11-离散时间鞅


第 2 章 离散时间鞅

2.1 条件概率与条件期望

2.1.1 关于一个集合的条件期望

设 是概率空间。

回顾:若 ,且 ,则 关于 的条件概率定义为

注 2.1

集合函数

是一个概率测度。

定义 2.2

给定事件 后,随机变量 的条件期望定义为 关于条件概率测度 的期望。

例 2.3

考虑概率空间

其概率测度满足

令

那么

因此

而

令

则无条件期望为

给定 后的条件期望为

是在原概率测度 下对 求平均,而 是在事件 已经发生的条件下,关于新概率测度 求平均。

2.1.2 关于随机变量的条件期望

定义 2.4

设 是 上的离散随机变量,并假设

设 是 的联合概率质量函数, 是 的概率质量函数,即

  1. 函数

    称为给定 时 的条件概率质量函数。

  2. 对所有满足 的 ,给定 时 的条件期望定义为

例 2.5

(1)

令

为 的全部子集组成的集合,并令

设

联合质量函数为

因此

由此得到

(2)

设 的联合概率质量函数为

原始文本层把第二行首项错写为 ;由行列位置及后续边缘分布计算可确定应为 。

于是

以及

所以

因此

以及

以上定义适用于离散随机变量。对于连续型随机变量,单点事件通常满足

因此不能直接使用条件概率的分式定义。改为考虑小区间条件概率

再令 。

设 是联合连续型随机变量,联合概率密度为 。那么

当 时成立。原文本层把该极限错读为 ,这里按上述局部极限恢复。

定义 2.6

  1. 对所有满足 的 ,给定 时 的条件概率密度函数定义为

  2. 给定 时 的条件期望定义为

其中要求

注 2.7

若 是博雷尔可测函数,则

例 2.8

设 的联合密度为

求

和

解。 的边缘密度为

因此

于是

并且

记号 2.9

用

表示随机变量 的一个函数,该函数在 处的值为

例 2.10

在例 2.8 中,

注 2.11

是一个随机变量。

条件期望

并不是一个固定数,而是随着 的取值变化的随机变量。它可以借助 对样本空间 产生的分割来理解:在每个集合

上,条件期望取常值 。

2.1.3 关于分割的条件期望

先在离散随机变量的情形解释

与

的关系。若 的可能取值为

则

也就是说,对 ,

这正是在分割的每一块上,对 求相应的条件平均。

2.1.3.1 关于样本空间分割的条件概率

考虑概率空间 。设

满足:

  1. 是 的一个分割,即

    且当 时,

  2. 对每个 ,

  3. 对每个 ,

因此,对任意 ,每个

都有定义。

定义 2.12

集合 关于分割 的条件概率定义为

例 2.13

考虑概率空间

令

以及

原文本层把第一个区间的右端点错读为 ;由后续分母及分割结构可确定应为 。

于是

注 2.14

  1. 若

    则

  2. 是随机变量,并且

    因此,若 ,则

  3. 若 不相交,则

2.1.3.2 关于离散随机变量所诱导分割的条件概率

设

其中 是互不相同的常数,

是 的一个分割,并且对每个 ,

于是

定义 2.15

  1. 由下式给出的分割

    称为由 诱导的分割。

  2. 定义

    称为 关于随机变量 的条件概率。此外,用

    表示条件概率

  3. 设 都具有式 (2.1) 的形式。用

    表示由这些随机变量共同诱导的分割,并把

    简记为

例 2.16

(1)

令

并令

这意味着

于是

(2)

设 是独立同分布的随机变量,并且

对 ,令

给定 时,

因此

特别地,

以及

2.1.3.3 关于分割的条件期望

回顾:设 是简单随机变量,

其中

是 中两两不交的可测集,而

是互不相同的实数。这也意味着 关于

可测。其期望为

定义 2.17

随机变量 关于分割

的条件期望定义为

命题 2.18

  1. 线性性:

  2. 若 是常数,则

  3. 对示性函数有

  4. 全期望公式:

