Construction of a Stochastic Model for a Linear Extrapolator of an L-Markov Fractal Process

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Problems arising in information theory, automatic control theory, statistical radio engineering and radiophysics, metrology, geology, and other fields often necessitate the study of extrapolation, interpolation, and filtering of random processes and fields. In many cases, when analyzing complex systems characterized by stochastic behavior, the underlying processes are either Markovian or closely related to Markov processes. Today, spectral estimation of random processes and fields is regarded as one of the most promising mathematical methods for investigating such systems. In practice, the spectrum of a random process is typically measured using physical instruments such as spectrum analyzers. Many real-world random processes and fields exhibit invariance under scaling transformations. Consequently, their study reduces to the analysis of stochastic self-similar processes, which can be described using fractal sets. Fractal geometry methods, based on the concept of fractal dimension, have proven to be effective tools for evaluating such complex and heterogeneous processes and fields. The purpose of this work is to confirm the author's hypothesis that a subclass of fractal processes exists within the broader class of L-Markov processes, and to synthesize a stochastic model for the optimal linear extrapolator for this subclass. Basic approaches. This paper presents key aspects of the general theory of stationary random functions, emphasizing the spectral representation of functions whose spectral densities possess specific forms. The physical meaning of spectral representation lies in the ability to isolate spectral components corresponding to different parts of the spectrum using appropriately designed filters. By modeling the input signal as a real stationary random process with a spectral representation, it becomes possible to simulate, forecast, and qualitatively control the filtering process. To construct the optimal linear extrapolator, the study utilizes stochastic methods for analyzing random processes and fields, the theory of analytic and entire functions, the theory of stochastic differential-difference equations with delayed arguments, and methods of fractal analysis for random processes. Conclusions. It was found that within the class of L-Markov processes, for certain values of the parameters characterizing their quasi-rational spectral densities, there exists a subclass of processes with fractal properties. These processes are persistent, exhibiting a high Hurst exponent and, correspondingly, a low fractal dimension. As a result, they possess sufficient memory, enabling reliable and accurate prediction. A model for a linear extrapolator for an L-Markov fractal random process with a quasi-rational spectrum has been synthesized. The findings show that the optimal linear extrapolator for a forward time interval τ depends only on the process values at a finite number of points and does not involve an integral term. This result is particularly important for many technical applications that require the identification, classification, filtering, and recognition of random processes.

About the authors

L. Yu. Fadeeva

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI

Author for correspondence.
Email: milafadeeva@yandex.ru
SPIN-code: 4716-7200

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department for Radio-Electronic and Telecommunication Systems, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI. Research interests – study of multidimensional media with distributed parameters, electrodynamic modeling of radio engineering systems, automated control, diagnostics, and monitoring systems in communication lines and antenna systems, and diagnostic equipment in radio engineering. The author of 70 scientific publications, 2 monographs, and 6 patents. 

Russian Federation, 10, Karl Marx str., Kazan, 420111

References

  1. Kobenko V. Yu. Modeling of identification addition operation at random signals distributions. Omsk Scientific Bulletin. Ser.: Radio Engineering and Communication. 2012;(2)110:304–309. (In Russ.)
  2. Babicheva G. A., Kargapolova N. A., Ogorodnikov V. A. Special algorithms for the simulation of homogeneous random fields. Numerical Analysis and Applications. 2016;9(2):95–106. (In Russ.) doi: 10.15372/SJNM20160201; EDN: TRTQQU.
  3. Molchan G. M. L-Markov Gaussian fields. Doklady Akademii Nauk SSSR. 1974;215(5):1054–1057. (In Russ.)
  4. Gortyshov Yu. F., Danilaev P. G., Kostin V. A. et al. Computational methods for solving inverse problems in aviation engineering. Kazan: Publishing House of KNITU-KAI, 2021. 388 p. (In Russ.)
  5. Evdokimov Yu. K., Fadeeva L. Yu. Radiofrequency sensing method and algorithm of inhomogeneous conductive structures. Vestnik IzhGTU imeni M. T. Kalashnikova. 2023;26(2):94–102. (In Russ.) doi: 10.22213/2413-1172-2023-2-94-102; EDN: NLHPMI.
  6. Potapov A. A. Fractals in radiophysics and radar: sample topology. 2nd revised and enlarged ed. Moscow: Universitetskaja kniga, 2005. 848 p. (In Russ.) EDN: QMOEFX.
  7. Chen Y. Modeling fractal structure of city-size distributions using correlation functions. PLoS ONE. 2011;6(9):1–9. doi: 10.1371/journal.pone.0024791.
  8. Mandelbrot B. Fractal Geometry of Nature. Trans. from English. Moscow: Institute of Computer Research, 2002. 656 p. (In Russ.)
  9. Kolmogorov A. N., Fomin S. V. Introductory Real Analysis. Translated by R. A. Silverman. New Jersey, USA: Prentice Hall, 2009. 403 p.
  10. Fadeeva L. Yu., Khusnutdinov M. V. Synthesis of a stochastic forecast model for a fractal L-Markov process. Matematicheskie metody v tehnike i tehnologijah. 2024;(5):67–70. (In Russ.)
  11. Fadeeva L. Yu., Zinoviev K. D. Features of the parameters of spectral densities of L-Markov processes and video signals. Electronics, Photonics and Cyber-Physical Systems. 2024;4(4):8–14. (In Russ.) EDN: CDGGAF.
  12. Fadeeva L. Yu., Malkov V. A. Comparative analysis of fractal characteristics of a radio signal calculated by several methods. Matematicheskie metody v tehnike i tehnologijah. 2024;(6):84–87. (In Russ.)
  13. Yaglom A. M. An Introduction to the Theory of Stationary Random Functions. Revised English ed., translated and edited by Richard A. Silverman. Mineola, New York, 2004. 247 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».