Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Житлухин, Михаил Валентинович

Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки
<
Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Житлухин, Михаил Валентинович. Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.01.05 / Житлухин Михаил Валентинович; [Место защиты: Мат. ин-т им. В.А. Стеклова РАН].- Москва, 2013.- 98 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-1/847

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Оптимальная остановка марковских процессов 14

1.1. Основные определения из теории марковских процессов 14

1.2. Постановка задачи об оптимальной остановке марковского процесса. Существование решения 17

1.3. Задачи с функционалами Майера и Лагранжа 23

1.4. Интегральные уравнения для границ множеств остановки 26

Глава 2. Задачи последовательной проверки гипотез 39

2.1. Стохастические системы с неизвестными параметрами 39

2.2. Задача Чернова 40

2.3. Задача Кифера-Вейса 50

Глава 3. Задачи скорейшего обнаружения разладки 62

3.1. Стохастические системы с разладкой 62

3.2. Сведение к задачам об оптимальной остановке для статистики Ширяева-Робертса 66

3.3. Обнаружение разладки броуновского движения на отрезке 71

3.4. Оптимальная остановка броуновского движения и геометрического броуновского движения с разладкой на отрезке 80

Приложение. Вспомогательные результаты стохастическогоанализа 87

П.1. Формула Ито с локальным временем на кривых 87

П.2. Совместное распределение геометрического броуновского движения и его интеграла 89

П.З. Неравенства для броуновского движения 90

Список обозначений 92

Список литературы 93

Введение к работе

Актуальность темы. Диссертация посвящена вопросам последова. тельной проверки птятисгических гипотга и обнаружению "разладок случайных процессов. Также в диссертации получены вспомогательные результаты но теории оптимальной остановки марковских процессов, которые представляют интерес и сами по себе.

Характерной особенностью последовательных методов математической статистики является возможность выбирать момент прекращения наблюдения (об'ьем выборки) в чависимости (VIі наблюдаемых данных. Такая возможность во многих случаях обеспечивает выигрыш в средней продолжительности наблюдения по сравнению с методами с фиксированным объемом выборки при одинаковой вероятности ошибочных решений-

Основополагающей работой статистического последовательного аиали-чл можно считать книгу А. ІЗальда1, где, главным образом, изучаются задачи последовательной проверки гипотез по дискретным наблюдениям. Фундамент теории обнаружения разладок был заложен в работал У. Шьюарта, Э-. Пэйджа, С. Робері-са, А.К. Ширяева и др. (см. работы2,3'4'5).

Первая глава диссертации посвящена теории оптимальной остановки марковских процессов, результаты которой играют ключевую роль в последовательном анализе: обычно оптимальный момент прекращения наблюдения может быть найден путем решения вспомогательной задачи об оптимальной остановке, Цель главы доказать общие результаты о существовании оптимальных: моментов остановки и их хн.ракторич.ипш it виде моментом первого выхода случайного процесса на границу.

Стандартные условия существования оптимальных моментов изложо пы, например, в известных монографиях6,1. Однако. Э1 ИХ уСЛОИИ И ОКЛ'іііі-

Валъд А. ПослиловлтяльиыП аналл-ї (пор. с. лнгл.). — Москва- Физматпо. ВХ«0 Shvnfitrt W. The і ppUculiou. uf statistics as an n\<\ In maintaining quality of a manufactured producl- ..-'. 7оит.аЫ o.f ilii. American Stati.4lu:al Аянос.іаКмп. — Ifl25. — Vol. 20, inn-. Jo2. — Pp. 51u'-54tt

3 Pu.yo E. S. СоШ-ішшіїь inspection sthenics // Tiioir.etrika. — 195-1. — VViL II. — Pp 100-114

4 Ri/bi.rKs Я W. Control fliAin based on .geometric moving average .' Tcchnomctrics. 1959. Vol. I.
- Pp. 23Я-2КЙ

T' U.IujiMt.H А. И. Обнаружении шонтанно возникающих эффектов .*'/ ЛоКАО&А ЛИ COOP. 1061.

Г. 138. №4. С. 1№ 801

'* UhipMvo Л. Н. Ош іистнчсский последовательны И аналня.— '1 пят.— Москва: Паука, 1476

7 Pesfcir &,, h'hiiyutw A. Optima! чіи-рріїї'- am) Ггпг*-1ігїііиг.Ьи,у ртпЫлшя — Birfchausw Basel. 20IKS

вается недостаточно для решения задач, возникающих в диссертации, и поэтому первая масть главы посвящена изучению более слабых условий.

Доказав существование оптимального момента остановки в конкретной задаче, возникав вопрос, его явного нахождения. Один из наиболее используемых методов сведение задачи об оптимальной остановке? к задаче со свободной границей для инфинитезимального оператора останавливаемого процесса. Этот метод, как правило, позволяет получить явное аналитическое решение для :'однородных задач1', но .задачи последовательного анализа, изучаемые в работе, таковыми не являются, и их явное решение по представляется возможным. Тем не менее, если докачать, что оптимальным моментом остановки является момент первого выхода процесса на некоторую границу, то, используя задачу со свободной границей, возможно получить интегральное уравнение, описывающее данную границу. Это позволяет свести исходную стохастическую задачу об оптимальной остановке к более простой детерминистической задаче решения интегрального уравнения. Результаты подобного типа, хороню известны в литературе (например, данная техника обширно применяется в книге7). Однако, не было ианвеггно общих результатов, которые были бы применимы к достаточно широкому классу задач. В диссертации доказывается одна такая общая теорема. В последующей части работы ее применение является ключевым шагом в решении рассматриваемых задач последовательного анализа. Безусловно, данная теорема может быть полезна и в исследованиях вне рамок диссертации.

Глава 2 посвящена задачам последовательной проверки гипотез. В них предполагается, что наблюдателю доступна стохастическая система, представленная вероятностным пространством (П. ^",Р'А). где /* — неизвестный параметр вероятностного закона, описывающего систему. Наблюдения производятся последовательно, и "информация", извлекаемая из наблюдений, представлена потоком <т-алгсбр (фильтрацией) J = (^)^о, 1'Де &t С .. Наблюдатель имеет возможность выбрать момент т прекращения наблюдения, в который выносится заключение об истинном значении {л. По определению, Т должен быть моментом остановки фильтрации iif.

