离散鞅引论

4.1 鞅的定义与例子

4.1.1 定义与基本性质

约定

  1. 用 a.e. (almost everywhere) 表示命题几乎处处成立, 即不成立的点的测度为 0

  2. 用 a.s. (almost sure) 表示命题以概率 1 成立.

定义 随机过程 {Xn,n≥0} 是 鞅, 如果对于 ∀n≥0, 有

  1. E|Xn|<∞.

  2. E(Xn+1∣X0,X1,⋯,Xn)=Xn, a.s..

定义 设有二过程 {Xn,n≥0} 和 {Yn,n≥0}, 称前者关于后者是鞅, 如果

  1. E|Xn|<∞.

  2. E(Xn+1∣Y0,Y1,⋯,Yn)=Xn, a.s..

备注

  1. Xn=E(Xn+1∣Y0,⋯,Yn) 作为 (Y0,⋯,Yn) 的函数, 在给定 (Y0,⋯,Yn) 时是定值, 因此 E(Xn∣Y0,⋯,Yn)=Xn.

  2. 于是有 E(Xn+1)=E[E(Xn+1∣Y0,⋯,Yn)]=E(Xn)=E(X0).

4.1.2 鞅的典型例子

例 1 (i.i.d. r.v. 之和) 设 Y0=0,{Yn,n≥1} 独立同分布, EYn=0,E|Yn|<∞, 令 X0=0, 记 Xn=∑i=1nYi, 则 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是鞅.

证明

例 2 (和的方差) 设 Y0=0,{Yn,n≥1} 独立同分布, EYn=0,EYn2=σ2, X0=0,Xn=(∑k=1nYk)2−nσ2, 则 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是鞅.

证明

例 3 (一般和) 设 {Yn,n≥0} 为随机序列, Zi=gi(Y0,⋯,Yi), 函数 f 满足 E[f(Zk)]<∞, 有界实函数 ak(y0,⋯,yk−1) 满足 |ak|≤Ak, 约定 E[f(Z0)∣Y−1]=E[f(Z0)], 则

{Xn=∑k=0n(f(Zk)−E[f(Zk)∣Y0,⋯,Yk−1])ak(Y0,⋯,Yk−1),n≥0}

关于 {Yn,n≥0} 是鞅.

证明

例 4 (马氏链导出的鞅)

例 5 (转移概率特征向量导出的鞅)

例 6 (分支过程构成的鞅)

例 7 (Wald 鞅)

例 8 (似然比构成的鞅)

例 9 (Doob 鞅过程)

例 10 (随机 Radon-Nikodym 导数构成的鞅)

 

4.2 上下鞅与分解定理

4.2.1 定义与例子

约定

  1. x−=min(x,0).

  2. x+=max(x,0).

定义 若随机过程 {Xn,n≥0} 和 {Yn,n≥0} 满足

  1. E(Xn−)>−∞.

  2. E(Xn+1∣Y0,⋯,Yn)≤Xn.

  3. Xn 是 Y0,⋯,Yn 的函数.

则称 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是 上鞅.

定义 若随机过程 {Xn,n≥0} 和 {Yn,n≥0} 满足

  1. E(Xn+)<+∞.

  2. E(Xn+1∣Y0,⋯,Yn)≥Xn.

  3. Xn 是 Y0,⋯,Yn 的函数.

则称 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是 下鞅.

备注 由于 Xn 是 Y0,⋯,Yn 的函数, 对于上下鞅均有 Xn=E(Xn∣Y0,⋯,Yn).

例 1 设 {Yn,n≥0} 是马氏链, P=(pij), f 是 P 的有界 右超正则函数, 即

  1. ∑j∈Spijf(j)≤f(i).

  2. |f(i)|≤M.

则 {Xn=f(Yn),n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是上鞅.

