Discrete Stochastic Processes

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出版者:Springer
作者:Robert G. Gallager
出品人:
页数:271
译者:
出版时间:1995-10-31
价格:USD 115.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780792395836
丛书系列:
图书标签:
  • 随机过程
  • 通信
  • 数学
  • 计算机
  • 概率论7
  • 随机过程
  • 马尔可夫链
  • 排队论
  • 随机模拟
  • 概率论
  • 数学
  • 统计学
  • 离散数学
  • 应用概率
  • 随机模型
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具体描述

Stochastic processes are found in probabilistic systems that evolve with time. Discrete stochastic processes change by only integer time steps (for some time scale), or are characterized by discrete occurrences at arbitrary times. Discrete Stochastic Processes helps the reader develop the understanding and intuition necessary to apply stochastic process theory in engineering, science and operations research. The book approaches the subject via many simple examples which build insight into the structure of stochastic processes and the general effect of these phenomena in real systems. The book presents mathematical ideas without recourse to measure theory, using only minimal mathematical analysis. In the proofs and explanations, clarity is favored over formal rigor, and simplicity over generality. Numerous examples are given to show how results fail to hold when all the conditions are not satisfied. Audience: An excellent textbook for a graduate level course in engineering and operations research. Also an invaluable reference for all those requiring a deeper understanding of the subject.