Хорошие решающие правили должны обладать как малым временем

наблюдения, так и низкой частотой ошибочных решении. Так как чти два свойства являются взаимоисключающими (чем дольше производится наблюдение, чнм больше шанс вынести верное решение), то приходится искать "компромисс" П ГЇЯПИЄЛ1МОСТИ ОТ трсбоШШИП КОНКреТНОГО КРИТСРИЯ 011-ТИМй.1ЬНОСТИ.

Фундаментальным результатом, полученным Л. Вальдом. является по-глндовательпы-й критерий отношения правдоподобия, предназначенный дли проверки двух простых гипотез Но'. М — /іо к Н"і' }* = /-<] Критерий заключается в наблюдении за процессом отношения правдіжодобия и остановке наблюдении в момент его первого выхода из некоторого интервала значений; решение о справедливости Щ или И\ принимается в зависимости от того, через какой конец, интервала вышел процесс. Для случая наблюдения іюследовательносги независимых одинаково распределенных случайных поличнії А. Вальд и Дж. Волфовии доказали8 оптимальность данного критерия, показав, что он обладает наименьшим сродним време нем наблюдения как при справедливости Н$г гтк и при справедливости Л\, среди всех последовательных критериев с такими же вероятностями ошибочных решений. Впоследствии данный результат был обобщен на более широкие классы стохастических систем.

В диссертации будут рассматриваться задачи проверки гипотез, когда у/ является неизвестным коэффициентом сноса броуновского движения. 'Такая модель интересна как сама по себе, так и может быть рассмотрена как предельный случай дискретных наблюдений, когда выборка увеличивается "непрерывным" образом. Оптимальность критерия Валі.да для броуновского движения с неизвестным сносом была доказана А. Н. Ширяевым9 в вышеуказанной постановке Вальда и Йолфовица, а также и байесовской постановке, когда fi является ненаблюдаемой борнуллиевской случайной величиной.

На практике, однако, критерия Вальда бывает недостаточно, так как неизвестный параметр может принимать более чем два значения. Две бо-

' ШаЫ 4., Wnlfawxtz J. Optimum <:liarnrl.<;r of lh<: мчішшіїні probability rulio tost // The Annuls of
Мяіклтаьті ЯіаЬмГ.іг.я.
— 1018. — Vol. 10, no. 3. Pp. 32« 33

J!f»fwt: О двух аицичал иоилсдоиатильиою выолиэа ."; Кчищпюптко*. - 1007. - Г 2. -С. 79 80

лее сложных модели, рассматриваемых в диссертации, были предложены Г. Черновым111, а также Дж. Кифером и Л. Вейсом". 13 задаче Чернова/* ненаблюдаемая нормальная случайная величина с известными средним и дисперсией, и требуется проверить гипотезы о- положительности или отри-ц;ітє..'іьностїі f.t. Оптимальным считается решающее правило, минимизирующее сумму среднего времени наблюдения и штрафа за неверное решение, пропорционального абсолютному значении* р.. Г. Чернов и Дж. Брсйкнсы устя-нонили10,12*13. что следует останавливать наблюдение, когда наблюдаемый пронеси: выйдет на одну из двух симметричных границ, и принимать гипотезу о положительности ft. если выход произошел через верхнюю границу, и гипотезу об отрицательности, если через нижнюю. Чернов и Брей-квелл не нашли границу в каком-либо явном виде, но исследовали асимптотику и предположении ее гладкости (приведенном Ьсз доказательства). U настоящей диссертации мы получим интегральное уравнение, характеризующее данную границу, и докажем, чти она непрерывна. Уравнение решается численно.

В чадаче Кифера-Вейса р. — числовой параметр, и ставится задача проверки двух простых гипотез о зн№1«нии споен. Проуновского движение, где требуется минимизировать максимальное (при всевозможных значениях параметра) среднее время наблюдения при ограничении на вероятность ошибочного решении. Дж. Кифар и Л. Вейс рассматривали ату задачу для лискретных наблюдений; для непрерывных: наблюдений она изучалась, например, в работах14,15,1в, Причиной рассмотрения такой постановки служит тот факт, что критерий Вальда обладает достаточно большим сред-

0 Chmwiy И. Sequential Leats Ґш Lhc mean of a Normal distribution // Fourth Berkeley Symposium. -19-61. Vol. 1. Pp. 79 91

" Kicfer J., Wc*ss L. Some properties of gcncr-oliacd sequential probability ratio tests / The Annals of Mathematical SlttiieUw. — 10137. — Vol. 26, nv. 1. — Pp. 57-74

12 BiwikwtiH I., Churtuiff Ji. Sequential tests lur the tuvmi of и Nurm-al distribution 11 (lai^c I) /. Tin Ammls of ! Statoxtic*. 1964. Vol. 3R. Pp, Ifi2 173

J Che.moff H. Sequential tests for the толп of л Хомі ml distribution III (small l) (f 'Пи. Annate />/' Mathematical Statistics. - 1965. — Vol. 36. — Pp. 28-54

4 An-drtrrnrn 7". W. A modification of Hie sequential probability ratio lebt Lo reduce the aauiple size . The Annate vf Mathematical StatixtUs. — I960. — Vol. 33, no. 1. — Pp. Ifi5~l97

1' tat T. L. Optimal stopping ami aequential teata wkich ціішшія; tin: maximum exрчч:1<:<1 sample sine .-Thc Annate af Statistiat, 1973. Vol. 1, no. 4. Pp. 659 6-73

"' Новиков А. А., Драяалин ІІ. /7. Асимптотическое решение задачи КшЬкра Вейка л-іи upunetxoB с: независимыми мрмрапіеннимн // Теория, вераяті им\тпй п rf. примтичния* — I0S7. - Т. Я2. .V I. С. 679-690

ним временем наблюдения, если истинное значение параметра не совпадает со значениями в проверяемых гипотезах. Так, Р. Бекхофер поюк-ш.ч1'. что oil может даже уступать критерию с фиксированным объемом выборки. Таким обрядом, птникает желание найти решающее правило, минимизирующее максимально возможное среднее время наблюдения.