证明

4.2.2 上下鞅的性质

引理 1 (Jensen 不等式) 若 ϕ 是下凸函数, X 是随机变量, 则

E[ϕ(X)]≥ϕ(EX).

引理 2 如果 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是鞅, ϕ 是下凸函数, 且 ∀n∈N:E[ϕ(Xn)+]<∞, 则 {ϕ(Xn),n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是一个下鞅.

证明

推论 若 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是鞅, 且 E(Xn2)<∞, 则 {|Xn|,n≥0} 与 {Xn2,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是下鞅.

证明

性质 1 若 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是 (上) 鞅, 则

∀k∈N:E(Xn+k∣Y0,⋯,Yn)(≤)=Xn.
证明

性质 2 若 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是 (上) 鞅, 则对 0≤k≤n 有

E(Xn)(≤)=E(Xk)(≤)=E(X0).
证明

性质 3 若 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是 (上) 鞅, g=g(Y0,⋯,Yn)≥0, 则

∀k≥0:E[g(Y0,⋯,Yn)Xn+k∣Y0,⋯,Yn](≤)=g(Y0,⋯,Yn)Xn.
证明

4.2.3 上下鞅分解定理

定理 4.2.1 若 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是下鞅, 则唯一存在过程 {Mn,n≥1} 与 {Zn,n≥1}, 使得

  1. {Mn,n≥1} 关于 {Yn,n≥1} 是鞅.

  2. Zn=Zn(Y1,⋯,Yn−1), 且 Z1=0,Zn≤Zn+1,EZn<+∞.

  3. ∀n∈N+:Xn=Mn+Zn .

证明

推论 若 {Xn,n≥1} 关于 {Yn,n≥1} 是上鞅, 则唯一存在过程 {Mn,n≥1} 与 {Zn,n≥1}, 使得

  1. {Mn,n≥1} 关于 {Yn,n≥1} 是鞅.

  2. Zn=Zn(Y1,⋯,Yn−1), 且 Z1=0,Zn≤Zn+1,EZn<+∞.

  3. ∀n∈N+:Xn=Mn−Zn .

4.2.4 序贯决策模型

定义 记状态空间 S={1,2,⋯,p} 有限, 行动集 (或 决策空间) A={a,b,⋯,l} 有限, 每经单位时间观察即使的系统状态 i, 然后从 A 中选取一个行动 a, 并

  1. 得到一个报酬 (或能量) r(i,a).

  2. 在现时段状态为 i 且采取行动为 a 的条件下, 系统下一时刻转移到状态 j 的概率为 q(j∣i,a).

于是该可控随机动态系统称为 序贯决策模型.

定义

  1. Yk 和 Δk 分别表示 k 时段系统的状态和采取的行动.

  2. hn−1={i0,a0,i1,a1,⋯,in−1,an−1} 称为 n−1 之前的 历史.

  3. an=πn(hn−1,in), 其中 πn 称为 n 时刻的 决策函数.

  4. 决策函数序列 π={π0,π1,⋯,πN−1} 称为一个 决策.

  5. 期望总报酬 V(π,i)=Eπ{∑k=0N−1r(Yk,Δk)∣Y0=i}.

  6. 最优策略 π∗:∀i∈S:V(π∗,i)=maxπV(π,i).

  7. Vk(i)={0,k=N,i∈S,maxa∈A{r(i,a)+∑j∈Sq(j∣i,a)Vk+1(j)},1≤k<N,i∈S.

  8. Xn=∑k=1n{Vk(Yk)−E[Vk(Yk)∣Y0,Δ0,⋯,Yk−1,Δk−1]}.

问题 序贯决策模型的最优决策.

解

由 4.1.2 例 3 (一般和) 知 {Xn,n≥1} 关于 {(Yn,Δn),n≥0} 是鞅, 于是

EXn=EX1=0,

并且

∀i∈S,a∈A:Vk−1(i)≥r(i,a)+∑j∈Sq(j∣i,a)Vk(j),

从而由马氏性得

Vk−1(Yk−1)≥r(Yk−1,Δk−1)+∑j∈Sq(j∣Yk−1,Δk−1)Vk(j)=r(Yk−1,Δk−1)+E{Vk(Yk)∣Yk−1,Δk−1}≥r(Yk−1,Δk−1)+E{Vk(Yk)∣Y0,Δ0,⋯,Yk−1,Δ(k−1)},

根据此不等式, 于是有

0=EXN=E{∑k=1N[Vk(Yk)−E(Vk(Yk)∣Y0,Δ0,⋯,Yk−1,Δk−1)]}≥E{∑k=1N[Vk(Yk)+r(Yk−1,Δk−1)−Vk−1(Yk−1)]}=E{∑k=0N−1r(Yk,Δk)+VN(YN)−V0(Y0)},

即

E(V0(Y0))≥E{∑k=0N−1r(Yk,Δk)+VN(YN)}≥Eπ{∑k=0N−1r(Yk,Δk)∣Y0},

令 Y0=i, 则有

∀π,i∈S:V0(i)≥Eπ{∑k=0N−1r(Yk,Δk)∣Y0=i}=V(π,i),

若选取 ak−1∗∈A, 使得 ak−1∗(i)=πk−1∗(i0,a0∗,⋯,ik−1) 满足上述第 7 点定义, 即

∀i∈S:Vk−1(i)=r(i,ak−1∗(i))+∑j∈Sq(j∣i,ak−1∗(i))Vk(j)=maxa{r(i,a)+∑jq(j∣i,a)Vk(j)},

则 π∗={π0∗,π1∗,⋯,πN−1∗} 是最优策略.

 

4.3 停时与停时定理

4.3.1 严谨定义与例子

记号

  1. σ(X) 为由 X 生成的事件 σ 域.

  2. Fn=σ(Yk,0≤k≤n).

定义 设随机变量 T∈N∩{+∞}, 随机序列 {Yn,n≥0}, 且 Fn=σ(Yk,0≤k≤n), 若对 ∀n≥0, 有 {T=n}∈Fn, 则称 T 是 {Yn,n≥0} 的 停时 (stopping time) (或马氏时间).

例子

4.3.2 鞅的期望与停时

引理 1 若 {Xn,n≥0} 是 {Yn,n≥0} 的 (上) 鞅, T 是关于 {Yn,n≥0} 的停时, 则

∀n≥k:E(Xn⋅I{T=k})(≤)=E(Xk⋅I{T=k}).
证明

引理 2 若 {Xn,n≥0} 是 {Yn,n≥0} 的 (上) 鞅, T 是关于 {Yn,n≥0} 的停时, 则

∀n≥1:EX0(≥)=EXT∧n(≥)=EXn.
证明

引理 3 设随机变量 X 满足 E|X|<∞, T 是关于 {Yn,n≥0} 的停时, 且 P(T<∞)=1, 则

limn→∞E(X⋅I{T>n})=0,limn→∞E(X⋅I{T≤n})=EX.
证明

定理 4.3.1 设 {Xn,n≥0} 是鞅, T 是停时, 若 P{T<∞}=1, 且 E(supn≥0|XT∧n|)<∞, 则 EXT=EX0.

证明

推论 设 {Xn,n≥0} 是鞅, T 是停时, 且 ET<∞. 若

∃b<∞,∀n<T:E(|Xn+1−Xn|∣Y0,⋯,Yn)≤b,

则 EX0=EXT.

证明

4.3.3 停时定理与推论

定理 4.3.2 (停时定理) 设 {Xn,n≥0} 是鞅, T 是停时, 若

  1. P(T<∞)=1.

  2. E|XT|<∞.

  3. limn→∞E|XnI{T>n}|=0.

则 EXT=EX0.

