和積分進行瞭初步介紹,希望對讀者有所幫助.一般讀者隻要具有高等數學及概率論的基礎知識便可閱讀和理解本書的大部分內容.我們建議對大學本科生以54學時講授本書前7章的內容,如果課程設置為60學時以上,則可以講授前8章的全部內容,並對第9章做簡單介紹.如果課時比較少,教師可根據授課對象適當選擇教學內容.
全書大體可分為3個部分.第1部分是預備知識和隨機過程最基本的內容,一般教科書都包含這部分內容(第1,2,3,5章).第2部分是更新過程,這一內容在許多教科書中沒有單獨討論,考慮到它在應用中的重要性,特彆是在人口學和保險論中的應用,故將它放在第4章講授.第3部分包括第6,7,8,9章,鑒於在經濟和金融領域非常廣泛的應用,分彆介紹鞅、Brown運動、隨機微分方程及其應用和Levy過程.考慮到實際問題的需要,本書第一次將Levy過程寫入隨機過程的教科書中.
本書配有一些與社會、經濟、金融、管理以及生物等領域相關的例題和習題,以幫助學生加深理解,提高應用隨機過程理論解決問題的能力.為瞭便於自學,書末給齣瞭大部分習題的答案,供自學者參考.為瞭便於有興趣的讀者進一步學習,我們對主要內容增加瞭一個文獻評注,同時書後列齣較多的參考書目,為這些讀者提供綫索.因此,雖然我們強調主要著眼於經濟管理類本科學生,但是對於這些專業的研究生以及某些應用數學和其他理工科的本科生、研究生來說,也不難發現使用本書的方便之處.
本書的編寫得到吳喜之、張堯廷、易丹輝、顧嵐、肖爭艷等許多同仁的鼓勵、支持和幫助;宋士吉教授和劉立新博士分彆在清華大學、北京大學和對外經貿大學使用過本書的初稿,並對本書提齣瞭許多寶貴的修改意見;薛芳,李曉明,劉曉華,吳孟書,何艷青,鬍威等同學提供瞭習題參考答案.在此謹錶衷心謝意!
同時也要感謝中國人民大學統計學院,使得筆者有機會在教學實踐中完成本書的寫作和修改.還要感謝教育部的支持,將本書列為普通高等教育“十五”國傢級規劃教材,使得本書得以順利齣版。
由於編者水平所限,書中的缺點錯誤在所難免,敬請讀者批評指正。
應用隨機過程 (Applied Stochastic Processes) 引言 在這個信息爆炸、不確定性無處不在的時代,理解和預測事物隨時間演變的不確定性規律,已經成為科學、工程、金融、生物乃至社會科學等眾多領域的核心挑戰。從股票市場的波動到基因序列的隨機突變,從粒子擴散的軌跡到通信信號的噪聲乾擾,隨機過程滲透在我們觀察和研究的方方麵麵。本書《應用隨機過程》正是為瞭滿足這一日益增長的需求而誕生的。它並非僅僅羅列枯燥的數學定義和定理,而是緻力於揭示隨機過程作為一種強大的建模工具,如何在現實世界的問題中發揮其不可替代的作用。本書的目標讀者是那些希望掌握分析和解決實際隨機性問題的專業人士、研究人員和高年級本科生、研究生,他們可能來自數學、物理、工程、計算機科學、經濟學、金融學、生物學等不同背景。 本書旨在提供一個清晰、係統且富有洞察力的框架,幫助讀者理解隨機過程的基本概念,並掌握將其應用於解決實際問題的多種方法。我們不會迴避數學的嚴謹性,但更注重數學工具與實際應用的聯係,力求讓抽象的理論在具體的場景中煥發齣生機。通過本書的學習,讀者將能夠: 1. 建立堅實的理論基礎: 深入理解馬爾可夫鏈、泊鬆過程、布朗運動等核心隨機過程模型,掌握其基本性質、演化規律和分析方法。 2. 掌握建模與分析技巧: 學會如何根據實際問題的特點,選擇和構建閤適的隨機過程模型,並運用各種分析工具(如概率論、積分變換、微分方程等)來理解模型的行為和預測其未來狀態。 3. 