随机过程题库1

1、随机过程综合练习题一、填空题(每空3分)第一章1 . X1,X2, Xn是独立同分布的随机变量，Xi的特征函数为g(t),则X1 X2Xn的特征函数是。2 . EE(XY) 。3 . X的特征函数为g(t), Y aX b,则Y的特征函数为 。4 .条件期望E(XY)是 的函数， (是or不是)随机变量。5 . X1,X2, Xn是独立同分布的随机变量，Xi的特征函数为gi(t),则X1 X2 Xn的特征函数是 。6 . n维正态分布中各分量的相互独立性和不相关性 。弟早7 .宽平稳过程是指协方差函数只与 有关。8 .在独立重复试验中，若每次试验时事件A发生的概率为 p(0 p 1),以X(n

2、)记进行到n次试验为止A发生的次数，则X(n),n 0,1,2, 是 过程。9 .正交增量过程满足的条件是 10 .正交增量过程的协方差函数 CX(s,t) 。AfV* zzfe弟二早11 . X(t), t > 0为具有参数0的齐次泊松过程，其均值函数为 方差函数为。12 .设到达某路口的绿、黑、灰色的汽车的到达率分别为1， 2， 3且均为泊松过程，它们相互独立，若把这些汽车合并成单个输出过程(假定无长度、无延时)，相邻绿色汽车之间的不同到达时间间隔的概率密度是 ,汽车之间的不同到达时刻间隔的 概率密度是。13 . X(t), t > 0为具有参数0的齐次泊松过程,。n 0,1,

3、P X(t s) X(s) n14.设X(t), t>0是具有参数0的泊松过程，泊松过程第n次到达时间 Wn的数学期望15 .在保险的索赔模型中，设索赔要求以平均2次/月的速率的泊松过程到达保险公司.若每次赔付金额是均值为10000元的正态分布，求一年中保险公司的平均赔付金 额。16 .到达某汽车总站的客车数是一泊松过程， 每辆客车内乘客数是一随机变量. 设各客车内 乘客数独立同分布，且各辆车乘客数与车辆数N(t)相互独立，则在0, t内到达汽车总站的乘客总数是 (复合or非齐次)泊松过程.17 .设顾客以每分钟 2人的速率到达，顾客流为泊松流，求在2min内到达的顾客不超过3人的概率是

4、.第四章18 .无限制随机游动各状态的周期是 。19 .非周期正常返状态称为 。20 .设有独立重复试验序列 X n, n 1。以X n 1记第n次试验时事件 A发生，且PXn 1 p,以Xn 0记第n次试验时事件A不发生，且PXn 0 1 P ,若有nYnXk,n 1,则Yn,n 1是 链。k 1答案一、填空题n1. gn(t);2. EX;3. eibtg(at)4. Y;是 5.gi (t) ；6.等价i 1010. X (min s,t)7 .时间差；8 .独立增量过程;9. E X(t2) X(h) X(t4) X(t3)1e 1tt 0(123)e ( 1 2 3)tt 011 .

5、 t; t ; 12. f (t)1f (t)' 12370 t 00t 013.n!14.15.24000016.复合;71417. e18 2；19遍历状态；20齐次马尔科夫链；二、判断题(每题 2 分)第一章n1 . gi(t)(i1,2, n)是特征函数， gi(t)不是特征函数。()i12 n 维正态分布中各分量的相互独立性和不相关性等价。 ()3 任意随机变量均存在特征函数。()n4 . gi(t)(i1,2, n)是特征函数， gi(t)是特征函数。()i15设X1 ,X2,X3,X4 是零均值的四维高斯分布随机变量，则有E(X1X2X3X4)E(X1X2)E(X3X4)

6、+E(X1X3)E(X2X4)+E(X1X4)E(X2X3) (第二章6 严平稳过程二阶矩不一定存在，因而不一定是宽平稳过程。()7 独立增量过程是马尔科夫过程。()8 维纳过程是平稳独立增量过程。()ATy _*第三章9 非齐次泊松过程是平稳独立增量过程。()第四章10 有限状态空间不可约马氏链的状态均常返。 ()11 有限齐次马尔科夫链的所有非常返状态集不可能是闭集。 ()12有限马尔科夫链，若有状态k 使 lim pi(kn)0 ，则状态 k 即为正常返的。 ()n13 .设i S,若存在正整数n,使得p(n)0, p(in 1)0,则i非周期。()14 有限状态空间马氏链必存在常返状态

7、。 ()15 i 是正常返周期的充要条件是lim pi(in) 不存在。()n16 平稳分布唯一存在的充要条件是：只有一个基本正常返闭集。 ()17有限状态空间马氏链不一定存在常返状态。()18 i 是正常返周期的充要条件是lim pi(in) 存在。()n19 若i j ，则有did j ()20 不可约马氏链或者全为常返态，或者全为非常返态()答案、判断题349810. V11. V12.13. V14. V15. V16. V17. X1819. V 20. V尺Z 第一章1 (10 分)(易)设一(易)设 B(n, p) ，求 X 的特征函数，并利用其求EX 。2 (10 分)(中)利

8、用重复抛掷硬币的试验定义一个随机过程，一(中)利用重复抛掷硬币的试验定义一个随机过程,X(t)cos t, 出现正面2t, 出现反面出现正面和反面的概率相等，求X(t) 的一维分布函数 F (x,1 / 2)和 F (x,1) ， X(t) 的二维分布函数F (x1 , x2;1/2,1) 。3. (10分)一(易)设有随机过程X(t) A Bt,t 0 ,其中A与B是相互独立的随机变量，均服从标准正态分布，求X(t) 的一维和二维分布。第二章4. (10分)一(易)设随机过程X(t)=Vt+b, t(0,+oo), b为常数，V服从正态分布 N(0, 1)的随机变量，求X(t)的均值函数和相

9、关函数。5. (10分)一(易)已知随机过程X(t)的均值函数 mx(t)和协方差函数B x(t1, t2), g(t)为普通函数，令Y(t)= X(t)+ g(t),求随机过程 Y(t)的均值函数和协方差函数。6. (10分)一(中)设X(t),t T是实正交增量过程，T 0, ), X(0) 0,是一服从 标 准 正态 分 布 的 随 机 变 量 ， 若对 任 一 t 0,X(t) 都 与 相 互 独立 ， 求Y(t) X(t) , t 0, ) 的协方差函数。7 ( 10分)(中)设Z(t) X Yt, ，若已知二维随机变量(X ,Y ) 的协2方差矩阵为12 ，求Z（t）的协方差函数。

10、28. （10分）一（难）设有随机过程 X（t）, t T和常数a,试以X（t）的相关函数表示随机过程Y（t） X（t a） X（t）, t T的相关函数。AfV* zzfe弟二早9. （10分）一（易）某商店每日8时开始营业，从8时到11时平均顾客到达率线性增加.在8时顾客平均到达率为 5人/时，11时到达率达到最高峰 20人/时，从11时到13时，平均 顾客到达率维持不变，为 20人/时，从13时到17时，顾客到达率线性下降，到 17时顾客 到达率为12人/时。假定在不相重叠的时间间隔内到达商店的顾客数是相互独立的，问在8:309: 30间无顾客到达商店的概率是多少？在这段时间内到达商店的

11、顾客数学期望是多 少？10. （15分）一（难）设到达某商店的顾客组成强度为的泊松过程，每个顾客购买商品的概率为p,且与其它顾客是否购买商品无关，求（0, t）内无人购买商品的概率。11. （15分）一（难）设X1和X2是分别具有参数1和2的相互独立的泊松过程，证明：Y是具有参数 12的泊松过程。12. （10分）一（中）设移民到某地区定居的户数是一泊松过程，平均每周有2户定居.即2。如果每户的人口数是随机变量，一户四人的概率为1/6, 一户三人的概率为1/3, 一户两人的概率为1/3, 一户一人的概率为1/6,并且每户的人口数是相互独立的，求在五周内 移民到该地区人口的数学期望与方差。k13

12、. （10分）一（难）在时间t内向电话总机呼叫 k次的概率为pt（k） e , k 0,1,2, k!其中 0为常数.如果任意两相邻的时间间隔内的呼叫次数是相互独立的，求在时间2t内呼叫n次的概率P2t（n）14. （10分）一（易）设顾客到某商场的过程是泊松过程，巳知平均每小时有30人到达，求下列事件的概率：两个顾客相继到达的时间间隔超过2 min15. （15分）一（中）设进入中国上空流星的个数是一泊松过程，平均每年为10000个.每个流星能以陨石落于地面的概率为 0.0001 ,求一个月内落于中国地面陨石数 W的EWA varW 和 PW> 2.16. （10分）一（易）通过某十字

