Monte Carlo verification of analytically derived autocovariance and autocorrelation matrices for an averaged Wiener process


Notation

ti , tjare the indices of the time points equally spaced in time
i, jare the indices of the averaged time units
nis the number of time points in each averaged unit
σ2is scaled to the distance between neighboring time points


All indices (both time points and units) start from zero.


Autocovariance matrix of the discrete-time Wiener process

$ \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & ... & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & ... & 1 \\ 0 & 1 & 2 & 2 & 2 & 2 & 2 & ... & 2 \\ 0 & 1 & 2 & 3 & 3 & 3 & 3 & ... & 3 \\ 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 4 & 4 & ... & 4 \\ 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 5 & ... & 5 \\ 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & ... & 6 \\ ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... \\ 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & ... & min(t_{j}, t_{i}) \end{bmatrix} $


Autocorrelation matrix of the discrete-time Wiener process

$ \begin{bmatrix} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & ... & 0 \\ 0 & 1 & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 2 }} & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 3 }} & \frac{ 1 }{ 2 } & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 5 }} & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 6 }} & ... & \frac{ 1 }{ \sqrt{ i }} \\ 0 & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 2 }} & 1 & \sqrt{ \frac{ 2 }{ 3 }} & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 2 }} & \sqrt{ \frac{ 2 }{ 5 }} & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 3 }} & ... & \sqrt{ \frac{ 2 }{ i }} \\ 0 & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 3 }} & \sqrt{ \frac{ 2 }{ 3 }} & 1 & \frac{ \sqrt{ 3 } }{ 2 } & \sqrt{ \frac{ 3 }{ 5 }} & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 2 }} & ... & \sqrt{ \frac{ 3 }{ i }} \\ 0 & \frac{ 1 }{ 2 } & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 2 }} & \frac{ \sqrt{ 3 } }{ 2 } & 1 & \frac{ 2 }{ \sqrt{ 5 }} & \sqrt{ \frac{ 2 }{ 3 }} & ... & \frac{ 2 }{ \sqrt{ i }} \\ 0 & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 5 }} & \sqrt{ \frac{ 2 }{ 5 }} & \sqrt{ \frac{ 3 }{ 5 }} & \frac{ 2 }{ \sqrt{ 5 }} & 1 & \sqrt{ \frac{ 5 }{ 6 }} & ... & \sqrt{ \frac{ 5 }{ i }} \\ 0 & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 6 }} & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 3 }} & \frac{ 1 }{ \sqrt{ 2 }} & \sqrt{ \frac{ 2 }{ 3 }} & \sqrt{ \frac{ 5 }{ 6 }} & 1 & ... & \sqrt{ \frac{ 6 }{ i }} \\ ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... \\ 0 & \frac{ 1 }{ \sqrt{ j }} & \sqrt{ \frac{ 2 }{ j }} & \sqrt{ \frac{ 3 }{ j }} & \frac{ 2 }{ \sqrt{ j }} & \sqrt{ \frac{ 5 }{ j }} & \sqrt{ \frac{ 6 }{ j }} & ... & \sqrt{ \frac{ j }{ i }} , j \le i \end{bmatrix} $


Autocovariance matrix of the averaged Wiener process

$ \begin{bmatrix} \frac{ n }{ 3 } + \frac{ 1 }{ 6n } - \frac{ 1 }{ 2 } & \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ n - 1 }{ 2 } & ... & \frac{ n - 1 }{ 2 } \\ \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ 4n }{ 3 } + \frac{ 1 }{ 6n } - \frac{ 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & ... & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } \\ \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ 7n }{ 3 } + \frac{ 1 }{ 6n } - \frac{ 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & ... & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } \\ \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ 10n }{ 3 } + \frac{ 1 }{ 6n } - \frac{ 1 }{ 2 } & 3n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 3n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 3n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & ... & 3n + \frac{ n - 1 }{ 2 } \\ \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 3n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ 13n }{ 3 } + \frac{ 1 }{ 6n } - \frac{ 1 }{ 2 } & 4n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 4n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & ... & 4n + \frac{ n - 1 }{ 2 } \\ \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 3n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 4n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ 16n }{ 3 } + \frac{ 1 }{ 6n } - \frac{ 1 }{ 2 } & 5n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & ... & 5n + \frac{ n - 1 }{ 2 } \\ \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 3n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 4n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 5n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & \frac{ 19n }{ 3 } + \frac{ 1 }{ 6n } - \frac{ 1 }{ 2 } & ... & 6n + \frac{ n - 1 }{ 2 } \\ ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... \\ \frac{ n - 1 }{ 2 } & n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 2n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 3n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 4n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 5n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & 6n + \frac{ n - 1 }{ 2 } & ... & \begin{cases} n(j + \frac{ 1 }{ 3 }) + \frac{ 1 }{ 6n } - \frac{ 1 }{ 2 } & \quad j = i, \\ jn + \frac{ n - 1 }{ 2 } & \quad j < i. \end{cases} \end{bmatrix} $


Autocorrelation matrix of the averaged Wiener process

$ \begin{bmatrix} 1 & \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & ... & \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 6in^{2} + 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1} } \\ \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } } & 1 & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & ... & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 6in^{2} + 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1} } \\ \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } } & 1 & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & ... & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 6in^{2} + 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1} } \\ \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } } & 1 & \frac{ 21n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 21n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 21n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & ... & \frac{ 21n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 6in^{2} + 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1} } \\ \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 21n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } } & 1 & \frac{ 27n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1} \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 27n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1} \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & ... & \frac{ 27n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 6in^{2} + 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1} } \\ \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 21n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 27n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } } & 1 & \frac{ 33n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & ... & \frac{ 33n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 6in^{2} + 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1} } \\ \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 21n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 27n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & \frac{ 33n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } } & 1 & ... & \frac{ 39n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 6in^{2} + 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1} } \\ ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... & ... \\ \frac{ 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 6jn^{2} + 2n^{2} - 3n + 1} } & \frac{ 9n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 8n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 6jn^{2} + 2n^{2} - 3n + 1} } & \frac{ 15n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 14n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 6jn^{2} + 2n^{2} - 3n + 1} } & \frac{ 21n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 20n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 6jn^{2} + 2n^{2} - 3n + 1} } & \frac{ 27n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 26n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 6jn^{2} + 2n^{2} - 3n + 1} } & \frac{ 33n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 32n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 6jn^{2} + 2n^{2} - 3n + 1} } & \frac{ 39n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 38n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 6jn^{2} + 2n^{2} - 3n + 1} } & ... & \frac{ 6jn^{2} + 3n^{2} - 3n }{ \sqrt{ 6in^{2} + 2n^{2} - 3n + 1 } \sqrt{ 6jn^{2} + 2n^{2} - 3n + 1} }, j < i \end{bmatrix} $