随机过程的魅力:从经典理论到前沿应用 序言 在纷繁复杂的世界中,许多现象并非遵循着确定性的轨迹,而是充满了变数与不确定性。从股票市场的波动,到生物种群的繁衍,再到信息网络的传输,无一不展现着随机性的规律。理解并驾驭这些随机过程,是现代科学、工程、经济乃至社会科学领域中不可或缺的基石。本书旨在带领读者深入探索离散时间随机过程的精妙世界,揭示其背后的数学原理,并展现其在现实世界中的广泛应用。我们将循序渐进,从基础概念出发,逐步构建起对这一强大数学工具的深刻理解。 第一章:随机性与概率的基础 在踏入随机过程的奇妙旅程之前,我们有必要回顾一下概率论这座坚实的大厦。本章将从最基础的概率概念入手,例如样本空间、事件、概率公理等,为后续的学习奠定坚实的基础。我们将探讨离散型和连续型随机变量的定义、概率质量函数(PMF)和概率密度函数(PDF),以及累积分布函数(CDF)的概念。进一步地,我们将深入理解期望值、方差等描述随机变量中心趋势和离散程度的关键统计量。此外,条件概率和独立性是理解随机过程演化的重要工具,我们将详细阐述它们的含义和应用。我们还将介绍一些重要的离散概率分布,如二项分布、泊松分布、几何分布和负二项分布,它们是许多实际问题的建模基础。 第二章:随机变量的组合与多维分析 现实世界中的随机现象往往不是孤立的,而是多个随机变量相互作用的结果。本章将聚焦于多个随机变量的联合分布,以及它们之间的相互关系。我们将学习联合概率质量函数(JPMF)、联合概率密度函数(JPDF)和联合累积分布函数(JCDF)。独立性和条件独立性是分析多维随机变量的重要概念,我们将深入探讨它们的意义和判定方法。均值和方差在多维空间中同样扮演着重要角色,我们将学习如何计算联合期望值、边缘期望值以及协方差和相关系数,这些指标能够量化变量之间的线性关系。此外,本章还将介绍一些重要的多维概率分布,例如多项分布和多元正态分布(尽管多元正态分布是连续的,但其离散的类比概念和应用非常广泛,我们将以离散为导向进行阐述)。 第三章:马尔可夫链:离散时间的记忆 马尔可夫链是离散时间随机过程中最重要、最基础的建模工具之一。其核心思想是“无记忆性”,即过程的未来状态仅取决于当前状态,而与过去的状态无关。本章将详细介绍马尔可夫链的定义、状态空间、转移概率以及转移概率矩阵。我们将探讨一步转移概率、n步转移概率,并学习如何通过矩阵运算来计算这些概率。状态的分类,如常返状态、瞬态状态、周期状态和正常返状态,是理解马尔可夫链长期行为的关键。我们将深入分析稳态分布的概念,以及如何求解稳态分布,它描述了马尔可夫链在长时间运行后各个状态的概率。此外,本章还将介绍一些特殊的马尔可夫链,如随机游走,并讨论它们的性质和应用。 第四章:马尔可夫链的应用:从模拟到预测 马尔可夫链作为一种强大的建模工具,在各个领域都有着广泛的应用。本章将通过一系列生动的案例,展示马尔可夫链在实际问题中的应用。我们将探讨其在模拟系统行为中的作用,例如模拟用户在网站上的导航路径,模拟自然语言的生成,以及模拟复杂系统的故障诊断。在预测方面,我们将学习如何利用马尔可夫链预测天气变化,预测股票价格的短期走势,以及预测疾病的传播。我们还将触及马尔可夫链在搜索引擎排名、推荐系统中的应用,以及在物理学、化学、生物学等领域的建模实践。通过这些实例,读者将深刻体会到马尔可夫链的实用价值和普适性。 第五章:泊松过程:随机事件的计数 泊松过程是描述单位时间内随机事件发生次数的离散时间随机过程。它在许多领域都有着重要的应用,例如电话呼叫的到达、客户的请求、粒子探测器的计数等。本章将介绍泊松过程的定义、性质以及与泊松分布的关系。我们将探讨其增量独立性和平稳增量的特性。泊松过程与指数分布之间有着紧密的联系,我们将阐述这种联系,并理解它在事件发生间隔时间上的含义。此外,本章还将介绍一些泊松过程的变种,例如带速率函数的泊松过程,以及连接泊松过程和马尔可夫链的思维方式,进一步拓展模型的适用范围。 第六章:排队论基础:随机服务的分析 排队论是研究随机系统中等待队列现象的数学分支。在服务资源有限的情况下,随机的顾客到达和随机的服务时间必然会导致排队现象。本章将介绍排队论的基本模型,例如M/M/1排队模型,并分析其关键性能指标,如平均等待时间、平均队列长度、系统吞吐量等。我们将深入理解Little定律,它提供了系统中的平均顾客数量、平均到达率和平均逗留时间之间的普遍关系。本章还将介绍一些其他的排队模型,如M/M/c、M/G/1等,并探讨它们在不同场景下的适用性。通过学习排队论,我们可以优化资源分配,提高服务效率,减少顾客的等待时间。 第七章:更新过程:事件序列的规律性 更新过程是研究一系列随机事件发生时间的累积过程。在更新过程中,每次事件的发生都会“重置”时间,并开始一个新的等待周期。本章将介绍更新过程的定义、更新函数以及更新方程。我们将探讨一些重要的更新过程,例如具有固定间隔更新的确定性过程,以及具有指数分布间隔的更新过程。我们还将分析更新过程的平均更新数和更新间隔的期望值。盈余过程(Residual Process)是更新过程中一个重要的概念,它描述了从上次事件发生到当前时刻所经过的时间。通过对更新过程的研究,我们可以分析系统的寿命、设备的更新周期等问题。 第八章:离散时间随机过程的更广泛视角 除了马尔可夫链和泊松过程,离散时间随机过程的世界还有许多其他重要的模型和概念。本章将对这些更广泛的视角进行探索。我们将简要介绍鞅(Martingale)的概念,它在金融数学和概率论中扮演着核心角色,描述了一种“公平游戏”的随机过程。我们将触及一些与马尔可夫链相关的更高级概念,例如拟周期马尔可夫链,以及一些用于分析随机过程收敛性的方法。此外,本章还将探讨离散时间随机过程在一些前沿领域的潜在应用,例如机器学习中的强化学习,以及数据科学中的时间序列分析。 结论 离散时间随机过程是一个充满活力和深度的数学领域。本书旨在为读者提供一个全面而深入的理解,从基础概念到高级应用,从经典理论到前沿探索。通过对随机性、概率、马尔可夫链、泊松过程、排队论和更新过程的学习,读者将掌握分析和建模现实世界中不确定性现象的强大工具。无论是出于学术研究的需要,还是为了解决实际工程或经济问题,对随机过程的深刻理解都将为您的探索之路提供无尽的洞见与可能。愿本书能点燃您对随机过程的探索热情,开启一段精彩的数学发现之旅。

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读后感

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用户评价

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深入阅读到中后段,我们开始接触到更复杂的随机过程——例如,涉及到连续时间随机过程(如泊松过程)的边缘过渡和相关的分析方法,尽管书名明确是“离散”,但过渡部分的处理方式,展现了作者试图打通离散与连续世界连接的努力。这部分内容无疑提升了全书的学术价值和覆盖面,它巧妙地将离散时间的框架作为理解更广阔随机现象的基石。然而,也正是这个跨越,让我感觉到了内容上的轻微失衡。在花了大量篇幅细致讲解了离散马尔可夫链的稳态分布之后,过渡到连续时间框架时,讲解的深度似乎有所压缩,很多连续时间模型的性质和解法只是蜻蜓点水式地提及,更像是为后续更专业的课程做铺垫,而不是对当前主题的深入挖掘。对于那些期待在“离散”领域得到彻底、全面解析的读者来说,这部分内容可能会显得有点仓促,仿佛作者在时间压力下,不得不加快了节奏,以确保在有限的篇幅内触及到更广泛的领域。这使得全书的重心在后半段略微倾斜,平衡感稍有欠缺。