理解核心應用領域: 認識隨機過程在不同學科領域中的典型應用,例如在通信係統中分析錯誤概率,在金融市場中定價期權,在生物係統中模擬種群動態,在排隊論中優化服務效率,以及在物理學中描述粒子運動等。 4. 培養解決實際問題的能力: 通過大量的實例分析和練習題,讀者將能獨立地將所學知識應用於分析和解決自己麵臨的實際問題,提升其定量分析和決策能力。 第一部分:隨機過程基礎 本部分將為讀者打下堅實的隨機過程理論基礎,從最基本的概念齣發,逐步引入關鍵的隨機過程模型。 第一章:隨機變量與概率分布迴顧 在深入研究隨機過程之前,對隨機變量、概率分布、期望、方差等概率論基本概念的迴顧是必不可少的。本章將簡要梳理這些概念,確保讀者對概率論的基石有清晰的認識。我們將重點迴顧離散型和連續型隨機變量的概率質量函數(PMF)和概率密度函數(PDF),纍積分布函數(CDF),以及聯閤概率分布和條件概率。此外,期望(均值)、方差、標準差、協方差和相關係數等統計量的定義和計算也將得到復習,為後續章節中隨機過程的統計特性分析奠定基礎。 第二章:馬爾可夫鏈:離散時間與離散狀態 馬爾可夫鏈是隨機過程中最基礎且應用最廣泛的模型之一。本章將詳細介紹離散時間馬爾可夫鏈(DTMC)的概念。我們將首先定義馬爾可夫性質,即“無記憶性”,並解釋其在建模中的重要性。接著,我們將引入狀態空間、轉移概率、轉移矩陣等核心概念,並演示如何構建和分析一個給定的馬爾可夫鏈。 本章的重點將放在對馬爾可夫鏈的穩態行為的分析。我們將探討可達性、循環性、常返性和正常返性等概念,並介紹如何計算平穩分布(穩態分布)。平穩分布描述瞭當係統運行足夠長時間後,處於各個狀態的概率。我們將展示如何利用綫性方程組來求解平穩分布,並討論其在預測係統長期行為方麵的意義。此外,我們還會涉及有限狀態馬爾可夫鏈的某些特性,如吸收狀態的性質,以及一些簡單的應用示例,例如用戶流失模型的分析。 第三章:泊鬆過程:事件的隨機發生 泊鬆過程是描述在給定時間段內獨立隨機事件發生次數的常用模型。本章將引入泊鬆過程及其相關的概念。我們將定義泊鬆過程,重點關注其“獨立增量”和“平穩增量”的性質,以及事件發生率(強度)的意義。 本章將深入探討泊鬆過程的兩個重要特性:一是給定時間段內發生事件的次數服從泊鬆分布;二是事件發生的時間間隔服從指數分布。我們將通過一係列示例,展示泊鬆過程在不同場景下的應用,例如顧客到達商店的次數,網絡數據包的到達,以及放射性衰變的事件。此外,我們還會介紹泊鬆過程與指數分布之間的深刻聯係,以及泊鬆過程的復閤泊鬆過程的擴展,用於描述事件發生時伴隨的隨機值。 第四章:連續時間馬爾可夫鏈 在許多實際應用中,事件並非隻發生在離散的時間點,而是可以在連續的時間中發生。本章將把馬爾可夫鏈的概念推廣到連續時間,即連續時間馬爾可夫鏈(CTMC)。我們將定義CTMC,並引入生成無窮小矩陣(Q矩陣)的概念,它描述瞭係統在極小時間間隔內從一個狀態轉移到另一個狀態的瞬時速率。 本章將重點討論CTMC的演化方程,即無窮小生成矩陣的微分方程,以及如何通過求解這些方程來計算係統在任意時刻的狀態分布。我們將探討CTMC的各種類型,如具有吸收狀態的CTMC,並分析其到達吸收狀態的期望時間和概率。本章還將涉及某些特殊類型的CTMC,例如生滅過程(birth-death process),它在模擬種群增長、排隊係統等領域有著廣泛應用。我們將演示如何利用生成矩陣來分析這些過程的穩態性質(如果存在的話),以及其瞬時行為。 第五章:布朗運動與隨機微分方程 布朗運動是描述粒子在流體中隨機運動的經典模型,也是許多連續時間隨機過程的基石。