В- задаче Кифера—Вейся, для броуновского движения оптимальным моментом прекращении наблюдения является момент первого выхода наблюдаемого процесса па некоторые границы. Результаті ы. имеющиеся в литературе, посвящены, главным образом, асимптотическому исследованию границ остановки или аппроксимации задачи схемой с дискретным временем. Настоящая димздупщия дополняет имеющиеся результаты: приводится ха-растеризация границы с помощью интегрального уравнения, которое решается числении.

Третьи глава содержит результаты о методах обнаружения "разладок*9. Под разладкой понимается неизвестный момент изменении вероятностного закона стохастической системы (например, случайного процесса или последовательности). Общая задача заключается в выборе момента остановки наблюдаемой фильтрации, который был бы наиболее оливок к моменту разладки в определенном смысле.

В диссертации рассматривается байесоьская постановка, где предполагается, что момент разладки является ненаблюдаемой случайной величиной. Вазовый результат в''непрерывной времени'" - решение байесовской задачи о разладке дли броунонского движения — был получен А. Ы. Ширяевым - В этой задаче предполагается, что наблюдается броуновское движение, снос которого изначально равен нулю, но меняется на некоторое известное значніше fi н ненаблюдаемый момент 9. Случайная величина О предполагается 'жепопепіпіально распределенной с известным параметром Л и независимой от броуновского движения. Требуется найти момент остановки (момент"подачисигнала" наступлении разладки), который бы минимизировал линейную комбинацию вероятности ложной тревоги и ерод-

7 Rf.rJrhofcy If., Л note ou iIr* Untiling relative efficiency of the Weld sequential probability ratio r.esrt Jmimat iff ih-e Агнятъсап Stativlica-t А»$о«їаії&п.— l*W>0. — Vol $?, nc, '.№.' —Pp Hftll—fit>3

'* Шщіяі.а Л. ft. Об оптимальных методах в задачах с корпійного обнаружения . Творил tttpoMinno-чінсй и се прил*&итмл — 11Ю-1 - 'I- В) Л* 1.— С '2tt-r>l

него времени запаздывания решения. Оказывается, что объявлять сигнал тревоги о разладке следует в момент, когда процесс апостериорной вероятности того, что рдзллдка уже произошла, превысит определенный уровеїн-13 работе18 і іриведена явная формула, выражающая процесе апостериорной вероятности чщж-і наблюдаемый процесс, и найден оптимальный уровень в зависимости от предпочтений между вероятностью ложной тревоги и временем запаздывания.

Впослодсчві-пі байесовская задача о разлндке рассматривалась для различных процессов: для броуновского движении, пуасеоновского процесса, диффузионных процессов и др. Рассматривались также различный кри тер им качества моментов подачи сигнала о наступлении разладки: минимизация вероятности ложной тревоги и среднего времени запаздывания, минимизация средней величины промаха во времени, минимизация эксно-j инициальных функционалов от времени запазды ил пня и др. Большой обзор известных результатов содержится в книге и работе^ .

Первый результат но теории обнаружения разладок, полученный в диссертации. -- формулировка общей .модели стохастических систем с разладкой, в которой информация о системе представлена, потоком <г-алге6р. Как частные случаи, данная постановка включает модели случайных процессов и последовательностей с разладкой. В качестве критерия качества момента обнаружения разладки выступает общая задача минимизации среднего значения штрафа за ошибку в обнаружении.

Достоинство модели состоит в том, что она обобщает многие результанты, нмеюншесн в литературе, и д.ія нее удается получить универсальный метод решения широкого класса задач

Главным результатом для общей модели является теорема о сведении задач обнаружения разладки к задачам об оптимальной остановке для обобщенной статистики Ширяева-Робертса ф. Эта статистика тесно связана с процессам апостериорной вероятности, но имеет несколько боле*? простую структуру. Выводится стохастическое дифференциальное уравнение, которому удовлетворяет ф, и устанавливается, что в случае разладки

''' Poor И V.. Uadjiiiadis О. Quickset Detection. — Cambridge L'nivorsity Г'ггчч. '2ШУ J,> $hiryaev А. Л. Quickest detection problems fifty years later /' Sequential Analysis. — 2010. — Vol. У9. no. 4. Pp. 445 38-r>

диффузионного процессах пара (v>*X) является марковским процессом. Это лает возможность применять методы общей теории об оптимальной остановке марковских процессов.

Полученные общие результаты применяются к задачам о разладке броуновского движения, когда момент разладки имеет равномерное распределение на отрезке. Следует отметить, что в литературе, как правило, рассматривается экспоненциальное распределение, которое является естественной моделью разладки на временной полупрямой, так как экспоненциальное распределение обладает наибольшей энтропией иа полупрямой. В связи с этим интересна рассмотреть случай разладки на конечном отрезке времени, где уже естественной моделью является равномерное распределение. При этом задачи о разладке на полупрямой с экспоненциальным распределением сводятся, как правило, к однородным задачам об оптимальной остановке марковских процессов, и их решение может быть найдено явно аналитически. В отличие от них, задачи о разладке на отрезке удается свести лишь к неоднородным задачам оптимальной остановки, и их решения оказываются значительно труднее (источником неоднородности является креми, оставшееся до конца отрезка).

Сначала будет рассмотрена задача, где требуется минимизировать средний штраф за разницу между моментом наступления разладки и моментом подачи сигнала тревоги. Оказывается, что оптимальным моментом оста-попки .для широкого класса функций штрафа является момечи первого выхода статистики Ширясва-Робсртса на некоторую границу, характеризуемую интегральным уравнением. Доказываемая теорема содержит аналоги результатов для разладки на полупрямой (см. монографии6*'-19).

