随机过程(7):高斯过程(3): 高斯与非线性
我们已经深入研究了高斯分布的线性性 (linearity)。这个性质指出,当一个高斯变量
考虑高斯过程
下面我们对几种非线性的情况进行讨论研究。
一、常见的非线性系统
1.1. 平方
考虑
显然,由于
1.1.1. 均值
由于
1.1.2. 相关函数
这里,我们需要用到需要用到特征函数来帮助来帮助我们计算上面这个高阶矩。我们这里介绍一个一般性的结论。
考虑任意的
则我们有如下重要结论:
这个式子虽然看起来复杂,但实际上很好理解。考虑到
然后,我们令
回到我们的问题上。前面我们已经推导了
在我们的问题上,我们需要考虑
代入公式 (4),我们可以得到:
Note:
现在我们终于可以计算平方系统输出的相关函数了。
1.2. 硬限幅器
考虑均值为 0 的高斯过程
1.2.1. 均值
显然,我们有
1.2.2. 相关函数
我们来研究一下限幅器输出的相关函数。根据定义,
因此,我们需要求一个二维(均值为 0 的)高斯变量大于 0 的概率。其中,变量的密度函数为:
我们要求
这个积分的过程比较繁琐但难度不高,总的来说就是不断地使用积分换元。我们在附录2中给出了详细的积分过程。最终的结果为:
公式 (15) 在概率论中称为反正弦率 (Arcsin Law)。通过画出概率密度的等高线图,我们可以一目了然地看出这个结论。

二元高斯分布的等高线图是一个椭圆,而相关系数
- 当
时,两个随机变量独立,椭圆的长轴落在坐标轴上,此时面积 。 - 当
时,椭圆的长轴位于一三象限,此时面积 。 - 当
时,椭圆的长轴位于二四象限,此时面积 。
因此,我们就得出了硬限幅器输出的相关函数
注意到,相关系数的定义为:
因此,对于宽平稳随机过程来说,我们有:
1.3. 指数/三角函数族
对于指数和三角函数族,我们可以利用特征函数简单地求解。
事实上,
回顾
当
代入
因此,
对于三角函数族的非线性系统,我们都可以通过欧拉公式将其全部转为指数函数来求解。
二、Price Theorem
通过上面的内容,我们能够感受到求解非线性问题的困难。即使这是一个简单的非线性函数(如平方函数、符号函数),我们都需要非常大的功夫来了解其输出的性质。
在这里,我们介绍 Price Theorem,它可以帮助我们更好地处理非线性的问题。
Theorem (Price). 设
2.1. Price Theorem 的证明
根据定义,我们有
公式 (13) 中给出了概率密度函数
这个困难的根源在于,在概率密度函数中我们需要对协方差矩阵求逆,这就导致了
更重要的是,我们知道特征函数与概率密度正好是一对傅里叶变换对:
将上式代入得:
在上面这一大串表达式中,
因此,我们有:
得证。
2.2. 利用 Price Theorem 求解非线性系统
2.2.1. 平方
令非线性变换为
下面我们求
代入 Price Theorem 的右边有:
注意到:
因此,
注意
当
因此,两边积分后得到:
由于
2.2.2. 硬限幅器
令非线性变换为
下面我们求
因此,我们有:
代入 Price Theorem 的右边有:
上面的式子看起来很复杂,但其实非常好算。注意到,当且仅当
这相当于要求一个偏微分方程
注意到,当
因此,两边积分之后就有
直接就能得到结果。
2.2.3. ReLU
令
注意到 ReLU 的导数是阶跃函数
因此:
根据 Price Theorem,我们有:
由分部积分法,我们有:
因此,我们有:
这里确定
要算初值。当 时初值为 。 但这个比较难算,我们在这里就省略了。初值对于我们的分析没有影响。
Appendix
Apd.1. 公式 (8) 的二阶版本推导
我们现在来展示一下
令
因此,我们有:
得证。
Apd.2. 公式 (15) 的详细推导
我们准备换元。令:
首先我们算雅可比行列式:
此时,原式变为:
下面我们的任务就是把交叉项
我们令:
我们先算雅可比:
因此,原式变为:
为了更方便积分,我们再换一次元,令:
雅可比为:
因此,原式变为:
其中,积分区域为:
为了求解这个高斯积分,常见的做法是使用三角变换。令:
极坐标变换的雅可比为:
换元之后,
因此,原式变为:
其实到这一步已经求解完成了,但是为了更加直观方便,我们还可以进一步变形。
根据三角函数的万能公式:
因此,原式变为: