Материал: Теория скрытности. Часть 1, Основы теории скрытности. Каневский З.М., Литвиненко В.П

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

ется, а если величина этого отклонения по модулю становится больше 3 , то плотность вероятностей становится близкой к нулю (в теории вероятностей этот результат называют «законом 3 »).

Рис. 8.2

На рис. 8.3 представлены зависимости функции распределения вероятностей F(x) для различных средних значений

a и СКО . При увеличении a кривая смещается вправо, а с ростом СКО становится более пологой.

Рис. 8.3

79

8.3. Скрытность состояний с непрерывным множеством значений

Рассмотрим скрытность состояний с непрерывным множеством безразмерных значений от в интервале от x1 до x2 .

Разобьем его на N отрезков

 

x ,

 

x

 

 

x2

x1

,

(8.8)

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда на n -м отрезке ( n

1, N ) значения состояния будут на-

ходиться в границах от x1

 

 

(n

1) x до x1

n x . Такие про-

цедуры называют квантованием непрерывной переменной, а

величину

x - шагом квантования.

 

 

Согласно (8.5) вероятность попадания значения состояния

в n -й интервал будет конечной величиной, равной

 

 

 

x1

n x

 

 

 

Pn

 

w( x)dx .

(8.9)

 

x1

( n

1)

x

 

При малых

x приближенно можно записать

 

 

Pn

w(xn )

x ,

(8.10)

где xn - значение состояния, соответствующее n -му интервалу, например, его середине,

x

x

(2n 1)

x .

(8.11)

 

n

1

2

 

 

 

 

 

 

Потенциальная (энтропийная) скрытность согласно (5.17) определяется выражением

80

N

 

 

S

Pn log2 Pn .

(8.12)

n

1

 

Подставляя (8.10) и учитывая свойство логарифма произведения, получим

N

 

 

 

N

 

 

 

S

w(xn )

x log2[w(xn )]

 

w(xn )

x log2 (

x) ,

(8.13)

n

1

 

 

n 1

 

 

 

а после преобразования запишем (8.13) в виде

 

 

N

 

 

 

 

N

 

 

S

w(xn )

log2[w(xn )]

x

log2 ( x)

w(xn )

x .

(8.14)

n

1

 

 

 

n 1

 

 

Переходя к пределу при

x

0 (шаг квантования при

этом становится дифференциалом переменной интегрирования dx ) и заменяя суммы интегралами, с учетом (8.3) получим

 

x2

 

 

 

S

w(x)

log2 [w(x)]dx lim log

2 ( x) .

(8.15)

 

x1

x 0

 

 

 

 

 

 

 

Как видно, интеграл

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

S

w(x) log2 [w(x)]dx .

(8.16)

 

 

 

x1

 

 

определяет зависимость потенциальной скрытности от вероятностных характеристик (плотности вероятностей) непрерывных значений состояния, а второе слагаемое в (8.15) ха81

рактеризует только процедуру квантования (оно стремится к бесконечности при x 0 ).

Так как распределение вероятностей характеризует раз-

брос значений состояния в заданном диапазоне, то S вида

(8.16) целесообразно назвать скрытностью рассеивания.

Она позволяет проводить сравнительный анализ скрытности объектов с различными распределениями вероятностей состояний.

Величину

 

 

S

log2 ( x)

(8.17)

можно назвать скрытностью дискретизации. Она зависит только от требуемой точности, с которой должно быть определено значение состояния (чем меньше погрешность, тем

больше S ).

В целом скрытность (8.15) состояний с непрерывными значениями всегда бесконечна. При заданном шаге дискретизации x она оказывается конечной и определяется выражением (8.12), а вероятности Pn вычисляются в соответствии с

(8.9) и зависят как от x , так и плотности вероятностей w(x) значений состояния.

8.4.Скрытность состояний с равномерной плотностью вероятностей значений

Пусть значения

x состояния в диапазоне от x1 до x2

( x2 x1 D ) имеют

равномерную плотность

вероятностей

вида

 

 

 

 

 

w(x)

1

,

(8.18)

 

 

 

 

D

 

82

как показано на рис. 8.4. Очевидно, что выполняется условие

x2

 

w(x)dx 1 .

(8.19)

x1

 

Рис. 8.4

 

Пусть шаг дискретизации x выбран так, что N

D / x

является целым числом ( N - число одинаковых интервалов дискретизации), тогда вероятность попадания в него значения состояния согласно (8.9) равна

 

 

 

 

P

1

 

 

 

 

D

.

 

 

 

(8.20)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

N

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим потенциальную скрытность (8.12) состояния

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

S

P

log

P

 

log N log

.

(8.21)

 

 

 

 

n

2

 

n

2

 

 

2

x

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При этом скрытность рассеивания S из (8.16) равна

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

w(x) log2 [w(x)]dx

log2 D ,

(8.22)

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а скрытность дискретизации

S определяется из (8.17). Оче-

видно, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

S

S .

 

 

 

(8.23)

 

 

 

 

 

83

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.5. Скрытность состояний с показательной плотностью вероятностей значений

Плотность показательного (экспоненциального) распре-

деления вероятностей при x

0 имеет вид

 

w(x)

1

exp

x

.

(8.24)

 

 

Параметр - среднее значение и среднеквадратическое отклонение (в данном случае они совпадают). График плотности вероятностей w(x) показан на рис. 8.5, а на рис. 8.6 – со-

ответствующей функции распределения вероятностей F(x) .

Рис. 8.5

 

Рис. 8.6

 

 

При шаге квантования

x вероятность попадания значе-

ния состояния в n -й интервал согласно (8.5) равна

n

x

e ( n 1)

x

x

Pn

w(x)dx

 

1 e

 

 

 

. (8.25)

(n

1) x

 

 

 

 

 

Из (8.12) получим выражение для потенциальной скрытности

84

 

 

n

x

 

x

 

n

x

 

x

 

S

e

 

1 e

log2 e

 

1 e

, (8.26)

 

 

 

 

n0

апосле алгебраических преобразований можно записать

 

 

x

x

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

S

log2 1 e

 

1 e

 

 

 

log2 e

n

 

 

 

 

 

, (8.27)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

0

 

где введено обозначение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

(8.28)

Сумма в правой части (8.28) является арифметикогеометрической прогрессией и равна

n

n

 

 

 

.

(8.29)

(1

)

2

n 0

 

 

 

С учетом этого из (8.27) после преобразований получим

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

S

log2 1 e

x

 

x

e

 

log2 e . (8.30)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

1

e

 

 

Скрытность рассеивания S согласно (8.16) равна

85

 

 

1

 

x

1

 

x

 

 

 

 

 

e

 

 

S

0

e log2

 

dx log2 e , (8.31)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

скрытность квантования определяется (8.17), а полная скрытность при малом шаге квантования определяется выражением

 

S*

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S S log2

.

 

(8.32)

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 8.7 представлены

 

 

 

 

 

зависимости S и S* от нор-

 

 

 

 

 

мированного шага

квантова-

 

 

 

 

 

ния

 

x / .

 

Уменьшение шага

 

 

 

 

 

квантования приводит к по-

 

 

 

 

 

вышения

 

скрытности. Как

 

 

 

 

 

видно, выражение (8.32) хо-

 

 

 

 

 

рошо согласуется с точным

 

Рис. 8.7

 

 

 

выражением для определения

 

 

 

 

 

скрытности вида (8.30) в об-

ласти x /

1. При больших величинах

x /

возникают

сильные расхождения (величина S*

может стать даже отрица-

тельной), так как выражение для S* получено при условии малости шага квантования.

8.6.Скрытность состояний с нормальной плотностью вероятностей значений

Нормальное (гауссовское) распределение вероятностей непрерывной случайной величины в качестве примера рассмотрено в параграфе 8.2. Ее плотность вероятностей определяется выражением (8.7), графики показаны на рис.8.1 и 8.2.

Диапазон изменения значений x состояния от до

86

, однако фактически они с высокой вероятностью нахо-

дятся в пределах 3

от среднего значения a .

 

Пусть квантование производится с шагом

x в обе сто-

роны от a , тогда n -й интервал квантования имеет вид

a

n x x a n x .

(8.33)

Вероятность попадания в него значения состояния согласно

(8.9) равна

 

 

 

1

 

a (n 1) x

(x a)2

 

 

 

 

 

 

Pn

 

 

 

 

 

exp

 

 

 

dx . (8.34)

 

 

 

 

 

2

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

a n

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интеграл (8.34) не берется, то есть не выражается в эле-

ментарных функциях. Пример зависимости Pn

от n при a 0

показан на рис. 8.8. Как видно, высоко вероятными являются значения состояния, близкие к среднему значению a .

Потенциальная скрытность определяется выражением, подобным (8.12),

S

Pn log2 Pn ,

(8.35)

 

n

 

где вероятности

Pn определяются из (8.34). Зависимость по-

тенциальной скрытности от шага квантования показана сплошной линией на рис. 8.9.

Скрытность рассеивания S согласно (8.16) равна

 

1

 

 

(x a)2

 

 

1

 

 

(x a)2

dx .(8.34)

S

 

exp

log2

 

 

exp

 

 

 

 

2

2

 

 

 

2

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

87

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.8

 

Рис. 8.9

 

Используя замену переменной

 

z

 

x

 

a

,

(8.35)

 

 

 

 

2

 

 

 

 

получим

 

 

1

 

exp z 2 log2

 

 

1

 

 

 

 

z 2 dx . (8.36)

S

 

 

 

 

 

 

exp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя известные значения интегралов

 

 

 

 

 

 

 

exp( z2 )dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

(8.37)

 

 

 

 

 

88

 

 

 

 

 

 

 

Источник: https://studfile.net/preview/16568622/