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这部关于“离散随机过程”的书籍,初看之下,它就像一本厚重的学术砖头,封面设计走的是典型的教科书风格——深蓝底色配以白色和少许红色的衬线字体,给人一种严谨、不苟言笑的印象。我拿到这本书时,首先注意到的是它纸张的质感,偏哑光,印刷的墨迹清晰度极高,即使是那些复杂的概率图示和希腊字母公式,看起来也毫不费力。装帧方面,采用了精装设计,这对于需要频繁翻阅和在不同章节间跳转的读者来说,无疑是个福音,预示着它能经受住长时间的折腾。书的扉页上印着作者的简介,看起来是数学系里资历深厚的教授,这让我对内容的深度抱持着高度的期望。翻开第一章的目录,章节划分得极为细致,从最基础的马尔可夫链的定义、转移概率到更高级的平稳分布、遍历性和鞅的初步探讨,结构上显得逻辑链条非常完整。尤其值得称赞的是,它似乎并未将重点放在那些过于晦涩的证明推导上,而是努力用大量的篇幅去构建直观的理解框架,这对于那些希望将理论应用于实际问题的工程师或金融分析师而言,无疑是友好的信号。整体而言,从实体感受上判断,这是一部制作精良,意图清晰的专业参考书。

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这本书的叙事节奏,坦白说,需要读者有一定的耐心和前期基础储备。我花了整整一个下午才勉强啃完前三章,它们聚焦于基础概念的铺陈,例如随机变量、条件期望的迭代性质,以及如何构建一个离散时间框架下的随机模型。作者的笔触是内敛而精准的,每一个定义和定理的引入都像是精密仪器在校准,不容许丝毫的模糊地带。如果你期待看到大段的、充满激情的文字来激发你的学习欲望,那么你可能会感到失望,因为它几乎完全是公式、定义和紧凑的解释构成的文本块。举个例子,在讲解了基础的随机游走模型后,作者立刻转向了其在特定边界条件下的吸收概率计算,这部分计算量不小,而且对读者的代数能力要求较高。我尝试着用书后提供的习题来巩固理解,发现习题的难度梯度设置得非常科学,从基础的运算到需要综合运用多个概念的开放性问题都有涵盖。然而,这本书在试图涵盖的知识广度上似乎用力过猛,我总感觉某些核心概念的解释略显“一笔带过”,仿佛默认读者已经从其他地方获得了这些背景知识,这对于自学入门者来说,可能需要时不时地停下来,查阅其他辅助材料来填补理解上的空隙。

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这本书的排版和注释系统,总体来说,是教科书标准的典范,但在细节上仍有提升空间。页边距设计得相对紧凑,这使得每页能够容纳更多的数学信息,提高了阅读密度。公式编号清晰明确,交叉引用做得非常到位,当你需要回顾某个早先定义的引理时,能迅速定位。然而,我注意到一个反复出现的小瑕疵:书中的一些标准术语,例如“鞅的停时定理”,虽然在第一次出现时被加粗或斜体强调了,但在后续的章节中,如果不是被直接引用在核心公式里,其强调的力度似乎就减弱了,有时需要花一点时间在长段落中重新捕捉关键的术语点。此外,索引部分的处理也显得略微粗糙,查询特定概念时,有时会指向多个不完全相关的页面,需要读者自行甄别。这可能是我对一本技术性著作要求过高,但毕竟对于需要快速查找参考信息的读者而言,一个高效的索引是至关重要的辅助工具。这本书在呈现知识的严谨性上做到了极致,但在用户体验的易用性上,略显保守和刻板。

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阅读过程中,我最大的感受是作者对于“应用场景”的描述,相比于纯粹的数学推导,显得有些过于理论化,缺少了那种能让人眼前一亮、拍案叫绝的现实世界案例剖析。比如,在讨论到有限状态马尔可夫链的长期行为时,书里会用相当大的篇幅去证明收敛性的存在性,并给出精确的极限公式。但是,当我们真正去思考:这个极限在实际的通信网络、生态系统演化或者排队论中的具体意义是什么?作者提供的应用案例往往是高度抽象化的“粒子A移动到状态B”的描述,缺乏与真实世界数据或具体工程问题的直接挂钩。我期望看到更多关于如何利用这些过程来模拟复杂系统的例子,例如,如何用它来建模股票价格的跳跃过程,或者如何用它来优化物流系统的调度。书中的图表数量尚可,但很多图示更像是数学结构的示意图,而不是数据分布或过程演变的直观展示。对于渴望将理论转化为实践工具的读者来说,这本书更像是一本扎实的“原理说明书”,而不是一本“实战操作手册”。

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