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 |
|
|
|
|
|
|
|
||