相关分析及其原理(全)

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相关原理
一、两个随机变量的相关系数
通常,两个变量之间若存在一一对应的确定关系,则称两者存在着函数关系。当两个随机变量之间具有某种关系时,随着某一变量数值的确定,另一却可能取许多不同的值,但取值有一定的概率统计规律,这时称两个随机变量存在着相关关系。
下图表示由两个随机变量xy组成的数据点的分布情况。左图中个点分布很散,可以说变量x和变量y之间是无关的。
右图中xy虽无确定关系,但从统计结果、从总体看,大体上具有某种程度上的线性关系,因此说他们之间有着相关关系。
变量xy之间的相关程度常用相关系数ρxy表示

ρxy=
E[(x−μx(y−μy]
ςxςy

式中E-------数学期望;
μx-------随机变量x的均值,μx=E[x]μy-------随机变量y的均值,μx=E[y]ςxςy-------随机变量xy的标准差ςx2=E[(xμx2]ςy2=E[(y−μy2]利用柯西-许瓦兹不定式
故知|ρxy1。当数据点分布愈接近于一条直线时,ρxy的绝对值愈接近1x,y的线性关系度愈好,ρxy的正负号则是表示一变量随另一变量的增加而增或减。当ρxy接近于零,则可认为x,y两变量之间完全无关,但仍可能存在着某种非线性的相关关系甚至函数关系。
E[(xμx(y−μy]2E[(xμx2]E[(y−μy2]
二、信号的自相关函数
假如xt)是某各态历经随机过程的一个样本记录,xt+τ)是xt)时移τ后的样本,在任何t=ti时刻,从两个样本上分别得到两个值x(tix(ti+τ,而且xt)和xt+τ)具有相同的均值和标准差。例如把ρxtxt+τ简写成ρx(τ,那么有,

ρx(τ=
将分子展开并注意到limT→∞
xt−μx[xt+τ−μx]dtlimT→∞T0
ςx2
1T

T
xtdt=μxT011
T
limT→∞xt+τdt=μxT0
从而得
ρx(τ=
limT→∞xtxt+τdt−μx2
0T
ςx21
T
1
T

对各态历经随机信号及功率信号可定义自相关函数RX(τRX(τ=limT→∞
ρx(τ=
RXτςx2
RXτ−μx2
ςx2
xtxt+τdtT0
显然ρx(τRX(τ均随τ而变化,而两者成线性关系。如果该随机过程的均值μx=0,则
ρx(τ=

可得RX(τ=ρx(τςx2+μx2
自相关函数具有下列性质:1ρx(τ=
RXτ−μx2
ςx
2
又因为ρxy1,所以μx2ςx2RXτμx2+ςx2
2)自相关函数在τ=0时为最大值,并等于该随机信号的均方值φx2RX(0=limT→∞
2xtxtdt=φxT0
1T
证明:任何正函数的数学期望恒为非负值,即E{[Xt±Xt+τ]2}0
E{X2t±2XtXt+τ+X2t+τ}0
E[X2t]=E[X2t+τ]=RX(0带入前式可得2RX(0±2RX(τ0于是RX(0RX(τ
需要注意的是
因为RX(0RX(τ,所以并不排除在其他τ0的地方RX(τ也有可能出现同样的最大值。
例如:随机相位正弦函数xt=x0sin(ω0t+φ的自相关函数RX(τ=τ=
2nπω0
x022
cosω0τ
x022
,n=0,±1,±2,时,均出现最大值


取随机相位正弦波为xt=4sin(t+
2
π
其中是在(0,2π均匀分布的的随机变量。求自相关函数:
RX(t1t2=E[Xt1Xt2]=E[4sin(2t1+4sin(2t2+]=16E[sin(2t1+sin(2t2+]=160sin(2t1+sin(2t2+2πd
=[cos2(t1t2cos(2(t1+t2+2]π0
4
2π2π
ππ
ππ
ππ1
ππ
=8cos2(t1t2

symst1t2ky1=4*sin((pi/2*t1+k;y2=4*sin((pi/2*t2+k;y=y1*y2;R=1/(2*pi*int(y,k,0,2*pi;ezmeshc(R

π


3)当τ足够大或τ时,随机变量xt)和xt+τ之间不存在内在联系,彼此无关,故
ρτ0ρXτR2XX
τ
τ
4)自相关函数为偶函数,即

RX(τ=RX(−τ
证明:RX(τ=E[XtXt+τ]=E[Xt+τXt]=RX(−τ

5)周期函数的自相关函数仍为同频率的周期函数,其幅值与原周期信号的幅值有关,而丢失了原信号的相位信息。

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/462e7762c950ad02de80d4d8d15abe23482f03e6.html

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