偶然的数学CHANCE / MATHEMATICS

偶然的数学 / 全书目录本页阅读进度

归属与证明范围

主要证明归属:第23章

相关工具与应用:第8章

分段阅读所需工具

测度扩张、Gaussian 向量、一致有限维分布、Kolmogorov 连续修正及路径映射可测性。

状态限定于已写材料,不表示本专题已全部证明或通过数学终审。

进阶阅读:连续版本与 Wiener measure


4.8.1 连续的 Brownian motion 真的存在吗?

我们刚才通过随机游走的函数型极限定理,已经找到了一条构造思路。

但还有另一种非常重要的方法。

我们可以先从协方差核出发:

K(s,t)=\min(s,t).

对任意有限个时刻 t_1,\ldots,t_m,矩阵

\left(K(t_i,t_j)\right)_{i,j=1}^m

是非负定的。

事实上,利用

K(s,t)=\int_0^\infty \mathbf1_{\{u\le s\}}\mathbf1_{\{u\le t\}}\,du,

我们有

\begin{aligned} \sum_{i,j=1}^m a_ia_jK(t_i,t_j) &=\int_0^\infty \left(\sum_{i=1}^m a_i\mathbf1_{\{u\le t_i\}}\right)^2du\\ &\ge0. \end{aligned}

因此,这些矩阵可以作为中心 Gaussian 向量的协方差矩阵。

它们还满足删除、重排时间坐标时所要求的一致性条件。

所以,Kolmogorov 扩张定理允许我们构造一个具有这些有限维分布的 Gaussian process。

但还有最后一步。

我们需要证明它存在连续的修正版本(continuous modification)。

因为

B_t-B_s\sim N(0,t-s),

所以

\mathbb E[|B_t-B_s|^4] = 3|t-s|^2.

这正好满足 Kolmogorov 连续性定理所要求的一类矩条件。

因此,可以构造一个具有连续样本路径的版本。

至此,我们才真正得到了连续时间的 Brownian motion。〔41, 42〕

这条证明路线同样展现了现代概率论的层次结构:

一致的有限维概率分布随机过程的存在增量矩估计连续路径版本的存在\boxed{ \begin{gathered} \text{一致的有限维概率分布}\\ \Downarrow\\ \text{随机过程的存在}\\ \Downarrow\\ \text{增量矩估计}\\ \Downarrow\\ \text{连续路径版本的存在} \end{gathered} }

这几步不是同一个定理,也不能随意省略。

4.8.2 Wiener measure:整个函数也可以是随机变量

现在我们已经知道,Brownian motion 的样本路径几乎必然属于

C([0,1]).

那么最自然的想法就是:干脆直接把连续函数当作概率空间中的结果。

令

\Omega=C_0([0,1]) = \{f\in C([0,1]):f(0)=0\}.

配备一致范数产生的 Borel \sigma-代数。

我们希望在这个函数空间上建立一个概率测度 \mathbb W,使坐标映射

B_t(\omega)=\omega(t)

成为标准 Brownian motion。

这个测度就称为 Wiener measure。

于是,我们能够对整个函数空间中的事件赋予概率。

例如:

A=\left\{ \omega:\sup_{0\le t\le1}\omega(t)\ge1 \right\}.

这不再是一个关于单个时刻的事件。

它研究的是整条路径是否曾经触及某个高度。

我们可以写:

\mathbb W(A) = P\left(\sup_{0\le t\le1}B_t\ge1\right).

请注意,这正好回应了第一章末尾留下的问题。

当我们不能再靠计数描述结果时,应该怎么办?

现在,我们面对的样本空间甚至不是一个区间,而是一个无限维函数空间。

概率依然可以定义,因为概率的真正基础不再是“有利结果数除以总结果数”,而是满足适当公理的测度。

在这里,随机变量可以是一个实数,也可以是一条连续函数,甚至可以是更加复杂的随机几何对象。

现代概率论开始摆脱对随机结果具体形式的依赖。

而这正是我们以后研究随机树和 CRT 必不可少的基础。