这些性质先对简单随机变量成立;更一般的条件期望性质将在 2.1.4 节给出。

注 2.19

  1. 是随机变量。

  2. 若

    则式 (2.2) 也可以写成

  3. 由条件概率的定义,

例 2.20

令

并令

原文本层把第一个区间的右端点错读为 ;结合图 2.1 和后续积分可确定应为 。

由注 2.19(3),

而

类似地,

所以

图 2.1:例 2.20 中的随机变量 及其条件期望。 横轴为 ,并标出

在三个区间上的高度依次为 ;条件期望则在 上取常值 ,在 上取常值 。

对简单随机变量定义条件期望后,可以像第 1 章构造一般期望那样,先推广到正随机变量,再推广到一般实值随机变量。

2.1.4 关于 -代数的条件期望

上一节通过离散随机变量诱导的可数分割定义条件期望。当 是连续型随机变量时,它可能产生不可数多个取值层,因此需要直接以 -代数表达所掌握的信息。

设

是子 -代数, 是非负随机变量。下面定义

定义 2.21

关于 的条件期望,是一个记为

或

的非负随机变量,并满足:

  1. 关于 可测;

  2. 对所有 ,

-代数 表示已经掌握的信息,而

表示在这些信息下对 的平均估计。

条件(1)意味着条件期望只能依赖于 中可辨识的信息。例如,对每个常数 ,

条件(2)说明:在每个 -可测事件 上,条件期望与原随机变量具有相同的积分。

给定 与 后,上述条件期望是否存在、是否唯一?答案由拉东–尼科迪姆定理保证。

注 2.22

由拉东–尼科迪姆定理,对任意 与 ,条件期望都存在,并且除一个 -零测集外唯一。

例 2.23

(1)

考虑概率空间

令 在 上均匀分布,并令

下面用两种方法求条件期望。

方法 1:使用样本空间分割。

因为

所以

类似地,

方法 2:直接使用条件期望的定义。

由定义 2.21(1),条件期望必须具有形式

取

则

而

根据定义 2.21(2),

所以

同理,

因此

(2)

考虑概率空间

设随机变量 的密度为

并令

用与上面相同的方法可得

下面考虑一般随机变量。与第 1 章的可积性处理相同,把 写成

其中

作如下假设:

定义 2.24

一般随机变量 关于 -代数 的条件期望定义为

其中要求

在 -几乎处处意义下成立。

在

的样本点集合上,差

可以任意赋值;在上述假设下,这一集合是 -零测集。

条件概率可以看作条件期望的特殊情形。无条件情形中,

取 ,得到

因此,在条件情形中,用示性函数的条件期望定义条件概率。

定义 2.25

设 。 关于 的条件概率定义为

命题 2.26

  1. 若

    几乎必然

    则

    几乎必然

  2. 若

    几乎必然

    则

    几乎必然

  3. 条件期望满足

    几乎必然

  4. 对常数 ,在相关期望有定义的条件下,

  5. 考虑平凡 -代数

    则

    几乎必然

  6. 若 关于 可测,则

  7. 全期望公式:

  8. **塔式性质。**若

    则

  9. 设 关于 可测,并且

    则

    几乎必然

证明。 (1)、(2)、(4)、(5)、(6)可直接由条件期望定义得到。

对(3),由

以及(2),可得

从而得到所需模不等式。

对(7),在定义 2.21(2)中取 ,便有

对(8):

首先,

关于 可测。因为

它也关于 可测。由(6),

其次,

显然关于 可测。对任意 ,由于 ,

由条件期望的唯一性,

对(9),证明稍复杂,给出其步骤:

  1. 先设 是关于 可测的示性函数,即

    此时结论可由定义 2.21 直接验证。

  2. 利用线性性质(4),把结论推广到关于 可测的简单随机变量 。

  3. 用关于 可测的简单随机变量列从下方逼近非负的 。

  4. 对一般 ,使用分解

证毕。

定理 2.27

设 是随机变量列。

  1. **条件控制收敛定理。**若存在可积随机变量 ,使对所有 ,

    并且

    几乎必然

    则

    几乎必然

  2. 条件单调收敛定理。

    若存在 满足

    并且

    几乎必然

    则

    几乎必然

条件单调收敛定理还有递减形式:若

并且

几乎必然

则

几乎必然

  1. 条件法图引理。

    1. 若

      则

    2. 若

      则

  2. 若 ,则

  3. **条件詹森不等式。**若 是 上的凸函数,并且 与 可积,则

注 2.28

记

那么记号 2.9 与定义 2.21 一致,即

命题 2.29

若随机变量 与 -代数 独立,则

这里:

  1. 若对每个

    事件 都独立,则称 -代数 独立。

  2. 若 与 独立,则称随机变量 与 独立。

习题

  1. 考虑概率空间 ,其中

    且

    定义随机变量 :

    并令

    1. 列出 中的所有集合。

    2. 求

      和

    3. 求

      原文本层把此处的减号错读为等号;若写成等号将与 矛盾。

    4. 令

      对 ,求 。

    5. 令

      求

  2. 考虑概率空间

    1. 设 在 上均匀分布,并令

      求 。

    2. 设随机变量 在 上的密度为

      并令

求

  1. 考虑概率空间

    1. 令

      求

      和

    2. 设 的联合密度函数为

      其他情形

      求

      和

  2. 设 是概率空间 上的可积随机变量。把 分解为

    其中

    1. 证明 与 不相关。
    2. 更一般地,证明 与每个 -可测随机变量都不相关。

    **提示:**对每个 -可测随机变量 ,都存在函数 ,使得

  3. 设

    是独立同分布随机变量列,并令

假设

对

计算

以及

2.2 离散时间鞅

设 是概率空间。

定义 2.30

  1. 若 -代数列

    满足对所有 ,

    则称它为一个滤过。

  2. 带有滤过

    的概率空间称为滤过概率空间,记作

    或

例 2.31

令

为 的全部子集组成的集合。定义

等等。那么 是一个滤过。

定义 2.32

设 是随机变量列, 是滤过。若满足:

  1. 对每个 , 关于 可测,即 关于 适应;

  2. 对每个 ,

  3. 对每个 ,

    几乎必然

则称

是一个鞅;也称 是关于 的鞅,或简称 -鞅。

注 2.33

定义 2.32 的条件(3)等价于:

也等价于:对所有 和所有 ,

例 2.34

(1)中心化独立增量之和

设 是独立同分布随机变量列,并且

定义

以及

验证鞅的三个条件:

  1. 因为

    都关于 可测,所以 关于 可测。

  2. 可积性:

另外,

证明如下:由于

所以

反过来,由

可得

  1. 由 的定义、 的独立性以及命题 2.29,

    几乎必然

因此 是鞅。

(2)均值为一的正独立因子之积

设 是相互独立的严格正随机变量列,并且对每个 ,

定义

那么:

  1. 由于 关于 可测, 也关于 可测。

  2. 因为所有 ,并利用独立性,

  3. 由独立性及命题 2.29,

因此 是鞅。

(3)条件期望鞅

设 是满足

的随机变量, 是滤过。定义

那么 是鞅。

注 2.35

概率测度 和滤过 的选择都很重要;同一个随机过程在不同测度或不同信息流下可能不再是鞅。

引理 2.36

若 是关于 的鞅,则

定义 2.37

  1. 若随机过程 满足以下条件,则称它是关于 的下鞅:

    • (a) 关于 适应;

    • (b)对每个 ,都有 ;

    • (d)对所有 ,

      几乎处处

  2. 若随机过程 满足以下条件,则称它是关于 的上鞅:

    • (a) 关于 适应;

    • (b)对每个 ,都有 ;

    • (e)对所有 ,

      几乎处处

注 2.38

  1. 下列条件等价:

    几乎处处,对所有

    几乎处处,对所有

    对所有以及所有

  2. 下列条件等价:

    几乎处处,对所有

    几乎处处,对所有

    对所有以及所有

  3. 是下鞅,当且仅当 是上鞅。

  4. 是鞅,当且仅当它既是下鞅又是上鞅。

定理 2.39

设 是下鞅, 是定义在 上的递增凸函数。若对所有 , 都可积,则 是关于 的下鞅。

证明。 因为 递增,而且

几乎处处

所以由条件詹森不等式可得

这说明 是下鞅。

注 2.40

  1. 若 是鞅, 是定义在 上的凸函数,则 是下鞅。

  2. 若 是鞅, 是定义在 上的凹函数,则 是上鞅。

推论 2.41

若 是下鞅,则 是下鞅。

推论 2.42

若 是鞅,则:

  1. 若 ,其中 ,则 是下鞅。

  2. 是下鞅。

  3. 是下鞅,其中对 ,

证明。 函数 、 和 都是凸函数。

推论 2.43

若 是上鞅,且 是常数,则 是上鞅。

证明。 留作练习。

例 2.44

(1)独立随机变量的部分和

设 是一列相互独立的随机变量,并且

定义

那么

几乎处处

因此, 是下鞅。

(2)鞅的指数

若 是鞅,则 是下鞅。

(3)取值于 的独立随机变量之积

设 是一列相互独立的随机变量,并且对所有 都有

定义

于是

因此, 是上鞅。

练习

  1. 设 是一列掷硬币试验,并令 为由 生成的 -代数。对下列每个事件,找出使该事件属于 的最小 :

    第一次出现正面之前至多出现了次反面

    在序列中至少出现一次正面

    前次投掷的结果完全相同

    前次投掷中正面不超过次且反面不超过次

  2. 设 是满足 的随机变量。对所有 ,定义

    证明 是关于 的鞅。

  3. 设 与 是相互独立、同分布的随机变量,且

    再定义

    令

    证明二期过程 和 都是鞅,但 不是鞅。

  4. 设随机变量序列 定义为

    其中 是一列相互独立、同分布的随机变量,并且

    (a)证明 是关于滤过

    的鞅。

    (b)证明由

    定义的随机过程 是关于 的鞅。

  5. 设 是一列相互独立、同分布的伯努利随机变量,其矩母函数满足

    令

    证明序列 是鞅,其中

  6. 令 。对 ,规定

    以及

    证明 是关于 的鞅,其中

2.3 鞅变换与杜布分解

2.3.1 鞅变换

考虑滤过概率空间

定义 2.45

若对所有 , 都关于 可测,则称随机过程 是关于 的可预测过程。

定义 2.46

  1. 设 是随机过程, 是可预测过程。则随机过程

    称为 经 的变换。

  2. 若此外 还是鞅,则称 为鞅变换。

定理 2.47(鞅变换定理)

设 是一列有界随机变量。

  1. 若 是上鞅,且 是一列关于 可预测的非负随机变量,则

    是上鞅。

  2. 若 是下鞅,且 是一列关于 可预测的非负随机变量,则

    是下鞅。

  3. 若 是鞅,且 是一列关于 可预测的随机变量,则

    是鞅。

证明。 证明第 2 项。由

鞅部分递增过程部分

可知 是下鞅。事实上,因为 有界且关于 可测,第一个带括号的和具有条件均值为零的增量,因而给出鞅部分;又因为 是下鞅且 ,第二部分的每个增量都非负,因而构成递增过程。第 1 项和第 3 项的证明类似。

2.3.2 杜布分解

定义 2.48

若随机变量序列 满足:

  1. ,并且对所有 ,

  2. 对所有 ,

则称 为递增过程。

例 2.49

  1. 若对所有 ,,则 是递增过程。

  2. 令

    其中 是满足 的非负随机变量,则 是递增过程。

  3. 若对所有 ,

    且各 相互独立,则 不是递增过程。

定理 2.50(杜布分解)

任意下鞅 都可以写成

其中 是鞅, 是递增可预测过程。

证明。 令

并且对 ,令

我们断言:

  1. 是关于 的鞅;
  2. 是递增过程。

先证明第 1 项。根据定义,

()()

显然,

()

而

()

因此, 是鞅。

再证明第 2 项。由于

并且对 ,

所以

其中最后一个不等式来自 的下鞅性质。

此外,

因此, 是关于 的可预测过程。

注 2.51

  1. 分解式(2.3)是唯一的。

  2. 在分解式(2.3)中,递增可预测过程 称为下鞅 的补偿子。


文章作者: Gustavo
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