Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Введение в случайные процессы

.pdf
Скачиваний:
74
Добавлен:
01.05.2014
Размер:
366.57 Кб
Скачать

Лекция 5

31

Теперь продолжим рассмотрение отдельных классов случайных процессов. Начнем с марковских процессов.

Существует много эквивалентных определений, формализующих наглядное представление о том, что у марковского процесса при фиксированном настоящем прошлое и будущее независимы.

Пусть {Xt, t T } случайный процесс, заданный на некотором вероятностном пространстве (Ω, F, P ). Обозначим

F≤t = σ(Xs, s ≤ t),

F≥t = σ(Xs, s ≥ t) è

F=t = σ(Xs, s = t).

Определение. Процесс X называется марковским, åñëè

P (AB|F=t) = P (A|F=t)P (B|F=t),

для любых A F≥t, B F≤t è t T .

Задача. Доказать, что каждое из следующих утверждений эквивалентно определению марковского процесса:

(1)

P (A|F≤t) = P (A|F=t), A F≥t, t T.

(2)

P (B|F≥t) = P (B|F=t), B F≤t, t T.

Лекция 5

Напомним определение условного математического ожидания и его основные свойства.

Пусть (Ω, F, P ) некоторое вероятностное пространство, A σ- алгебра (A F) è X случайная величина с E|X| < ∞.

Определение. Условное математическое ожидание E(X|A) является

A-измеримой функцией ω, задаваемой с точностью до эквивалентности следующим соотношением:

ZZ

E(X|A) dP = X dP, B A.

BB

(Существование у.м.о. вытекает из теоремы Радона-Никодима.)

32 Введение в случайные процессы

Определение. Сужение E(X|A) на класс индикаторов χA, A F, называется условной вероятностью события A при заданной σ- алгебре A и обозначается P (A|A). Очевидно, что P (A|A) ýòî A- измеримая функция, удовлетворяющая условию

Z

P (A|A) dP = P (AB), для любого B A.

B

Свойства условного математического ожидания.

(1)E(E(X|A)) = EX.

(2)Åñëè X является A-измеримой, то

E(X|A) = X ï.í.

(3)Åñëè X = C ï.í., òî E(X|A) = C ï.í.,

à åñëè X ≥ Y ï.í., òî E(X|A) ≥ E(Y |A) ï.í.

(4)Линейность у.м.о.:

E(c1X1 + c2X2|A) = c1E(X1|A) + c2E(X2|A) ï.í.

(5) Åñëè ñ.â. X измерима относительно A, òî

E(XY |A) = XE(Y |A) ï.í.

(6) Пусть σ-алгебры Ai F, i = 1, 2, è A1 A2, тогда

E(E(X|A2)|A1) = E(X|A1) = E(E(X|A1)|A2) ï.í.

Åñëè z : Ω → X некоторое отбражение из Ω â X, то по определению

E(X|z) = E(X|Fz),

ãäå Fz = {z−1(B), B Fz0 }, à Fz0 = {B X, z−1(B) F}.

(7) Åñëè ñ.â. X не зависит от σ-алгебры A, òî

E(X|A) = EX.

(8) Åñëè z случайная величина, то берется

Fz = {z−1(B), B B1} (B1 σ-алгебра),

ïðè ýòîì E(X|z) = g(z), ãäå g(·) борелевская функция.

(9)Справедливы также теоремы о монотонной сходимости и аналоги теорем о сходимости Фату-Лебега:

a)Åñëè 0 ≤ Xn ↑ X ï.í., òî 0 ≤ E(Xn|A) ↑ E(X|A) ï.í. Â

частности,

 

 

!

 

 

 

X

 

 

 

X

 

 

P

Ak|A

 

=

P (Ak|A) ï.í.

 

 

k=1

 

 

P

k=1

 

 

(напомним, что запись

 

AiAj = , i 6= j

 

kAk несовместных

 

 

 

 

 

 

 

 

k Ak означает, что берется объединение

 

 

событий, т.е.

 

).

Лекция 5

33

b) Пусть Y è Z интегрируемы (т.е. существуют

EY è

EZ). Åñëè Y ≤ Xn ï.í. (èëè Xn ≤ Z ï.í.), òî

 

Elim Xn|A ≤ lim E(Xn|A) ï.í.

n→∞

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

n|

 

 

 

 

 

n|

 

n→∞

A)

E

n→∞

 

A

(соотв. lim E(X

 

 

 

lim X

 

ï.í.)

Âчастности, если Y ≤ Xn ↑ X ï.í. (èëè Y ≤ Xn ≤ Z ï.í

èXn → X ï.í.), òî

E(Xn|A) → E(X|A) ï.í. ïðè n → ∞.

(Далее п.н. будет часто опускаться).

Определение. Условная вероятность P (·|A) называется регулярной, если при каждом ω, за исключением множества меры 0, она является вероятностной мерой.

Таким образом, регулярная условная вероятность P A со значениями

P (A|A)(ω) это функция, определенная на FЧΩ, обладающая следующими свойствами:

1)P (A|A)(ω) есть A-измеримая по ω функция для каждого фиксированного A и представляет собой вероятность на F при каждом фиксированном

ω.

2)Для любых фиксированных A F è B A

Z

P (AB) = P (A|A) dP.

B

(9) Åñëè P A регулярная условная вероятность, то

Z

E(X|A) = X dP A ï.í. для любой с.в. X с E|X| < ∞.

Определение. Потоком называется неубывающее семейство σ-

алгебр {Ft, t ≥ 0}, ò.å. Ft1 Ft2 ïðè t1 < t2, Ft F для любого t.

Предположим, что Xt(ω) при любом t принимают значения в измеримом пространстве (X, B).

Определение. Случайный процесс X = {Xt, t ≥ 0} называется

согласованным с потоком σ-алгебр {Ft, t ≥ 0} (èëè адаптированным

к потоку), если с.в. Xt является Ft-измеримой при любом t ≥ 0.

34

Введение в случайные процессы

Определение. Случайный процесс (Xt, Ft)t≥0 называется марковским относительно семейства σ-алгебр {Ft, t ≥ 0}, если процесс адаптирован к потоку, и для любого t σ-алгебры Ft è F≤t условно независимы при данной с.в. Xt, ò.å.

(1)Xt Ft-измерима при любом t ≥ 0.

(2)P (AB|Xt) = P (A|Xt)P (B|Xt) A F≥t, B Ft, t ≥ 0.

Задача. Проверить, что случайный процесс X марковский относительно семейства (Ft, t ≥ 0) является просто марковским (т.е. относительно семейства F≤t).

Лемма. Пусть процесс {Xt, t ≥ 0} адаптирован к потоку {Ft, t ≥ 0}. Тогда следующие условия эквивалентны:

(1)Случайный процесс {Xt, t ≥ 0} марковский относительно семейства σ-алгебр {Ft, t ≥ 0}.

(2)Для любого t ≥ 0 и произвольной F≥t-измеримой ограниченной случайной величины Y выполнено равенство

E(Y |Ft) = E(Y |Xt) (ï.í.).

(3)Для любой измеримой ограниченной функции f(x) (supx |f(x)| < ∞) и произвольных s ≥ t верно

E(f(Xs)|Ft) = E(f(Xs)|Xt) (ï.í.).

Доказательство. Установим 1 = 2. Так как любая ограниченная

F≥t-измеримая с.в. может быть представлена как предел простых функций, т.е. конечных линейных комбинаций индикаторов, то достаточно проверить требуемое свойство для Y = χA, ãäå A F≥t, а затем воспользоваться

свойствами у.м.о.

Итак, проверим, что

P (A|Ft) = P (A|Xt), A F≥t.

С одной стороны, в силу марковости (и свойств у.м.о.) имеем цепочку равенств

P (AB) = E(P (AB|Xt)) =

=E(P (A|Xt)P (B|Xt)) = E(P (A|Xt)E(χB|Xt)) =

=E(E(χBP (A|Xt)|Xt)) = E(χBP (A|Xt)).

Ñдругой стороны,

P (AB) = EχAχB = E(E(χAχB|Ft)) =

= E(χBE(χA|Ft)) = E(χBP (A|Ft)).

Лекция 5

35

Таким образом, для любого B Ft

ZZ

P (A|Xt) dP = P (A|Ft) dP (= P (AB)),

BB

àпоскольку P (A|Xt) ýòî Ft-измеримая функция, получаем необходимое равенство

E(Y |Ft) = E(Y |Xt) äëÿ Y = inf, A F≥t.

A

Теперь покажем, что 2 = 1. Пусть A F≥t è B Ft, тогда

P (AB|Xt) = E(χAχB|Xt) = E(E(χAχB|Ft)|Xt) =

=E(χBE(χA|Ft)|Xt) = E(χBE(χA|Xt)|Xt) =

=E(χA|Xt)E(χB|Xt) = P (A|Xt)P (B|Xt).

Так как 3 это частный случай 2 (при Y = f(X1)), то надо доказать лишь, что 3 = 2.

Пусть сначала Y = f1(Xs1 . . . fn(Xsn ), ãäå t ≤ s1 < · · · < sn è

supx |fi(x)| < ∞, i = 1, n. Установим интересующий нас результат по индукции. При n = 1 утверждение справедливо, так как совпадает с

3. Предположим, что для n − 1 равенство установлено, ипроверим его для n. Имеем

E

n−1 fi(Xi)g(Xsn−1 )|Xt!

= E

n−1 fi(Xi)E(fn(Xsn )|Fsn−1 )|Xt! =

 

iY

 

Y

 

 

 

=1

 

i=1

n fi(Xsi )|Fsn−1 !|Xt!

 

 

 

= E E

=

 

 

 

 

iY

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

= E

n

fi(Xsi )|Xt! = E(Y |Xt).

 

 

 

 

iY

 

 

 

 

 

=1

 

 

Доказательство закончено, так как любую F

≥t

-измеримую ограниченную

с.в. можно приблизить с помощью

n

 

 

 

Qi=1 fi(Xsi ).

Для любого марковского процесса справедлив следующий результат.

Лемма. Процесс {Xt, t ≥ 0} марковский тогда и только тогда, когда для любой измеримой ограниченной f(x) и произвольного набора t1 ≤ t2 ≤ · · · ≤ tn ≤ s с вероятностью 1

E(f(Xs)|Xt1 , . . . , Xtn ) = E(f(Xs)|Xtn ).

Доказательство. Если процесс марковский, то требуемое утверждение вытекает из предыдущей леммы. В самом деле

E(f(Xs)|Xt1 , . . . , Xtn ) = E(E(f(Xs)|F≤tn )|Xt1 , . . . , Xtn ) =

36

Введение в случайные процессы

 

= E(E(f(Xs)|Xtn )|Xt1 , . . . , Xtn ) = E(f(Xs)|Xtn ).

Обратно, пусть указанные у.м.о. совпадают, покажем, что тогда

E(f(Xs)|F≤t) = E(f(Xs)|Xt) ïðè s ≥ t.

Для этого достаточно проверить, что для любого B F≤t

ZZ

f(Xs) dP = E(f(Xs)|Xt) dP.

BB

Âсилу условий леммы эти интегралы совпадают для B σ(Xt1 , . . . , Xtn , Xt) ïðè t1 ≤ · · · ≤ tn ≤ t ≤ s. Правая и левая части равенства это

конечные меры (не обязательно вероятностные), совпадающие на цилиндрах, порождающих F≤t. В силу единственности продолжения меры равенство

будет выполнено для любого B F≤t.

 

Итак, пусть имеется измеримое пространство

(X, B), в котором

все одноточечные множества измеримы, называемое фазовым. И пусть (Xt, Ft)t≥0 марковский процесс относительно потока {Ft, t ≥ 0} ñî

значениями в фазовом пространстве. Тогда с вероятностью 1 при t ≥ s для любого A B

P (Xt A|Fs) = P (Xt A|Xs).

В силу свойства 7 у.м.о. существует такая функция P (s, x, t, A), ÷òî

P (Xt A|Xs) = P (s, Xs, t, A).

Эта функция играет важную роль в теории марковских процессов. Но для плодотворной теории надо наложить дополнительные требования.

Они станут особенно понятными, если вспомнить следующую интерпретацию

P (s, x, t, A) = P (Xt A|Xs = x).

Определение. Функция P (s, x, t, A) называется марковской переходной

функцией íà (X, B), åñëè

1для любых s, x, t (как функция A) P (s, x, t, ·) вероятностная

ìåðà íà B,

2для любых s, x, A (как функция x) P (s, ·, t, A) измерима, 3

(

P (s, x, s, A) = δx(A), здесь δx(A) =

1, ïðè x A,

0, ïðè x / A,

4выполнено уравнение Колмогорова-Чепмена, т.е. для любых

0 ≤ s ≤ u ≤ t

Z

P (s, x, t, A) = P (s, x, u, dy)P (u, y, t, A).

X

Лекция 5

37

(Существует такой подход, при котором изучается это семейство функций, а точнее, порождаемое ими семейство линейных операторов. При этом не предполагается существование ни вероятностного пространства, ни марковского случайного процесса.)

Действительно, с измеримым пространством (X, B) связаны два

банаховых пространства.

B совокупность ограниченных B-измеримых функций x X, норма определена следующим образом:

kfk = sup |f(x)|.

x X

V совокупность обобщенных мер (или зарядов), т.е. числовая счетно-аддитивная функция множеств A B, норма ν это полная вариация на всем пространстве:

kνk = |ν|(X).

Оказывается, что между B è V существует определенная связь: V B è B V (где знак показывает, что речь идет о сопряженном

пространстве).

В самом деле, положим

Z

hν, fi = ν(dx)f(x),

X

где интеграл определяется следующим образом

Z Z Z

ν(dx)f(x) = ν+(dx)f(x) − ν(dx)f(x),

X X X

à ν = ν+ − νэто разложение Жордана.

Тогда каждому элементу ν V соответствует линейный функционал hν, ·i íà B, а каждому элементу f B соотвествует линейный функционал h·, fi íà V.

Задача. Доказать, что норма элемента и норма соответствующего линейного функционала совпадают:

kνk = sup | hν, fi |,

kfk = sup | hν, fi |.

kfk=1

kνk=1

Линейные операторы в пространстве B будем записывать слева от элемента f B, а в пространстве V справа.

Пусть P (s, x, t, A) марковская переходная функция, удовлетворяющая требованиям 1−4. Определим на пространстве B семейство операторов

P st (s ≤ t, s, t T ) с помощью соотношения

Z

P stf(x) = P (s, x, t, dy)f(y).

X

38

Введение в случайные процессы

(Существование и ограниченность интервала для f

), а измеримость

B обеспечивается

òåì, ÷òî

P (s, x, t, ·) конечная мера (свойство

1

)).

P stf(x) ïî x измеримостью P (s, , t, A) (свойство 2

 

Установим свойства операторов· P st.

 

 

1) В силу их определения операторы линейны.

Остальные свойства операторов вытекают из свойств переходной функции.

2) Операторы P st сжимающие.

 ñàìî äåëå, òàê êàê P (s, x, t, ·) вероятностная мера (1), òî

Z

|P stf(x)| ≤ P (s, x, t, dy)kfk = kfk,

иначе говоря

kP stfk ≤ kfk, ò.å. kP stk ≤ 1.

3)Операторы сохраняют положительность , т.е. неотрицательные

функции переводят в неотрицательные. Действительно, опять-таки в силу 1, åñëè f(x) ≥ 0, òî P stf(x) ≥ 0.

4)P st1 ≡ 1, это также следствие 1.

5)P ss = E (тождественный оператор).

Это вытекает из 3, òàê êàê

Z

P ssf(x) = δx(dy)f(y) = f(x).

6) P st = P suP ut ïðè s ≤ u ≤ t. В самом деле, уравнение Колмогорова- Чепмена (4) äàåò

ZZZ

P stf(x) = P (s, x, t, dy)f(y) =

P (s, x, u, dz)P (u, z, t, dy)f(y) =

ZZ

=P (s, x, u, dz) P (u, z, t, dy)f(y) = P su(P utf)(x).

(В тех случаях, когда интегрирование ведется по всему пространству

В пространстве V введем

 

R

P (s ≤R t, s, t T ) с помощью

X, часто будем для простоты писать

вместо X).

 

 

операторы

st

соотношения

νP st(A) = Z

ν(dx)P (s, x, t, A).

