У теорії ймовірностей та статистиці для заданого стохастичного процесу автоковаріа́ція () — це функція, яка дає коваріацію цього процесу із самим собою в парах моментів часу. Автоковаріація процесу тісно пов'язана з його автокореляцією.

Автоковаріація стохастичних процесів

Визначення

За звичайного позначення для оператора математичного сподівання, якщо стохастичний процес має функцію середнього значення , то автоковаріацію визначають як

де та  — два моменти часу.

Визначення для слабко стаціонарного процесу

Якщо  — слабко стаціонарний процес, то має місце наступне:

для всіх

і

для всіх

і

де  — запізнювання в часі (), або кількість часу, на яку було зміщено сигнал.

Таким чином, автоковаріаційна функція слабко стаціонарного процесу задається як

що рівнозначне

.

Унормовування

Поширеною практикою в деяких дисциплінах (наприклад, у статистиці та аналізі часових рядів) є унормовувати автоковаріаційну функцію, щоб отримувати залежний від часу коефіцієнт кореляції Пірсона. Проте в деяких інших дисциплінах (наприклад, в інженерії) унормовування зазвичай пропускають, а терміни «автокореляція» та «автоковаріація» використовують як взаємозамінні.

Визначення нормованої автокореляції стохастичного процесу:

.

Якщо функція однозначно визначена, її значення мусять лежати в діапазоні , причому 1 вказує на ідеальну кореляцію, а −1 — на ідеальну антикореляцію.

Для слабко стаціонарного процесу визначення таке:

.

де

.

Властивості

Властивість симетрії

Kun Il Park, Fundamentals of Probability and Stochastic Processes with Applications to Communications, Springer, 2018, 978-3-319-68074-3

відповідно, для слабко стаціонарного процесу:

Лінійні фільтри

Автоковаріацією процесу з лінійним фільтром

є

Обчислення турбулентної дифузійності

Автоковаріацію можливо використовувати для обчислення турбулентної дифузійності. Турбулентність у потоці може спричинювати флуктуації швидкості в просторі й часі. Таким чином, ми можемо визначати турбулентність за допомогою статистики цих флуктуацій.

Для визначання флуктуацій швидкості використовують (припустімо, що ми зараз працюємо з одновимірною задачею, й  — швидкість уздовж напрямку ):

де  — істинна швидкість, а  — . Якщо ми оберемо правильне , то всі стохастичні складові турбулентної швидкості буде включено до . Щоби визначити , необхідний набір вимірювань швидкості, зібраних із точок у просторі, моментів часу, або повторюваних експериментів.

Якщо ми припускаємо, що турбулентний потік (, а c — член концентрації) може бути викликано випадковим блуканням, то для вираження члену турбулентного потоку ми можемо використовувати закони дифузії Фіка:

Автоковаріація швидкості визначається як

або

де  — часове, а  — просторове відставання.

Турбулентну дифузійність можливо обчислювати за допомогою наступних 3 методів:

Автоковаріація випадкових векторів

Див. також Авторегресійний процес Кореляція Взаємна коваріація Взаємна кореляція Оцінювання коваріацій шумів (як приклад застосування)

Примітки

Література

Конспект лекції з автоковаріації ВГОІ