§ 3. Приложение к выводу теоремы Кемпбелла
Предположим, что какие-то события происходят в случайные моменты времени в соответствии с законом Пуассона, причем средняя плотность числа событий за единицу времени равна
Пусть каждое событие имеет некоторую интенсивность
и вызывает эффект, величина которого через время
после момента возникновения этого события равна и
Обозначим через
суммарный эффект в момент
от всех событий,
чившихся до этого момента; тогда
где
всевозможные предшествующие
моменты появления событий, а
интенсивности соответствующих событий. Мы будем предполагать, что
-взаимно независимые случайные величины, имеющие одинаковую функцию распределения. Пусть
вероятностный процесс, выборочные функции которого постоянны в промежутках между событиями, а в момент возникновения события возрастают на соответствующую интенсивность и
Тогда этот процесс имеет стационарные независимые приращения, и
где
Выражения для
мы можем теперь записать в виде
если положить
при Следовательно,
есть стационарный в узком смысле вероятностный процесс, а именно процесс, получаемый скользящим суммированием. Если обозначить
то мы будем иметь
В частном случае, когда распределение вероятностей для и сосредоточено в одной точке,
В этом специальном случае формула (3.6) для дисперсии в
называется теоремой Кемпбелла.
Согласно теореме
для каждого
можно определить таким образом, чтобы процесс
был измерим. Тогда математические ожидания в (3.6) можно отождествить с временными средними: действительно, так как процесс
стационарен в узком смысле и метрически транзитивен (см. § 1 гл. XI), то из закона больших чисел для стационарных в узком смысле вероятностных процессов (т. е. из эргодической теоремы; см. теорему 2.1 гл. XI) вытекает, что с вероятностью 1
В большинстве приложений средняя плотность с числа событий весьма велика. В таком случае нетрудно доказать (например, при помощи мегода характеристических функций), что распределения для приращений процесса
а также для значений процесса
близки к гауссовским. Это означает, что процесс
очень близок к процессу брауновского движения (см. § 2 гл. VIII). Для того чтобы сформулировать этот факт более четко, введем в рассмотрение процесс
с независимыми гауссовскими приращениями, удовлетворяющий условию (3.2), так что процесс
будет процессом брауновского движения. Определим
при помощи равенства
Тогда
есть стационарный в узком смысле гауссовский процесс, и процесс
асимптотически сближается с (I) при с
; в приложениях обычно рассматривают именно процесс
а не сам процесс 0.