Далее будут решены задачи <>б оптимальной остановке броуновского движения и геометрической)броуновского движении с: разладкой. Предно-лаі ая, что эти процессы имеют положительный снос до момента разладки и отрицательный после, задача заключается в выборе момента остановки, макеимизіїруюіцеїчі сііеднее значение остановленного процесса. Залами такого типа изучались для экспоненциального распределения момента раз-

ладки и рнботах21,23"23, где им приданнлнсь экономическая интернретмшя вопроса выбора оптимального момента продажи актива с измегтя юн уїмся трендом пены. Раалидка на конечном отрезке, рассматриваемая в диссертации» является другоіі естсствсшюМ моделью, как отмечено в работ .

Цель работы. Целью работы является нахождение оптимальных решающих правил и конкретных моделях последовательного анализа, связанных с проверкой статистических гипотез и обнаружением разладок. Также целью работы являетеи получение общих результатом о существовании решений чадам оптимальной остановки марковских процессов и характеристик Гранин множеств остановки с помощью интегральных уравнений.

Научная новизна. Результаты диссертации являются новыми и состоят в следующем.

  1. Ослаблены достаточные условия и теореме о существовании решения задачи об оптимальной остановке марковского процесса и доказана общая теорема і» характерніший границы множества остановки в виде единственного решении интегрального уравнения.

  2. И задачах Чернова и Кифера-Вейса проверки гипотез о значении коэффициента сноса броуновского движения получены интегральные уравнения, характеризующие оптимальные границы остановки, и найдены оптимальные решающие провила.

  3. Сформулирована общая байесовская задача обнаружении разладки стохастической системы по наблюдению за потоком «т-алгебр. Показано, как такая задача может быть сведена к задаче об оптимальной остановке статистики Ширяева Робсртса для широкого класса функций пггрифа. Используя это, доказано, что оптимальным моментом остановки в задаче обнаружения разладки броуновского движения, когда момент разладки равномерно распределен на конечном отрезке, является момент первого выхода статистики Шнрясва-Робсртео па некоторую границу, дли которой

1 Bwbcl A/., Lvivhr И. Я. Л new look at optimal stopping problems related to matheraalioal finance Statislicff Sfvirn. ІОД7. Vul. 7. Pp. 93 10Я

г'2 Shirijacv -4.. .\7nj*fcr)j.' A. A. On л stochastic version of thfi ггиЖпд rn!<: "Buy and Hold-/'/ ЯііііШиич f'J Decision». ДОЮ, — Vol. 2fi, nn. Л. — Pp. 280-302

" F,kst.mm F... Lmdbf.rQ С Optimal closing of л momentum trade. To ярреаг in Journal of Applied Pmhuhilitv

*

получено интегральное уравнение. Также найдены уравнения для оптимальных границ остановки в гзаде.чах об оптимальной осгапонке броуновского движения и геометрического броуновского движения с разладкой.

Методы исследовалил. В диссертшцни применены методы стохастического анализа; теория марковских процессов, теории мартингалов и стохастическое дифференциальное исчисление.

Теоретическая и практическая значимость. Работа носит теоретический характер. Ее результаты могуч1 быть полезны в вопросах последовательного анализа стохастических систем, связанных с проверкой гниотсч и обнаружением разладок. Теоремы первой главы могут быть использованы при решении широкого класса нядач об оптимальной остановке для марковских процессов.

Апробация диссертации. Результаты работы докладывались автором на следующих научных конференции их и семинарах;

  1. Конференция "The Seventh Bachelier Colloquium on Mathematical Finance ami Stochastic Calculus1', Метабьеф, Франция. 13 2U января 2013 г. Тема доклада: Disorder detection problems with applications to finance.

  2. Конференция ""Stochastic Optimization and Optima] Stopping;"'. Мое.кші, 24 28 сентября 2012 г. Теме доклада: Л genera.! Нлуекїлії disorder problem for Browiuan motion on a finite interval.

  3. Конференция "The Joint Meeting of International Young; Business and Tn dustrial Statisticians", Лиссабон. Португалия, 23-26 июля 2012 г. Тема доклада; General Bayesian quickest detection problems: sufficient statistics and optimal stopping times.

  4. Конференции ІіППИ (Москва) WIAS (Берлин) но стохастическому и предсказательному моделированию, Москва, 31 мая 1 июня 2012 г. Тема доклада: New results in Bayesian quickest detection problems and their applications.

Г). Конференция МП AH -- ПОМІІ, посвященная теме "Вероятность и функциональный анализ", Москва, 16—17 февраля 2012 г. Тома доклада: О задаче Г. Чернова последовательного различения гипотез о сносе броуновского движения.

  1. Семинар Филдшнского института. '1'оропто, Канада, март 2013 г.

  2. Большой семинар кафедры теории вероятностей меха-нико-математического факультета МРУ. несколько докладов в 2009 2012 гг.

  3. Научный семинар "Случайные процсеси и стохастический анализ" под рук. Л. IT. Ширяева, МГУ, несколько докладов и 2008—2013 гг.

Ф. Семинар Лаборатории предсказательного моделировании. МФТИ, апрель 2012 г.

Публикации. Список работ автора, содержащих результаты диссертации, приведен в конце автореферата.. По теме диссертации опубликованы 5 работ |'2| |б|; работа [1] содержит вспомогательный результат.

Структура и объем работы. Диссертация состоит и;і введения, трех глав и приложения. Общий объем работы составляет 9S страниц. Список литературы включает 60 наименований.

Благодарность. Работа выполнена под руководством академика РАН профессора Альберта Николаевича Ширяева, которому автор выражает искреннюю благодари оеть.

Постановка задачи об оптимальной остановке марковского процесса. Существование решения

Вторая задача последовательного различения гипотез, рассматриваемая в диссертации, — задача проверки двух гипотез о значении сноса броуновского движение, где требуется минимизировать максимальное среднее время наблюдения при ограничении на вероятность ошибочного решения. Вопрос подобного типа был поставлен Дж. Кифером и Л. Вейсом [25] в случае дискретного времени, а затем исследовался и другими авторами как в дискретном, так и в непрерывном времени. Причиной рассмотрения такой постановки служит тот факт, что критерий Вальда обладает достаточно большим средним временем наблюдения, если истинное значение параметра не совпадает со значениями в проверяемых гипотезах. Например, в работе [3] было показано, что он может даже уступать критерию с заранее фиксированным объемом выборки. Таким образом, возникает естественное желание найти решающее правило, минимизирующее максимально возможное среднее время наблюдения.

Для броуновского движения данная задача заключается в построении решающего правила (т , d ): основанного на наблюдении за процессом Xt = lit+Bt, которое обладает вероятностями ошибочных решений P(d = 1 /І = /І2) и P(d = 2 /І = /ІІ), не превосходящими заданной величины а, и при этом минимизирующего maxM Е(т /І = и). Данная задача, как и критерий Вальда, дана не в байесовской постановке (здесь /І — числовой параметр), однако ее решения все равно основывается на сведении к вспомогательной задаче об оптимальной остановке. Будет показано, что оптимальный момент остановки наблюдения т является моментом выхода наблюдаемого процесса X на некоторую криволинейную границу, a d определяется по значению Хт \ для границы будет получено интегральное уравнение, которое будет решено численно. Данный результат дополняет многочисленные имеющиеся в литературе результаты, посвященные изучению асимптотических свойств оптимальных решающих правил (см., например, работы [2, 26, 55], относящиеся к задаче для броуновского движения). 3. Опишем теперь суть задач обнаружения "разладки". Пусть на некотором вероятностном пространстве (Г2,#",Р) задан наблюдаемый случайный процесс X = [Xtjt Qi имеющий структуру xt=\Nu t 9 \St-o + Nu t 6, где N = (Nt)t o и S = (St)t o, S ф 0, — некоторые случайные процессы на (Г2,#",Р), а 9 0 — неизвестная величина. Процесс S интерпретируется как сигнал, а 9 — как момент его появления (момент "разладки2"). Предполагается, что 9 непосредственно не наблюдаема, а наблюдатель может судить о значении 9 лишь по изменениям в структуре процесса X. Задача состоит в обнаружении разладки по результатам последовательного наблюдения за X как можно скорее после того, как она произошла.

Каждая процедура подачи сигнала о наступлении разладки отождествляется с моментом остановки г относительно фильтрации х = (# ) о, = a(Xs] s t). При этом "хорошие" моменты подачи сигнала должны быть как можно более близкими к моменту разладки 9.

Активное исследование методов обнаружения разладки началось в 1950-60-х гг. в работах А. Н. Ширяева, С. Робертса, Э. Пэйджа и др. (см. [32, 33, 39, 58-60]); отметим также метод контрольных карт, предложенный У. Шьюартом в 1920-х гг. [40].

Байесовская постановка задачи обнаружения разладки была предложена в работе А. Н. Ширяева [60] для процесса броуновского движения и формулируется следующим образом. Пусть на вероятностном пространстве (Q, #", Р) задан случайный процесс X = (Xt)t o со структурой Xt = fi(t - в)++ Bt, где В = (Bt)t o — стандартное броуновское движение на (Г2,# ,Р), 9 — экспоненциально распределенная случайная величина с известным пара 2 Термин "разладка" происходит из применений данной теории в вопросах контроля качества продукции, где момент в интерпретируется как сбой (разладка) оборудования. Процесс N соответствует доле брака в готовой продукции при нормальном режиме работы, а процесс S — дополнительной доле брака после сбоя. метром Л, и /І 7 0 — известная константа. В обозначениях выше, Nt = Bt,

St-e = {t- ЄУ. Критерий качества обнаружения разладки заключается в нахождении оптимального момента остановки т фильтрации Fx, минимизирующего среднюю величину риска 7(т), состоящего из штрафа за ложную тревогу и штрафа за запаздывание: Щт) = гР(т в) + сЕ(т - 0)+, где г 0 штраф за ложную тревогу, а с 0 — штраф за единицу времени запаздывания. Без ограничения общности считают г = 1, что и будет предполагаться далее.

Задача нахождения т решается путем сведения ее к задаче об оптимальной остановке для процесса апостериорных вероятностей 7Г = (щ)г о, 7i t = Р(# t ) А именно, момент т может быть найден как минимизирующий математическое ожидание (см., например, [60, 63])

В третьей главе диссертации будут рассмотрены более сложные модели стохастических систем с разладкой. Сначала в 3.1 будет сформулирована общая постановка байесовской задачи о разладке на фильтрованном вероятностном пространстве, частным случаем которой являются задачи о разладке случайных процессов и случайных последовательностей.

Ключевым результатом, излагаемым в 3.2, является теорема о сведении задач обнаружения разладки к задачам об оптимальной остановке для обобщенной статистики Ширяева-Робертса ф. Выводится стохастическое дифференциальное уравнения, которому удовлетворяет процесс ф = (ifjt)t o, и устанавливается, что в случае разладки диффузионного процесса X пара (ф, X) является марковским процессом. Это дает возможность применять методы общей теории об оптимальной остановке марковских процессов. Полученный результат дополняет работы [42, 61].

В 3.3 рассматривается задача о разладке броуновского движения, когда момент разладки в принимает значения из конечного отрезка и равномерно распределен на нем. Равномерное распределение является естественной моделью разладки на отрезке при отсутствии дополнительной априорной информации о структуре #, так как оно обладает наибольшей энтропией (по этой же причине экспоненциальное распределение является естественной моделью разладки на полупрямой).

Данная задача оказывается существенно труднее задачи о разладке с экспоненциальным распределением #, так как ее удается свести лишь к неоднородной марковской задаче об оптимальной остановке, где оптимальные границы остановки не являются прямолинейными. Для решения применяются общие результаты, доказываемые в главе 1.

Материал 3.4 посвящен задачам об оптимальной остановке броуновского движения и геометрического броуновского движения с разладкой на отрезке. Рассматривается модель, где у данных процессов коэффициент сноса изначально положителен, а после разладки меняется на отрицательный. Задачи заключаются в нахождении моментов остановки, максимизирующих среднее значение остановленных процессов. В случае экспоненциального распределения момента разладки данная модель изучалась ранее в работах [5, 15, 41], где ей придавалась экономическая интерпретация вопроса выбора оптимального момента продажи акции. 4. Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, приложения, списка обозначений и списка литературы.

Интегральные уравнения для границ множеств остановки

Пусть X = (Xt, 9t)Vx) — непрерывный строго марковский процесс на фильтрованном измеримом пространстве (Г2, #",F) со значениями в фазовом пространстве (S, S). Обозначим за 9JT множество марковских моментов фильтрации F. Предположим, что задана функция G: S — К. такая, что математическое ожидание EXG(XT) определено2 для любых х Є S, т Є 9JT, где на множестве {г = оо} значение G(XT) полагается равным +оо.

Определение. Задача об оптимальной остановке, записываемая в виде V(x)= inf EXG(XT), xeS, заключается в нахождении функции V(х) и момента остановки т Є 9JT, на котором достигается инфимум для каждого значения х Є S. Если такой т существует, он называется оптимальным моментом остановки3. Функция V называется функцией цены.

Далее, не оговаривая этого отдельно, мы всегда будем предполагать, что S С Жа и S — борелевская сг-алгебра на S, а процесс X непрерывен (т.е. его траектории t ь-) Xt(uj) являются непрерывными функциями при всех uj Є Q). Именно такие марковские процессы будут возникать в задачах последовательного анализа, изучаемых в главах 2 и 3. Основным результатом данного параграфа является теорема о том, что при некоторых дополнительных предположениях оптимальным моментом остановки, минимизирующим FixG(XT) для всех х Є S, является момент TD первого попадания процесса X в множество остановки D:

TD = M{t 0:ItGD}, D = {х Є S : V{x) = G{x)}, где T)( x ) = оо на множестве {ш : Xt(uj) . D для всех t 0}. (Множество С = {х Є S : V(x) G(x)} называется множеством продолжения 2 Математическое ожидание Е случайной величины считается определенным, если min{E+, Е } оо. В этом случае Е = Е+ — Е_, где Е может принимать значения ±оо. 3Так как полагается G(XT) = оо на множестве {т = оо}, то Рж(т оо) = 1 для всех х Є S, т.е. т действительно является моментом остановки. наблюдений.)

Данное утверждение является одним из ключевых в теории оптимальной остановки марковских процессов (см., например, [35, 63]). Однако общие результаты о его справедливости хорошо известны лишь в случае, когда процесс X и функция G удовлетворяют условиям

остановке, G ограничена сверху, Ех sup \G(Xt)\ оо для любого х Є S (второе условие, впрочем, можно ослабить, заменив G(JQ) на G+(Xt), см. [63, Глава III]). В задачах об оптимальной рассматриваемых в последующих главах, данное условие может быть не выполнено. В связи с этим, мы введем более слабое условие, позволяющее доказать желаемые результаты:

Доказательство теоремы будет проведено аналогично [35, 2.2] и основано на двух вспомогательных леммах. Первая показывает, что при нахождении оптимального момента остановки достаточно ограничиться лишь моментами из множества 9Л = {г Є 9JT : т(ш) TE O{UJ) при всех ш Є Q}, Следующая лемма показывает, что при выполнении условия (А) функция V является наибольшей ШТ-субгармонической функцией, мажорируемой функцией G, т. е. если F — некоторая ШТ-субгармоническая функция и F{x) G{x) для всех х Є S, то V(x) F{x) для всех х Є S.

Лемма 1.2. .Если выполнено условие (А), то функция цены V является наибольшей дЛ-субгармонической функцией, мажорируемой функцией G.

Доказательство. Ясно, что V(x) G(x) для всех х Є S (для этого в определении V(x) достаточно рассмотреть момент остановки т = 0). Докажем, что V является 9Л-субгармонической.

4 В стандартном определении субгармонической (или супергармонической) функции рассматривают моменты т из всего множества 9JT; см., например, [35, 63]. Зафиксируем произвольное х Є S и произвольный марковский момент о" Є 9Л. Из Леммы 1.1 и строго марковского свойства процесса X следует равенство V(Xa) = essinf Ех(С(Ха+това) &„). Покажем, что найдется последовательность моментов {rn}n i, тп Є 9Л, таких, что V(Xa) = lim Ex(G(Xa+Tn0,J I #,), П—т 00 причем последовательность случайных величин {Ex(G(Xa+Tn0ea) #a)}n i является невозрастающей Рж-п.н. Согласно [35, Лемма 1.3], для этого достаточно проверить, что семейство ZT = Ex(G(Xa+TOgij) I сг)}тет о является направленным вниз в следующем смысле: для любых ті,Т2 Є 9JT0 найдется т Є 9Л такой, что ZT min{ZTl,ZT2}. Непосредственно устанавливается (см. [35, Следствие 2.9]), что достаточно взять т = Т\1А + Т2ІП\А, где событие А є #о определено следующим образом А = {ш : EXo(u)G(XTl) EXo(w)G(XT2)}. (Ex0(w)C(XT.) является случайной величиной, значение которой на си Є Г2 равно /(X0(w)) с функцией /(ж) = ЕЖС(ХТ.)). По теореме о монотонной сходимости ExV(Xa) = lim ЕхС(Ха+Тп0ва) V(x), П—7 00 что доказывает 9Л-субгармоничность функции V. Применимость теоремы о монотонной сходимости следует из условия (А.2). Если F — некоторая другая 9Л-субгармоническая функция, мажорируемая функцией G, то для любых х Є S, т Є 9Л справедливо неравенство F(x) EXF(XT) ExG(Xr). Беря инфимум по г Є 9Л и пользуясь равенством (1.1), получаем F(x) У(ж).

Доказательство теоремы 1.1. Для каждого є 0 определим мно жество D и момент TDE первого попадания в него: D = {x: V(x) G(x) - є}, rDe = mf{t 0 : Xt Є D}. Так как функции V и G непрерывны, то для каждого є 0 множество D замкнуто. Докажем, что для любого х Є S ExV(XTJ = V(x). (1.2) Так как гоє гро, то ЕжУ(ХТВє) У (ж) в силу ШТ-субгармоничности функции V. Из строго марковского свойства следует, что функция х ь- ExV(XTDe) тоже является ШТ-субгармонической (см. [35, Теорема 2.7]), и, значит, для доказательства неравенства EXV(XT ) V(x) достаточно установить, что для всех х Є S (так как У является наибольшей ШТ-субгармонической функцией, мажорируемой G). Положим с = s\Y x{ExV{XTDe) — G{x)). Имеем с +оо, так как с supx(ExG(XTDE) — G(x)) +оо, где первое неравенство справедливо так как V(x) G(x): а второе неравенство справедливо в силу условия (А.1). Таким образом, G(x) ExV(XTDe) — с.

Функция х ь- EXV(XTD ) — с является 9Л-субгармонической, и, следовательно, V(x) ExV(XTDe) — с. Для произвольного 0 5 є выберем точку xs Є S так, что с EXSV(XTDE) — G(x$) + S. Тогда, в силу предыдущего неравенства, V(x$) G(x$) — S G(x$) — є. Значит, xs Є D и ЕЖ(5У(ХТ) ) = G(IEJ). Следовательно, с 5 и, устремляя 5 — 0, получаем с 0, что доказывает (1.3), а вместе с ним и (1.2).

Задача Кифера-Вейса

Здесь считается, что W — это броуновское движение заданное каноническим образом как марковский процесс на вероятностном пространстве непрерывных функций; OlY обозначает класс моментов остановки т фильтрации (# ) 1, удовлетворяющих неравенству т 1 — t. В данной задаче функционал Майера G(t функционал Лагранжа L(t,x) = k/(l — t)2. Как следует из теоремы 1.2, У 0,а0 = У{0,іло/ао) + к.

Покажем, что V(t,x) удовлетворяет условиям (i)-(viii) теоремы 1.4. Справедливость (i)-(iii) сомнений не вызывает; проверим (iv)-(viii). Для этого будет удобно представлять функцию цены в виде где E — математическое ожидание в предположении, что W — стандартное броуновское движение. Это представление эквивалентно (2.11) (в том смысле, что они приводят к одинаковым значениям V(t, х) и одинаковым множествам остановки) опять же в силу теоремы

В силу монотонности, чтобы доказать непрерывность V(t,x) достаточно доказать ее по каждому аргументу. Непрерывность по х следует из того, что для любых t Є [0,1), ж, а/ Є Ж. справедливо неравенство где процесс W = (W/jt e, Wt = W — W, является броуновским движением. В правом неравенстве воспользовались теоремой из приложения 3. Беря в (2.13) инфимум по всем моментам г Є OlY получаем, что V(t,x) EV(t + e,W + x) — у/є. По доказанному выше, \EV(t + e,W + x) — V(t + e,x)\ E\W\ = \Дф. Таким образом, 0 V(t,x) -V(t + e,x) — (у/є+ у/2є/іг), что доказывает непрерывность функции V(t,x) по t.

Чтобы показать, что оптимальным моментом остановки является момент первого попадания в множество D = {(t,x) : V(t,x) = —\х\}: проверим условие (А ). В качестве множества Do возьмем Do = {(t,x) : t Є [0,1], \х\ (3(1—t)} с константой /3 = 1/(2к). Покажем, что Do С D. В силу неубывания функции V(t, х) + \х\ достаточно показать, что V(t, (3(1 —t)) —(3(l—t) для всех t Є [0,1] (причем, на самом деле, здесь будет равенство). Имеем

В (1) воспользовались формулой Ито-Танаки (формулой Ито с локальным временем на уровне (—х); см. приложение 1), где L x = (L x)t \ обозначает локальное время процесса W на уровне (—ж); в (2) воспользовались тем, что г r/(l—r — t) для г 1 — t и локальное время является неубывающим процессом; в (3) воспользовались тем, что для любого момента остановки г 1 — t момент а = т/(1 — т — t) также является моментом остановки; наконец, в (4) снова воспользовались формулой Ито-Танаки. Так как E\Wa + х\ л/Еа + ж2, то получаем где во втором неравенстве воспользовались тем, что, как проверяется непосредственно, выражение под знаком инфимума не меньше —/3(1 — t) для любого значения Ест 0. Итак, Do С D.

Математическое ожидание Ет(,ж) можно оценить сверху математическим ожиданием момента выхода модуля броуновского движения на уровень /3\/1 — t, равным /32(1 — t), что и доказывает (2.15). Условие (v). Из доказанной монотонности V(t, х) + \х\ следует, что множество продолжения наблюдения С = {(t,x) : V(t,x) \х\} представимо в виде С = {(t,x) :0 1, \х\ a (t)}, где a (t) - некоторая неотрицательная невозрастающая функция на [0,1]. При этом a (t) /3(1— t) = CT:Q(1—)/4 для всех t Є [0,1], как следует из рассуждений выше. Используя это неравенство, непосредственно проверяется условие (1.7), а условия (1.8)-(1.9), очевидно, выполнены. Непрерывность а следует из леммы 1.3. Наконец, a (t) 0 для всех t Є [0,1), так как точки (t, 0) принадлежат множеству продолжения наблюдения при t 1 — действительно, для достаточно малого детерминированного г 0 имеем Е WT = у/2т/тг к/(1 —т — t) — к/(1 -1), и, следовательно, V(t, 0) 0.

Условие (vi). Функция х ь-» V(t,x) вогнута при каждом t Є [0,1], так как математическое ожидание под знаком инфимума в (2.12) есть вогнутая функция по х. где во втором равенстве воспользовались тем, что функция V ограничена и a (t) —0 при 1, а, следовательно, первый предел равен нулю по теореме о мажорируемой сходимости. Условие (viii). Следуя замечанию 1.1, достаточно лишь установить, что V_(t,a (t)) G x(t,a (t)) дляє [0,1). Зафиксируем t Є [0,1) и положим х = a (t). Выберем малое є 0, и пусть т — оптимальный момент остановки для V(t,

Отметим, что в работе [9] задача проверки Н+ и Н_ сводилась к задаче об оптимальной остановке для процесса X = (Х ) - , Х[ = Xt_xia2 +/ІО/С"О- Доказывалось, что оптимальный момент остановки т имеет вид где некоторая функция, строго положительная при t 0 (оптимальная граница остановки) и не зависящая от /ІО, С"О Как следует из конструкции процессов W и Х : оптимальные границы остановки аао и Ъ связаны равенством Таким образом, зная семейство {аа0( )}а0, можно найти &(), и наоборот.