13、路口的车流是一泊松过程.设 1min内没有车辆通过的概 率为0.2,求2min内有多于一辆车通过的概率。17. （10分）一（易）设顾客到某商场的过程是泊松过程，巳知平均每小时有30人到达，求下列事件的概率：两个顾客相继到达的时间间隔短于4 min18. （15分）一（中）某刊物邮购部白顾客数是平均速率为6的泊松过程，订阅1年、2年或3年的概率分别为1/2、1/3和1/6,且相互独立.设订一年时，可得 1元手续费；订两年时，可得2元手续费；订三年时，可得3元手续费.以X（t）记在0, t内得到的总手续费，求EX与var X（t）19. （10分）一（易）设顾客到达商场的速率为2个/min,求（

14、1）在5 min内到达顾客数的平均值；（2）在5min内到达顾客数的方差；（3）在5min内至少有一个顾客到达的概率.20. （10分）一（中）设某设备的使用期限为10年，在前5年内平均2.5年需要维修一次，后5年平均2年需维修一次，求在使用期限内只维修过1次的概率.21. （15分）一（难）设 X（t）和丫（t>0）是强度分别为x和y的泊松过程，证明：在 X（t）的任意两个相邻事件之间的时间间隔内，Y（t）恰好有k个事件发生的概率为kXYP 。X Y X Y第四章22. （10分）一（中）已知随机游动的转移概率矩阵为0.5 0.50P 00.5 0.50.500.5求三步转移概率矩阵

15、P（3）及当初始分布为PX01 PX020, PX°3 1时，经三步转移后处于状态3的概率。23. （15分）一（难）将2个红球4个白球任意地分别放入甲、乙两个盒子中，每个盒子放3个，现从每个盒子中各任取一球，交换后放回盒中（甲盒内取出的球放入乙盒中，乙盒内取出的球放入甲盒中），以X（n）表示经过n次交换后甲盒中红球数，则 X（n）, n>0为齐次马尔可夫链，求（1） 一步转移概率矩阵；（2）证明：X（n）, n>0是遍历链；（3）求lim Pj（n）, j 0,1,2。 n24. （10分）一（中）已知本月销售状态的初始分布和转移概率矩阵如下：0.80.10.1PT（0

16、） （0.4,0.2,0.4） P0.10.70.20.20.20.6求下一、二个月的销售状态分布。25 （ 15 分）（难）设马尔可夫链的状态空间I = 1, 2,，7,转移概率矩阵为0.40.10P00000.2 0.10.2 0.200.600.400.2000000.10.2 0.10.4000.60.5 0.300000.1 0.10.1 0.10000000.3 0.70.8 0.2求状态的分类及各常返闭集的平稳分布。26. （15分）一（难）设河流每天的BOD住物耗氧量）浓度为齐次马尔可夫链， 状态空间I=1,2 ， 3 ， 4是按 BOD 浓度为极低，低、中、高分别表示的，其一

17、步转移概率矩阵（以一天为单位）为0.50.40.100.20.50.20.1P0.10.20.60.100.20.40.4 求其平稳分布。若BOD浓度为高，则称河流处于污染状态。（1）证明该链是遍历链； （2）求该链的平稳分布；（3）河流再次达到污染的平均时间4。27 （ 10 分）（易）设马尔可夫链的状态空间I = 0, 1, 2, 3,转移概率矩阵为1/2 1/2001/2 1/200P1/4 1/4 1/4 1/40001求状态空间的分解。28 （ 15 分）（难）设马尔可夫链的状态空间为I = 1, 2, 3, 4.转移概率矩阵为10000100P1/3 2/3 001/4 1/4 0

18、 1/2讨论 lim pi（1n） n29 （ 10 分）（易）设马尔可夫链的转移概率矩阵为1/21/20P1/201/201/21/230 （ 15 分）（难）甲乙两人进行一种比赛，设每局比赛甲胜的概率是p ，乙胜的概率是q,和局的概率为r,且p+q+r=1.设每局比赛胜者记1分，负者记一 1分.和局记零分。当有一人获得2 分时比赛结束以 Xn 表示比赛至n 局时甲获得的分数，则 Xn, n 1是齐次马尔可夫链 （ 1）写出状态空间 I ； （ 2）求出二步转移概率矩阵；（ 3）求甲已获 1 分时，再赛两局可以结束比赛的概率31 （ 10 分）（中）（天气预报问题） 设明天是否有雨仅与今天的