(Существование интеграла обеспечивается свойством 2измеримостью по x переходной функции, а счетная аддитивность νP st свойством 1, т.е. счетной аддитивностью P (s, x, t, ·)).

Свойства 10) 60) операторов P st в пространстве V аналогичны свойствам 1) 6).

10) Операторы P st линейны в силу определения.

Лекция 6

39

20) Операторы сжимающие, поскольку в силу 1получаем kνP stk ≤ kνk.

30) Меры переводятся в меры.

40) νP st(X) = ν(X).

(Эти два свойства справедливы также в силу 1). 50) P ss = E следует из 3.

60) P st = P skP ut äëÿ s ≤ u ≤ t.

В самом деле, уравнения Колмогорова-Чепмена превращается в

соотношение

νP st = (νP sk)P ut,

т.е. по форме 60) совпадает с 6). Однако порядок применения операторов здесь другой (сначала P su, а потом P ut).

Заметим далее, что операторы P st в пространствах B è V сопряжены друг другу, поскольку для f B, ν V

ν, P stf = νP st, f ,

так как правая и левая части равны

ZZ

ν(dx)P (s, x, t, dy)f(y).

(Более точно, оператор P st íà B это сужение оператора в V , сопряженного к оператору P st â V, и наоборот).

Задача. Получить свойства 10) 60) èç 1) 6).

Доказать, что kP stk = 1.

Как мы видели, семейства операторов P st связаны лишь с переходной

функцией.

Далее мы увидим, каков их вероятностный смысл.

Лекция 6

Пусть задано фазовое пространство (X, B), т.е. измеримое пространство,

в котором все одноточечные множества измеримы (точки фазового пространства называются состояниями. Далее, пусть P (s, x, t, A) марковская переходная функция, удовлетворяющая условиям 14, à

(Xt, Ft)t T это марковский процесс относительно семейства σ-алгебр

(Ft).

Определение. Говорят, что (Xt, Ft)t T ýòî марковский процесс ñ переходной функцией P (s, x, t, A), åñëè

P (Xt A|Xs) = P (s, Xs, t, A) ï.í.

40 Введение в случайные процессы

для любых s ≤ t, s, t T , и любого A B.

(Очевидно, что в силу марковости процесса также P (Xt A|Fs) =

P (s, Xs, t, A) ï.í.)

Заметим, что для произвольного марковского процесса ниоткуда не следует существование переходной функции со свойствами 14.

Просто мы хотим рассматривать лишь те процессы, для которых соответствующие условные вероятности регулярны.

Задача. Показать, что регулярная условная вероятность существует, если σ-алгебра, относительно которой она берется, порождена конечным

числом случайных величин.

Задача. Пусть Ω = [0, 1], A σ-алгебра борелевских подмножеств

è λ мера Лебега. Существует такое подмножество D, ÷òî λ(D) = 1,

λ(D) = 0, здесь λ внешняя, λ внутренняя мера. Построим новую σ-алгебру F, порожденную A è D следующим образом: она состоит из

множеств вида DA1 DA2, ãäå A1, A2 A. Меру определим с помощью

соотношения

1

P (DA1 DA2) = 2 [λ(A1) + λ(A2)],

тогда P (A) = λ(A) ïðè A A. Доказать, что не существует регулярной условной вероятности P (A|A), A F.

Из теоремы Колмогорова вытекает, что знание начального распределения в момент s, вероятностной меры νs(A), и переходной функции P (s, x, t, A)

позволяет построить марковский процесс. А именно, справедлив следующий результат (доказательство можно прочитать в книге А.Д.Вентцеля "Курс теории случайных процессов").

Теорема. Пусть X σ-компактное метрическое пространство

и B σ-алгебра его борелевских подмножеств. И пусть P (s, x, t, A)

удовлетворяет 14, à νt(A), t T , A B, при фиксированном t вероятностная мера, причем νt = νsP st, ò.å.

Z

νt(A) = νs(dx)P (s, x, t, A).

Тогда существует марковский процесс, для которого P (s, x, t, A) переходная функция, а νt(A) одномерное распределение процесса в момент t, т.е.

νt(A) = P (Xt A).

С переходной функцией связано понятие марковского семейства , которое отражает возможность начать случайное движение в любой точке фазового пространства.