Факторная мера момента - Википедия - Factorial moment measure

В вероятность и статистика, а факторная мера момента это математический количество, функция или, точнее, мера что определено в отношении математические объекты известный как точечные процессы, которые являются типами случайные процессы часто используется как математические модели физических явлений, представимых как случайно расположен точки в время, Космос или оба. Моментные меры обобщают идею факториальные моменты, которые полезны для изучения неотрицательный целое число -значен случайные переменные.^[1]

Первая факторная моментная мера точечного процесса совпадает с его мера первого момента или же мера интенсивности,^[2] что дает ожидал или же средний количество точек точечного процесса, расположенных в некоторой области пространства. В общем случае, если количество точек в некоторой области рассматривается как случайная величина, то факторная мера момента этой области является факториальным моментом этой случайной величины.^[3] Факторные измерения момента полностью характеризуют широкий класс точечных процессов, что означает, что их можно использовать для однозначной идентификации точечных процессов.

Если факторная мера момента равна абсолютно непрерывный, то относительно Мера Лебега говорят, что у него плотность (который является обобщенной формой производная ), и эта плотность известна под рядом названий, таких как факторная плотность момента и плотность продукта, а также плотность совпадений,^[1] совместная интенсивность^[4], корреляционная функция или же многомерный частотный спектр^[5] Первая и вторая факторные плотности моментов точечного процесса используются в определении парная корреляционная функция, что дает возможность статистически количественно оценить силу взаимодействия или корреляция между точками точечного процесса.^[6]

Факторные измерения моментов служат полезными инструментами при изучении точечных процессов.^[1]^[6]^[7] а также связанные области стохастическая геометрия^[3] и пространственная статистика,^[6]^[8] которые применяются в различных научный и инженерное дело дисциплины, такие как биология, геология, физика, и телекоммуникации.^[1]^[3]^[9]

Обозначение точечного процесса

Точечные процессы - это математические объекты, которые определены на некоторых базовых математическое пространство. Поскольку эти процессы часто используются для представления совокупностей точек, случайно разбросанных в пространстве, времени или и в том, и в другом, базовое пространство обычно d-размерный Евклидово пространство обозначается здесь как р^d, но их можно определить подробнее Абстрактные математические пространства.^[7]

Точечные процессы имеют множество интерпретаций, что отражается в различных типах обозначение точечного процесса.^[3]^[9] Например, если точка ${ displaystyle textstyle x}$ принадлежит или является членом точечного процесса, обозначенного N, то это можно записать как:^[3]

{ displaystyle textstyle x in {N},}

и представляет точечный процесс, интерпретируемый как случайный набор. В качестве альтернативы, количество точек N расположен в некоторых Набор Бореля B часто записывается как:^[2]^[3]^[8]

{ displaystyle textstyle {N} (B),}

что отражает случайная мера интерпретация точечных процессов. Эти два обозначения часто используются параллельно или взаимозаменяемо.^[3]^[8]^[2]

Определения

п th факторная мощность точечного процесса

Для некоторых положительных целое число ${ Displaystyle textstyle п = 1,2, ldots}$ , то ${ displaystyle textstyle n}$ -я факторная мощность точечного процесса ${ displaystyle textstyle {N}}$ на ${ displaystyle textstyle { textbf {R}} ^ {d}}$ определяется как:^[2]

{ Displaystyle {N} ^ {(n)} (B_ {1} times cdots times B_ {n}) = sum _ {(x_ {1} neq dots neq x_ {n}) в {N}} prod _ {i = 1} ^ {n} mathbf {1} _ {B_ {i}} (x_ {i})}

куда ${ displaystyle textstyle B_ {1}, ..., B_ {n}}$ это набор не обязательно непересекающийся Борель наступает ${ displaystyle textstyle { textbf {R}} ^ {d}}$ , которые образуют ${ displaystyle textstyle n}$ -складывать Декартово произведение наборов, обозначаемых:

{ displaystyle B_ {1} times cdots times B_ {n}.}

Символ ${ displaystyle textstyle mathbf {1}}$ обозначает индикаторная функция такой, что ${ displaystyle textstyle mathbf {1} _ {B_ {1}}}$ это Мера Дирака для набора ${ displaystyle textstyle B_ {n}}$ . В суммирование в приведенном выше выражении выполняется по всем ${ displaystyle textstyle n}$ -кортежи различных точек, в том числе перестановки, что можно противопоставить определению п-я степень точечного процесса. Символ ${ displaystyle textstyle Pi}$ обозначает умножение в то время как существование различных обозначение точечного процесса означает, что п-я факторная мощность точечного процесса иногда определяется с использованием других обозначений.^[2]

п мера факторного момента

В п мера факторного момента или п Мера факторного момента-го порядка определяется как:

{ Displaystyle M ^ {(n)} (B_ {1} times cdots times B_ {n}) = E [{N} ^ {(n)} (B_ {1} times cdots times B_ {n})],}

где E обозначает ожидание (оператор ) точечного процесса N. Другими словами, п-й факторной мерой момента является математическое ожидание п th факториальная мощность некоторого точечного процесса.

В п мера факторного момента точечного процесса N эквивалентно определено^[3] к:

{ displaystyle int _ { textbf {R}} ^ {nd}} f (x_ {1}, ldots, x_ {n}) M ^ {(n)} (dx_ {1}, ldots, dx_ {n}) = E left [ sum _ {(x_ {1} neq cdots neq x_ {n}) in {N}} f (x_ {1}, ldots, x_ {n}) )верно],}

куда ${ displaystyle f}$ любой неотрицательный измеримая функция на ${ displaystyle { textbf {R}} ^ {nd}}$ , и суммирование ведется по всем ${ displaystyle n}$ наборы различных точек, включая перестановки. Следовательно, факторная мера момента определяется таким образом, что в наборе произведения нет точек, повторяющихся, в отличие от меры момента.^[7]

Мера первого факториального момента

Первая факторная мера момента ${ displaystyle textstyle M ^ {1}}$ совпадает с мера первого момента:^[2]

{ Displaystyle M ^ {(1)} (B) = M ^ {1} (B) = E [{N} (B)],}

куда ${ displaystyle textstyle M ^ {1}}$ известен, среди прочего, как мера интенсивности^[3] или же средняя мера,^[10] и интерпретируется как ожидаемое количество баллов ${ displaystyle textstyle {N}}$ найдено или находится в наборе ${ displaystyle textstyle B}$

Второй факторный момент измерения

Вторая факторная моментная мера для двух борелевских множеств ${ displaystyle textstyle A}$ и ${ displaystyle textstyle B}$ является:

{ Displaystyle M ^ {(2)} (A times B) = M ^ {2} (A times B) -M ^ {1} (A cap B).}

Объяснение имени

Для некоторого набора Бореля ${ displaystyle textstyle B}$ , тезка этой меры раскрывается, когда ${ Displaystyle textstyle п ,}$ мера факторного момента сводится к:

{ Displaystyle M ^ {(n)} (B times cdots times B) = E [{N} (B) ({N} (B) -1) cdots ({N} (B) -n +1)],}

какой ${ Displaystyle textstyle п ,}$ -й факторный момент случайной величины ${ displaystyle textstyle {N} (B)}$ .^[3]

Факторная плотность момента

Если факторная мера момента равна абсолютно непрерывный, то он имеет плотность (точнее, Производная Радона – Никодима или плотности) относительно Мера Лебега и эта плотность известна как факторная плотность момента или же плотность продукта, совместная интенсивность, корреляционная функция, или же многомерный частотный спектр. Обозначая ${ displaystyle textstyle n}$ -й факторной плотности момента на ${ displaystyle textstyle mu ^ {(n)} (x_ {1}, ldots, x_ {n})}$ , он определяется по уравнению:^[3]