本章將介紹標準的布朗運動(也稱為維納過程),並闡述其關鍵的數學性質,如獨立增量、平穩增量、連續路徑以及高斯增量。我們將探討布朗運動的期望和方差,以及其路徑的二次變差。 本章的重點將放在介紹隨機微分方程(SDEs)的概念。SDEs是描述由布朗運動驅動的隨機動態係統的數學工具。我們將解釋SDEs的 Ito 積分和 Ito 引理,這是理解和求解SDEs的關鍵。我們將通過一些基本的SDEs示例,如幾何布朗運動(廣泛應用於金融建模),來展示如何分析和理解由SDEs描述的隨機過程的性質,例如其期望軌跡、方差演化以及概率分布。此外,我們還將觸及偏微分方程(PDEs)與SDEs之間的聯係,例如 Black-Scholes 方程在金融衍生品定價中的作用。 第二部分:高級模型與技術 在掌握瞭基本的隨機過程模型後,本部分將介紹一些更高級的模型和分析技術,以應對更復雜和更具挑戰性的實際問題。 第六章:平穩過程與譜分析 並非所有隨機過程都需要在每個時間點上都是隨機的。平穩過程是指其統計特性(如均值和自協方差函數)不隨時間改變的隨機過程。本章將定義寬平穩過程和狹義平穩過程,並深入研究平穩過程的自協方差函數,它描述瞭過程在不同時間點上的相關性。 本章的關鍵內容將是平穩過程的譜分解(或譜分析)。我們將介紹功率譜密度(PSD),它揭示瞭平穩過程能量在不同頻率上的分布。我們將展示如何利用傅裏葉變換等工具來計算PSD,以及PSD如何幫助我們理解過程的周期性和相關性結構。平穩過程在信號處理、通信係統和振動分析等領域有著廣泛的應用。 第七章:排隊論:服務係統的分析 排隊論是研究係統中顧客等待服務的問題,是應用隨機過程最成功的領域之一。本章將介紹基本的排隊係統模型,通常用 Kendall 符號來錶示(例如 M/M/1, M/M/c, M/G/1 等)。我們將深入分析 M/M/1 模型,包括顧客到達服從泊鬆過程,服務時間服從指數分布,單個服務颱。 本章將重點關注排隊係統的性能指標,例如平均等待時間、平均隊列長度、係統吞吐量以及服務颱的利用率。我們將運用泊鬆過程、指數分布以及馬爾可夫鏈等概念來推導和分析這些指標。此外,我們還將討論不同排隊策略(如服務颱數量、服務順序)對係統性能的影響,並探討多服務颱係統(M/M/c)和具有一般服務時間分布的係統(M/G/1)的分析方法。 第八章:馬爾可夫決策過程(MDPs) 馬爾可夫決策過程是用於建模序貫決策問題的框架,其核心在於係統在不同狀態下采取行動,並根據轉移概率和奬勵獲得結果,從而最大化纍積奬勵。本章將引入 MDPs 的基本概念,包括狀態空間、動作空間、轉移概率、奬勵函數以及摺扣因子。 本章的重點將放在求解最優策略。我們將介紹值迭代(Value Iteration)和策略迭代(Policy Iteration)等動態規劃算法,用於找到在給定奬勵函數下能夠最大化期望纍積奬勵的最優策略。MDPs 在機器人控製、遊戲 AI、資源管理、推薦係統以及自動駕駛等領域有著廣泛的應用。我們將通過具體的例子來展示如何構建 MDP 模型並應用算法求解最優控製策略。 第九章:濛特卡洛方法與模擬 當解析求解隨機過程模型變得睏難或不可能時,濛特卡洛方法提供瞭一種強大的數值近似手段。本章將介紹濛特卡洛模擬的基本思想,即通過重復進行隨機試驗來估計期望值或概率。我們將演示如何使用僞隨機數生成器來模擬各種隨機過程,例如模擬泊鬆過程,模擬馬爾可夫鏈的演化,以及模擬布朗運動的路徑。 本章的重點將放在介紹更高級的濛特卡洛技術,如重要性采樣(Importance Sampling)和馬爾可夫鏈濛特卡洛(MCMC)方法。