Для численного нахождения оптимальных границ остановки мы воспользуемся методом обратной индукции, описанным в замечании 1.2. В качестве примера на рис. 2.1 слева приведен график оптимальной границы остановки аао(t) для процесса W при 0 = 3/2. Справа приведен график оптимальной границы b(t) для процесса X .

В этом параграфе мы рассмотрим задачу проверки двух гипотез о значении сноса броуновского движения, где требуется построить решающее правило минимизирующее максимальное среднее время наблюдения при заданном ограничении на вероятность принятия неверной гипотезы. Задача является не байесовской, но ее решение все равно основано на све дении к вспомогательной задаче об оптимальной остановке марковского процесса.

Оптимальная остановка броуновского движения и геометрического броуновского движения с разладкой на отрезке

Полученные выше уравнения для процессов ф , tp, 7Г удобны, если рассматривать их по мере Р00, относительно которой наблюдаемый процесс X является броуновским движением. В литературе, однако, задачи о разладке часто также сводят к задачам об оптимальной остановке по исходной мере Р. Ввиду этого обстоятельства, приведем уравнения для процессов (/?, 7Г содержащие броуновское движение относительно Р.

Используя полученные общие результаты, в данном параграфе решается задача обнаружения разладки броуновского движения, когда момент разладки 9 имеет равномерное распределение на конечном отрезке и функция штрафа линейна или экспоненциальна на неотрицательных значениях своего аргумента.

Отметим, что задача о разладке броуновского движения на отрезке рассматривалась ранее в работе [18], где предполагалось, что момент разладки имеет экспоненциальное распределение, но наблюдатель обязан подать сигнал тревоги до некоторого фиксированного момента времени Т (при этом разладка может и не произойти до момента Т).

В случае, когда нет дополнительной априорной информации о структуре распределения 0, равномерное распределение является естественной моделью разладки на отрезке, как обладающее наибольшей энтропией; по этой же причине, экспоненциальное распределение естественно при разладке на [0, оо).

Итак, рассматривается модель (3.14) с постоянной функцией /І(Ж) = /І, в которой наблюдается процесс X = (Xt)t o, Xt = /i(t - 0)+ + ви t O. Предполагается, что момент разладки в имеет равномерное распределение на отрезке [0,Т], возможно с массой в точке 0, т.е. его функция распределения G(t) имеет вид G(t) = (3(0) + pt при t Т, G(t) = 1 при t Т, где р = (1 — G(0))/T. Величина G(0) равна вероятности того, что разладка присутствует с начала наблюдений, а константа р 0 представляет плотность в на интервала (0,Т).

Будем рассматривать функции штрафа H(t): которые принадлежат классу Липшица на [—Т, 0) (при t = 0 не требуется даже непрерывность) и либо линейны, либо экспоненциальны при t 0 в смысле (3.5): где 6, с 0 — константы, и в линейном случае для удобства полагаем 6 = 0. Ввиду результатов о сведении условно-экстремальных байесовских за дач обнаружения разладки к экстремальным, мы детально рассмотрим только последние. Пример задачи первого типа приведен в пункте 4.

Напомним, что экстремальная постановка байесовской задачи обнаружения разладки заключается в нахождении момента остановки т Є 9JT, на котором достигается минимум среднего штрафа: где 9JT обозначает множество всех моментов остановки, согласованных с наблюдаемой фильтрацией F = ( t)t o, - t = o-(Xs; s t).

Основной результат параграфа представлен в следующей теореме, утверждающей, что оптимальным моментом в задаче (3.21) является момент первого выхода обобщенной статистики Ширяева-Робертса г ь на некоторую криволинейную границу.

Напомним, что, как следует из формул (3.16)-(3.17), в рассматриваемой задаче г ь удовлетворяет стохастическому дифференциальному уравнению Мы также будем рассматривать г ь как марковский процесс (возможно, на другом вероятностном пространстве; как это описано в 3, пункт 3, и символом Р 3 обозначать меру, относительно которой г ь удовлетворяет вышеуказанному стохастическому дифференциальному уравнению с процессом X являющимся стандартным броуновским движением и начальным условием щ = х. Символом Е 3 будем обозначать математическое ожидание по мере Р

Докажем, что задача удовлетворяет условиям (i)-(viii) теоремы 1.4. Доказательство приведем в виде общей леммы, которая будет также использоваться в следующем параграфе.

Лемма 3.1. Пусть А Є К. и h(t) - невозрастающая ограниченная функция, являющаяся строго положительной и принадлежащей классу Липшица на [0,Т). Тогда функция цены удовлетворяет условиям (i)-(viii) теоремы 1.4 Доказательство. Для удобства будем опускать верхние индексы у процесса ф ь и математического ожидания Е00, записывая просто иЕ. Для каждого конкретного значения х 0 процесс ф будет удобно представлять в форме (3.22) с броуновским движением X (возможно, на другом вероятностном пространстве), что не изменяет значения функции цены и множества остановки в силу теоремы 1.2.

Условия (i)-(iii) проверяются непосредственно; проверим (v)-(viii). Заметим, что функция e xtV(t, х) не убывает по , так как h{t) не возрастает и инфимум в определении V(t, х) берется по меньшему классу моментов при увеличении t, и e xtV(t,x) не убывает по ж, как ясно из (3.22).

Для доказательства непрерывности V(t,x) достаточно доказать непрерывность e xtV(t, ж), которую, в силу монотонности, достаточно доказать лишь по каждому аргументу. Фиксировав t Є [0,Т], для произвольных О Х\ Х2 и произвольного момента остановки г Є Шїт имеем

Похожие диссертации на Последовательные методы проверки статистических гипотез и обнаружения разладки