19、天气有关，而与过去的天气无关又设今天下雨而明天也下雨的概率为 ，而今天无雨明天有雨的概率为 ，规定有雨天气为状态0 ，无雨天气为状态l 。因此问题是两个状态的马尔可夫链设0.7,0.4 ，求今天有雨且第四天仍有雨的概率32 （10 分）（中）设Xn, n1 是一个马尔可夫链，其状态空间I=a， b ，c,转移概率矩阵为1/21/41/4P 2/31/33/52/5求（ 1） PX1b, X2 c, X3a, X4 c, X5a, X6c, X 7b|X0c2) PXn 2 c| Xn b33 （ 15 分）（难）设马尔可夫链X n,n0的状态空间I=1,2,，6,转移概率矩阵为0P1/31/3

20、1/3试分解此马尔可夫链并求出各状态的周期。1 解： 引入随机变量X ii (t) EeitX iit 0eqit 1ep1/21/21,2itpe1 分）3 分）分)nX Xi B(n, p)i 1nit( X。 nitXi iitX i , it 、n(t) Ee EeEe (pe q) i 1(0) iEXEX i (0) i (peit q)n t 0 _ / _ _it_ n 1 _ _it -i n(peq) Pe t 0 np(4分)(6分)(10 分)2：解：依题意知硬币出现正反面的概率均为1/21(1) 当t=1/2时，X (1/2)的分布列为 P X(一)02P X(i)1

21、 20x0J 、1 C /其分布函数为F(2；x)2 0x11 x 1同理，当t=1时X (1)的分布列为P X(1)0 x 1 1_其分布函数为F(1;x)-1 x 21 x 2(2) 由于在不同时刻投币是相互独立的，故在P X(1) 2(3分)(5分)t=1/2, t=1时的联合分布列为1 )、F (2,1; Xi, x2)10分)1 1PX(-)0,X(1)1P X(-)0, X(1) 23.解：对于任意固定的tCT, X(t)是正态随机变量，故2 2EX(t) E(A) E(B)t 0DX(t) D(A) D(B)t2 1 t2所以X(t)服从正态分布 N(0,1 t2) (3分)其次

22、任意固定的 t1,t2 T, X(t1 ) A Bt1, X(t2) A Bt2则依 n 维正态随机向量的性质，X (t1 ), X (t2 ) 服从二维正态分布，且EX(t1)EX(t2) 0DX(tJ 1 t"DX(t2)1 t2 ( 8分)Cov(X(t1),X(t2) EX(t1)X(t2)1 t1t221 t11 t1t2所以二维分布是数学期望向量为 ( 0， 0 ) ， 协方差为11 22 的二维正态分布。1 t1t21 t2(10分)4解：X(t) Vt b ， V N (0,1) ，故 X(t) 服从正态分布，E X (t )E Vt btEVb b22D X(t)D

23、 Vt bt2DV t2均值函数为m(t) E X(t) b (4分)相关函数为R(t1 ,t2) EX (t1)X(t1)E Vt1 b Vt2 bE V2t1t2 V(t1 t2)b b211t2b2 (10 分)5 解： mY(t) EY (t) EX(t) g(t) mX (t) g(t) (4 分)BY(t1,t2)RY(t1,t2) mY(t1)mY(t2)EY(t1)Y(t2) mY(t1)mY(t2)EX(t1) g(t1)X(t2) g(t2) mX(t1) g(t1)mX(t2) g(t2)RX (t1 ,t2) mX (t1 )mX (t2)BX (t1 ,t2)10分）

24、6 .解：因为X(t),t T是实正交增量过程，故 EX(t) 0服从标准正态分布，所以E 0, D 1(2分)EY(t)EX(t) E 0 (4 分)又因为t 0, X(t)都与相互独立CovY(s),Y(t) EY(s)Y(t)E X(s) X(t) (6 分)EX(s)X(t)EX(s) EX(t) E 2CovX(s), X(t) 1 (8分)10分)x (min s,t) 17 .解：利用数学期望的性质可得，CZ(s,t)E (XYs)( xyS) (XYt)( xYt) (2 分)E (X x) (YsyS) (X x) (YtYt)2E(X x) E(X x)t(Y y) _2E

25、(X x)S(Y y) Est(Y y) (8分)DX (s t)Cov(X,Y) stDY2.21 (s t) st 2 (10分)8 .解：RY(L,t2) EX(t1 a) X(3)X(t2 a) X(tz) (2 分)EX(t1 a)X(t2a) EX(t a)X(tz) EX(t)X(t2 a) EX(3 )X(t2)Rx(t1a, t2 a)Rx (3a, t2)Rx(t1，t2 a)Rx(t1，t2) (10 分)9 .解：根据题意知顾客的到达率为5 5t0t3(3分)(t)203t520 2(t5)5t91.5mx(1.5) mx(0.5)(5 5t)dt 10 ( 6 分)0

26、.5PX(1.5) X(0.5) 0 e10(10 分)10.解：设X(t),t 0表示到达商店的顾客数，i表示第i个顾客购物与否，即1第i个顾客购物0第i个顾客不购物则由题意知i独立同分布.且与X(t)独立X(t)因此，Y(t)由题意求PY(t)分)P( i1)P,P(i 0)1 Pi是复合泊松过程,表本(0，t)内购买商品的顾客数,5分)0X(t)P ii 1X(t)11.证明： PY(tPX1(tPX1(tnPX1(t i 0nPX1(t i 0(1 )i e i!e ( 12)e故Y(t)是具有参数10, X(t) kP X(t)k 0(10 分)(t)k t e0 k!Y(t)qt)

27、k k!nqtpt15X2(tX1(t)X1)X2(t)nX2(tX1(t)X1(t)2 )n i(n i)!62) n n!2的泊松过程X2(t)ni,iX2(tPX2(tn 0,1,2X2(t) n i)X2(t) n i(5分)(10 分)(15 分)12.解：设N(t)为在时间0, t内的移民户数，其是强度为2的泊松过程，Yi表示每户的N (t)人数，则在0, t内的移民人数 X(t)Yi是一个复合泊松过程。i 1分)15EYi石243EYiT(4分)mx(5)EN(5)15EY12 5 625(7分)x(5) DN (5) EY12c l 432152 5 63(10 分)13 .解

28、：以A记时间2t内呼叫n次的事件，记第一时间间隔内呼叫为 Hk,则P(Hk)Pt(k),第二时间间隔内P(A|H。 Pt(n k)成立，于nP2t(n)Pt(k)Pt(n k)k 0k 0 k!n ke(n k)!(4分)分)2 n nen!n! k 0 k!(n k)!2 en!nCkC nk 0(8分)n!1014 .解：由题意，顾客到达数N(t)是强度为的泊松过程，则顾客到达的时间间隔Xn,n 1Yi是独立同分布的随机变量，其分布为Yi1234P11116336服从参数为 的指数分布,fX(x)30e 30x(4分)PX 2 30e60 而30 x , dx10分)分)15 .解：设X(

29、t)是t年进入中国上空的流星数， X(t)为参数10000的齐次泊松过程1,第i个流星落于地面0,第i个流星不落于地面1,2,0 即Yi 0.99990.0001X(t)5分)由题意知，WYi是一个复合泊松过程i 111EW EX(t) EY 10000 0.0001 一12122121VarW VarX(t) EY1210000 12 0.00011212(10 分)W是参数为 p 1的泊松过程PW 2 1 PW 1 1 PW0 PW 1/ 1 0/ 1 1()2()221d 12121212 d 12112(151 e 12 e e 12 1 e 12 e 120!1!12分)16 .解：

30、 以N(t)表示在0,t)内通过的车辆数，设N(t),t 0是泊松过程，则PN(t) k工tk!k 0,1,2,分)分)分)PN 0 e 0.2PN(2) 11 PN(2) 117.解：由题意，顾客到达数N(t)是强度为ln 51 PN(2) 0 PN(2) 1242一ln525 2510的泊松过程，则顾客到达的时间间隔Xn,n 1服从参数为 的指数分布,fX(x)30e 30x x 00x 0(4分)4PX 60460 30e 30xdx 1 e 201018.解:设Z为在0, t内来到的顾客数，Z(t)为参数6的齐次泊松过程,Yi是每个顾客订阅年限的概率分布，且Yi独立同分布,由题意知,X