重要性采樣用於提高模擬效率,特彆是在估計罕見事件的概率時。MCMC 方法是一類強大的算法,用於從復雜的概率分布中抽取樣本,這在貝葉斯統計和復雜的統計模型分析中至關重要。我們將通過代碼示例(可以使用Python等流行語言)來說明如何實現濛特卡洛模擬,並展示其在解決實際問題中的有效性,例如估計金融風險或模擬復雜物理係統。 第三部分:實際應用案例 本部分將通過一係列詳細的實際應用案例,將前麵章節所學的理論知識付諸實踐,展示隨機過程在不同領域的強大威力。 第十章:通信係統中的隨機過程 在通信係統中,噪聲、信號衰減以及信道乾擾等隨機因素無處不在。本章將介紹如何應用隨機過程來分析和設計通信係統。我們將探討離散輸入和離散輸齣的信道模型,例如二元對稱信道,並使用條件概率和聯閤概率來分析錯誤傳播。 本章的重點將在於分析連續信號在噪聲背景下的傳輸,例如加性高斯白噪聲(AWGN)信道。我們將討論如何使用泊鬆過程來建模數據包的到達,以及如何使用布朗運動或其變種來描述信道中的衰落效應。我們還將探討如何利用隨機過程來分析糾錯碼的性能,以及如何優化解碼算法以減小錯誤率。 第十一章:金融市場建模 金融市場是隨機性最顯著的領域之一,股票價格、匯率、利率等都錶現齣復雜的隨機波動。本章將深入探討隨機過程在金融市場建模中的應用。我們將迴顧幾何布朗運動模型,並解釋其在股票價格建模中的原理。 本章的重點將在於期權定價。我們將介紹Black-Scholes模型,並闡述其背後的隨機過程(幾何布朗運動)和偏微分方程。我們將展示如何利用 Ito 引理和隨機微分方程來推導 Black-Scholes 期權定價公式。此外,我們還將觸及其他金融建模技術,例如隨機利率模型,以及如何在資産組閤管理中使用隨機過程來分析風險。 第十二章:生物學與醫學中的隨機過程 生命過程本身就充滿瞭隨機性,從基因突變到種群動態,從蛋白質摺疊到疾病傳播。本章將展示隨機過程在生物學和醫學研究中的應用。我們將探討如何使用馬爾可夫鏈來建模基因序列的演化,以及如何分析DNA的突變率。 本章的重點將在於傳染病動力學建模。我們將介紹 SIR 模型(易感-感染-恢復)等經典的流行病學模型,並解釋如何將其擴展為隨機模型,例如使用隨機微分方程或離散時間馬爾可夫鏈來描述個體間的傳染過程。我們還將討論如何利用排隊論的概念來分析醫療資源的分配,以及如何使用隨機過程來模擬藥物在體內的分布和作用。 第十三章:物理與工程中的隨機過程 隨機過程在物理學和工程學中扮演著至關重要的角色,從粒子的熱運動到信號的噪聲處理,從可靠性分析到係統優化。本章將探討這些應用。我們將迴顧布朗運動在描述粒子擴散中的作用,並介紹其與偏微分方程(如擴散方程)之間的聯係。 本章的重點將在於信號處理與噪聲分析。我們將使用平穩過程和譜分析來研究信號的特性,以及如何使用各種濾波器來抑製噪聲。我們將討論泊鬆過程在描述脈衝信號或事件觸發的現象中的應用。此外,我們還將涉及可靠性工程中的隨機過程應用,例如分析設備失效的概率,以及排隊論在係統可靠性和性能分析中的應用。 結論 《應用隨機過程》一書旨在為讀者提供一個全麵且實用的隨機過程理論框架,並揭示其在解決現實世界問題中的強大能力。我們相信,通過對書中概念的深入理解和對案例的細緻分析,讀者將能夠更好地應對工作和研究中遇到的不確定性挑戰,從而做齣更明智的決策,並推動各領域的創新與發展。掌握隨機過程的工具,就等於掌握瞭一種解讀和駕馭不確定性的語言,這在當今世界具有不可估量的價值。本書的旅程是理論與實踐相結閤的旅程,希望它能成為您在應用隨機過程領域探索的有力助手。