{ Displaystyle M ^ {(n)} (B_ {1} times ldots times B_ {n}) = int _ {B_ {1}} cdots int _ {B_ {n}} mu ^ {(n)} (x_ {1}, ldots, x_ {n}) dx_ {1} cdots dx_ {n}.}

Кроме того, это означает следующее выражение

{ displaystyle E left [ sum _ {(x_ {1} neq cdots neq x_ {n}) in {N}} f (x_ {1}, ldots, x_ {n}) right ] = int _ {{ textbf {R}} ^ {nd}} f (x_ {1}, ldots, x_ {n}) mu ^ {(n)} (x_ {1}, ldots, x_ {n}) dx_ {1} cdots dx_ {n},}

куда ${ displaystyle textstyle f}$ любой неотрицательный ограниченный измеримая функция, определенная на ${ displaystyle textstyle { textbf {R}} ^ {n}}$ .

Парная корреляционная функция

В пространственной статистике и стохастической геометрии для измерения статистических корреляция отношения между точками точечного процесса, парная корреляционная функция точечного процесса ${ displaystyle {N}}$ определяется как:^[3]^[6]

{ displaystyle rho (x_ {1}, x_ {2}) = { frac { mu ^ {(2)} (x_ {1}, x_ {2})} { mu ^ {(1)} (x_ {1}) mu ^ {(1)} (x_ {2})}},}

где точки ${ displaystyle x_ {1}, x_ {2} in R ^ {d}}$ . В целом, ${ displaystyle rho (x_ {1}, x_ {2}) geq 0}$ в то время как ${ displaystyle rho (x_ {1}, x_ {2}) = 1}$ соответствует отсутствию корреляции (между точками) в типичном статистическом смысле.^[6]

Примеры

Точечный процесс Пуассона

Для общий точечный процесс Пуассона с мерой интенсивности ${ displaystyle textstyle Lambda}$ в ${ displaystyle textstyle n}$ -я факторная мера момента определяется выражением:^[3]

{ Displaystyle M ^ {(n)} (B_ {1} times cdots times B_ {n}) = prod _ {i = 1} ^ {n} [ Lambda (B_ {i})], }

куда ${ displaystyle textstyle Lambda}$ является мерой интенсивности или мерой первого момента ${ displaystyle textstyle {N}}$ , что для некоторого борелевского множества ${ displaystyle textstyle B}$ дан кем-то:

{ displaystyle Lambda (B) = M ^ {1} (B) = E [{N} (B)].}

Для однородный точечный процесс Пуассона в ${ displaystyle textstyle n}$ -й факторный момент мера просто:^[2]

{ Displaystyle M ^ {(n)} (B_ {1} times cdots times B_ {n}) = lambda ^ {n} prod _ {i = 1} ^ {n} | B_ {i} |,}

куда ${ displaystyle textstyle | B_ {i} |}$ длина, площадь или объем (или, в более общем смысле, Мера Лебега ) из ${ displaystyle textstyle B_ {i}}$ . Кроме того, ${ displaystyle textstyle n}$ -й факторной плотности момента:^[3]

{ displaystyle mu ^ {(n)} (x_ {1}, ldots, x_ {n}) = lambda ^ {n}.}

Парная корреляционная функция однородного точечного процесса Пуассона просто

{ displaystyle rho (x_ {1}, x_ {2}) = 1,}

что отражает отсутствие взаимодействия между точками этого точечного процесса.

Факторное расширение момента

Ожидания генерального функционалы простых точечных процессов, при определенных математических условиях, имеют (возможно, бесконечные) разложения или серии состоящий из соответствующих факторных моментных мер.^[11]^[12] По сравнению с Серия Тейлор, который состоит из серии производные какой-то функции пмера факторного момента играет роль п -я производная ряда Тейлора. Другими словами, учитывая общий функционал ж некоторого простого точечного процесса, то это Теорема Тейлора для непуассоновских точечных процессов означает, что существует разложение для математического ожидания функции E, при выполнении некоторого математического условия, обеспечивающего сходимость разложения.