31、(t)Z(t)Yi 为0i 1t内得到的总手续费，是一个复合泊松过程(5分)19.解:时,20.EYiEY；EX(t)12 1210622322068分)EZ(t)EYi6t10610tVarX (t)VarZ(t)EY6t20一 20t6(15 分)N表示在0, t)内到达的顾客数，显然 N (t), t>0是泊松过程,2,则当t=2N (5)服从泊松过程(2 5)k 2PN(5) k -ek!故 EN(5) 10; DN(5)10PN(5) 1 1 PN(5)5, k0,1,2,(5分)0 1io e(10 分)解：因为维修次数与使用时间有关，所以该过程是非齐次泊松过程，强度函数1/

32、2.5 01/2 5t 1010则(10)0(t)dt5 1 dt0 2.5io1dt 24.56分)PN (10)N(0)/、4.51 e4.5!1!10分)21.证明：设X (t)的两个相邻事件的时间间隔为,依独立性有(2分)(v )kPY(t )Y(t) k ke Y而X (t)的不同到达时刻的概率密度函数为由于X (t)22.解:P(3)fX()是泊松过程,P3P3Xe X0故 Y (t)(Y )1 k!kX Yk-eothers(4分)恰好有k个事件发生的概率为k!0.50.50.50.50.50.50.50.50.250.50.50.3750.375P3 P3310.3750.37

33、50.250.3750.3750.250.25 0.25X yk!丁 rxyp0.50.5(8分)10分)0.50.50.50.50.50.56分)10分)23.解：由题意知，甲盒中的球共有3种状态,X(n)表示用盒中的红球数甲盒乙盒22红、1白3白11红、2白1红、2白03白2红、1白P00P 甲乙互换一球后甲盒仍有3个白球|甲盒有3个白球二P从乙盒放入甲盒的一球是白球=1/3Poi P 甲乙互换一球后甲盒有 2个白球1个红球|甲盒有3个白球二P从乙盒放入甲盒白 一球是红球=2/3P02 P 甲乙互换一球后甲盒有1个白球2个红球|甲盒有3个白球=01/32/3以此类推，一步转移概率矩阵为P

34、2/95/92/9(8分)2/31/3(2)因为各状态互通，所以为不可约有限马氏链，且状态0无周期，故马氏链为遍历链。(10 分)(3)1,2)解方程组13分)解得0limn(n)Pi01 5,limn(n)Pi1limn(n) Pi2(15 分)24.解:0.80.10.1PTPT(0)P(0.4,0.2, 0.4)0.10.70.2(0.42,0.26,0.32)分)0.20.20.60.80.10.10.80.10.1PT(2)PT(0)P2(0.4,0.2, 0.4)0.10.20.70.20.20.60.10.70.20.20.20.6(0.426,0.288,0.286)(10 分

35、)25.解：N 1,2是非常返集，Ci 3,4,5, C2 6,7是正常返闭集。5分)1故状态01是常返态。(8分)0.60.4常返闭集C1(3,4,5上的转移矩阵为0.40.60.20.50.3解方程组35),解得 3 , 423723,6523Ci上的平稳分布为10 7(0,0，函，前 ,0,0 23(10 分)同理解得C2上的平稳分布为0, 0, 0, 0, 0,81515分)26.解：(1)因为1又因为状态234,故马氏链不可约,1非周期，故马氏链是遍历链5分)(2)解方程组其中 (解得0.2112,0.3028,0.3236,0.104410分)(3)1-9(天)4(15 分)27.解：状态传递图如下图2分)由状态3不可能到达任何其它状态，所以是常返态.由状态2可到达0, 1, 3三个状态，但从0,1, 3三个状态都不能到达状态2,且(n)f 22n 1f2201 1 ,故状态2是非常返状态。4(5分)状态0, 1互通且构成一个基本常返闭集,(n)(1)(2)(3)f 00 f 00 f 00 f 00n 111111于是状态空间分解为I 2 0,1 3（10 分）28.解：状态传递图如下图状态1和状态2都是吸收态.都是正常返非周期的基本常返闭集，而（5 分）N=3, 4