Um processo aleatório é uma coleção de variáveis aleatórias, uma para cada instante em consideração. Normalmente, isso pode ser tempo contínuo ( ) ou tempo discreto (todos os números inteiros , ou todos os instantes de tempo onde é o intervalo da amostra). −∞<t<∞nnTT
- A estacionariedade refere-se às distribuições das variáveis aleatórias. Especificamente, em um processo estacionário, todas as variáveis aleatórias têm a mesma função de distribuição e, de maneira mais geral, para todo número inteiro positivo e instantes de tempo , a distribuição conjunta das variáveis aleatórias é igual à distribuição conjunta de . Ou seja, se mudarmos todos os instantes de tempo por , a descrição estatística do processo não muda: o processo é estacionárionnt1,t2,…,tn n X ( t 1 ) , X ( t 2 ) , ⋯ , X ( t n ) X ( t 1 + τ ) , X ( t 2 + τ ) , ⋯ , X ( t n + τ ) τnX(t1),X(t2),⋯,X(tn)X(t1+τ),X(t2+τ),⋯,X(tn+τ)τ.
- A ergodicidade, por outro lado, não analisa as propriedades estatísticas das variáveis aleatórias, mas os caminhos da amostra , ou seja, o que você observa fisicamente. Voltando às variáveis aleatórias, lembre-se de que variáveis aleatórias são mapeamentos de um espaço de amostra para os números reais; cada resultado é mapeado em um número real, e variáveis aleatórias diferentes normalmente mapeiam qualquer resultado para números diferentes. Então, imagine que um pouco mais alto, como foi realizado, o experimento que resultou em um resultado no espaço da amostra, e esse resultado foi mapeado em números reais (normalmente diferentes) por todas as variáveis aleatórias no processo: especificamente, o aleatório A variável mapeouωX(t)ωpara um número real, denotaremos como . Os números , considerados como forma de onda, são o caminho da amostra correspondente a , e diferentes resultados nos fornecerão diferentes caminhos da amostra. A ergodicidade então lida com as propriedades dos caminhos da amostra e como essas propriedades se relacionam com as propriedades das variáveis aleatórias que compõem o processo aleatório.x(t)x ( t ) ω x(t)ω
Agora, para um caminho de amostra de um processo estacionário , podemos calcular a média de tempo mas, o que tem a ver com , a média do processo aleatório? (Observe que não importa qual valor de usamos; todas as variáveis aleatórias têm a mesma distribuição e, portanto, a mesma média (se a média existir)). Como o OP diz, o valor médio ou o componente DC de um caminho de amostra converge para o valor médio do processo se o caminho da amostra for observado por tempo suficiente, desde que o processo seja ergódicox(t)ˉ x = 1
x¯=12T∫T−Tx(t)dt
x¯μ=E[X(t)]te estacionário, etc. Ou seja, a ergodicidade é o que nos permite conectar os resultados dos dois cálculos e afirmar que
é igual a Um processo para o qual essa igualdade se mantém é considerado ergódico e um processo é ergódico se sua função de autocovariância tiver a propriedade:
limT→∞x¯=limT→∞12T∫T−Tx(t)dt
μ=E[X(t)]=∫∞−∞ufX(u)du.
C X ( τ ) lim T → ∞ 1CX(τ)limT→∞12T∫T−TCX(τ)dτ=0.
Assim, nem todos os processos estacionários precisam ser ergódicos. Mas existem outras formas de ergodicidade também. Por exemplo, para um processo autocovariância-ergódico , a função de autocovariância de um segmento finito (digamos, para do caminho da amostra converge para a função de autocovariância do processo como . Uma declaração geral de que um processo é ergódico pode significar qualquer uma das várias formas ou um formato específico; não se pode dizer,t∈(−T,T)x(t)CX(τ)T→∞
Como exemplo da diferença entre os dois conceitos, suponha que para todos os em consideração. Aqui é uma variável aleatória. Este é um processo estacionário: cada tem a mesma distribuição (a distribuição de ), a mesma média
, a mesma variação etc .; cada e têm a mesma distribuição conjunta (embora degenerada) e assim por diante. Mas o processo não é
ergódico porque cada caminho de amostra é uma constante . Especificamente, se um teste do experimento (realizado por você ou por um ser superior) resultar emX(t)=YtYX(t)YE[X(t)]=E[Y]X(t1)X(t2)Y tendo o valor , o caminho da amostra do processo aleatório que corresponde a esse resultado experimental possui o valor para todos os , e o valor DC do caminho da amostra é , não , não importa quanto tempo você observe o caminho da amostra (bastante chato). Em um universo paralelo, o teste resultaria em e o caminho da amostra nesse universo teria valor para todos os . Não é fácil escrever especificações matemáticas para excluir essas trivialidades da classe de processos estacionários e, portanto, este é um exemplo muito mínimo de um processo aleatório estacionário que não é ergódico.ααtαE[X(t)]=E[Y]Y=ββt
Pode haver um processo aleatório que não é estacionário, mas é ergódico? Bem, N0 , não se por ergódico queremos dizer ergódico de todas as maneiras possíveis: por exemplo, se medirmos a fração de tempo durante a qual um segmento longo do caminho da amostra tem valor no máximo , essa é uma boa estimativa de , o valor do CDF (comum) dos em se o processo for semelhante ao ser ergódico em relação às funções de distribuição. Mas , nós pode ter processos aleatórios que sãox(t)αP(X(t)≤α)=FX(α)FXX(t)αnão estacionário, mas ainda assim é -ergódico médio e autocovariância -ergódico. Por exemplo, considere o processo
que assume quatro valores igualmente prováveis e . Observe que cada é uma variável aleatória discreta que, em geral, assume quatro valores igualmente prováveis e , É fácil ver que, em geral, e{X(t):X(t)=cos(t+Θ),−∞<t<∞}Θ0,π/2,π3π/2X(t)cos(t),cos(t+π/2)=−sin(t),cos(t+π)=−cos(t)cos(t+3π/2)=sin(t)X(t)X(s)têm distribuições diferentes e, portanto, o processo nem sequer é estacionário de primeira ordem. Por outro lado,
para cada enquanto
Em suma, o processo tem média zero e sua função de autocorrelação (e autocovariância) depende apenas da diferença de tempo e, portanto, o processo éE[X(t)]=14cos(t)+14(−sin(t))+14(−cos(t))+14sin(t)=0
tE[X(t)X(s)]=14[cos(t)cos(s)+(−cos(t))(−cos(s))+sin(t)sin(s)+(−sin(t))(−sin(s))]=12[cos(t)cos(s)+sin(t)sin(s)]=12cos(t−s).
t−ssenso amplo estacionário. Mas não é estacionário de primeira ordem e, portanto, também não pode ser estacionário para ordens superiores. Agora, quando o experimento é realizado e o valor de é conhecido, obtemos a função de amostra que claramente deve ser uma das e que possuem o valor DC que é igual a e cuja função de autocorrelação é , igual a , e, portanto, esse processo é ergódico e ergódico de autocorrelação mesmo que não seja estacionário. Para finalizar, observo que o processo não é ergódico com relação à função de distribuiçãoΘ±cos(t)±sin(t)0012cos(τ)RX(τ)isto é, não se pode dizer que seja ergódico em todos os aspectos.