偶然的数学CHANCE / MATHEMATICS

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归属与证明范围

主要证明归属:第26章

相关工具与应用:第16章 · 第28章

分段阅读所需工具

连续路径、停止时刻、自然滤过、强 Markov 定理及反射变换的保测性。

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:首次到达与反射原理


4.11 为什么随机路径比随机变量包含更多的信息?

到目前为止,我们已经知道:

B_T\sim N(0,T).

这能够告诉我们时间 T 时粒子在哪里。

但是,如果我们想问:

在时间 T 之前,粒子是否曾经到达某个高度 a>0?

这就完全是另外一个问题。

定义首次到达时间

\tau_a=\inf\{t\ge0:B_t=a\}.

我们真正关心的是

P(\tau_a\le T).

这个事件依赖整条路径,而不仅仅是最终位置 B_T。

例如,粒子可能先到达高度 a,随后又回到原点附近。

如果我们只观察最终位置,就完全无法知道这件事是否发生。

但 Brownian motion 的独特对称性,让我们能够计算这个路径事件。

4.11.1 反射原理

考虑所有在时间 T 之前达到高度 a,但最终落在 a 以下的路径。

对于每一条这样的路径,我们在它首次达到高度 a 的时刻之后,将后续部分关于水平线 y=a 反射。

利用 Brownian motion 在首次到达时刻之后的强 Markov 性质,以及增量的对称性,这种反射建立了相应路径事件之间的概率对应。

于是得到反射原理(reflection principle):

\boxed{ P\left(\sup_{0\le t\le T}B_t\ge a\right) = 2P(B_T\ge a). }

因为

B_T\sim N(0,T),

所以

P(B_T\ge a) = 1-\Phi\left(\frac a{\sqrt T}\right),

其中 \Phi 是标准正态分布函数。

因此

\boxed{ P(\tau_a\le T) = 2\left[ 1-\Phi\left(\frac a{\sqrt T}\right) \right]. }

这个公式非常值得注意。

我们原先通过中心极限定理得到的是某个固定时刻的 Gaussian 分布。

但通过路径对称性,我们又能用它计算首次到达事件的概率。

甚至可以进一步求出首次到达时间的密度:

\boxed{ f_{\tau_a}(t) = \frac{a}{\sqrt{2\pi t^3}} \exp\left(-\frac{a^2}{2t}\right), \qquad t>0. }

有趣的是,

P(\tau_a<\infty)=1,

但

\mathbb E[\tau_a]=\infty.

也就是说,粒子几乎必然最终会达到任意固定的正高度,但达到这一高度的期望等待时间却是无穷大。

这再次提醒我们:

几乎必然发生,并不意味着等待时间具有有限期望。

从离散随机游走的首次到达问题,到连续 Brownian motion 的反射原理,概率论开始发展出研究整条随机轨迹的理论。