证明

推论 1 设 {Xn,n≥0} 是鞅, T 是停时, 若

  1. P{T<∞}=1.

  2. ∃k<∞,∀n≥0:E(XT∧n2)≤k.

则 EXT=EX0.

证明

推论 2 若

  1. Y0=0, {Yk,k≥1} 独立同分布.

  2. EYk=μ,DYk=σ2<∞.

  3. S0=0,Sn=∑k=1nYk,Xn=Sn−nμ.

  4. T 为停时, ET<∞.

则 E|XT|<∞, 且 EXT=EST−μET=0.

证明

4.3.4 停时与随机游动

记号

  1. Y0=0,{Yk,k≥1} 独立同分布, 且

    P{Yk=1}=p≥0, P{Yk=−1}=q=1−p≥0.

  2. X0=0,Xn=∑k=1nYk.

  3. T0j=min{n:X0=0,Xn=j}.

  4. T=min{n:(Xn=a)∨(Xn=b)},b∈N+,a∈Z∖N.

  5. Tab=min{n:X0=0,Xl≠b,1≤l≤n−1,Xn=a}.

  6. Va=P{Tab<∞∣X0=0} 表示从 0 出发先到达 a 的概率.

    于是 P{Tba<∞∣X0=0}=1−Va.

实例 设甲乙两人赌博, |a| 表示甲原有的资金 (注意 a 为负数), Yn 表示甲第 n 次得到的钱, b 表示乙原有的资金, Va 表示甲先输光的概率.

情况 1 当 p=q=12 时, 即公平赌博时,

  1. 甲先输光的概率为 Va=b|a|+b,

  2. 任何一方输光的平均时间为 ET=|a|b.

证明

情况 2 当 μ=p−q>0 时, 即不公平赌博时,

  1. 甲先输光的概率为 Va=1−(qp)b(qp)a−(qp)b.

  2. 任何一方输光的平均时间为 ET=a−b+b(qp)a−a(qp)b(p−q)[(qp)a−(qp)b].

证明

 

4.4 鞅收敛定理

4.4.1 上穿不等式

引理 1 设 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是下鞅, S, T 关于 {Yn} 是停时, 且 0≤S≤T≤N, 则

EXS≤EXT.
证明

定义 设 {Xn} 是随机序列, 令

  1. V(n)(a,b)(ω) 是 {X0(ω),X1(ω),⋯,Xn(ω)} 向上穿越 (a,b) 的次数.

  2. 若干次首达 (−∞,a] 和 [b,+∞) 的时间为

αm={0,m=0,min{n:n≥αm−1,Xn≤a},m=2k−1,k∈N+,min{n:n>αm−1,Xn≥b},m=2k,k∈N+.
  1. a+≡a∨0≡max(a,0).

备注 V(n)(a,b)(ω)=k⇔∃k∈N+:α2k≤n<α2k+2.

引理 2 (上穿不等式) 设 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是下鞅, 则

E[V(n)(a,b)]≤E[(Xn−a)+]−E[(X0−a)+]b−a≤E(Xn+)+|a|b−a.
证明

 

推论 若 {Xn,n≥0} 关于 {Yn,n≥0} 是上鞅, V―(n)(a,b) 是 Xn 下穿 (a,b) 的次数, 则

E[V―(n)(a,b)]≤E(b∧X0)−E(Xn∧b)b−a,

如果 Xn≥0,0≤a<b, 则

E[V―(n)(a,b)]≤bb−a.

4.4.2 鞅收敛定理

定理 4.4.1 设 {Xn,n≥0} 是一个下鞅, 且 supnE|Xn|<∞, 则存在一随机变量 X∞, 使得 {Xn} 以概率 1 收敛于 X∞, 即

P{limn→∞Xn=X∞}=1,

且 E|X∞|<∞.

证明

4.4.3 最大值不等式

引理 1 (Kolmogorov 不等式) 设 {Xn} 独立且 ∀i∈N:E|Xi|<+∞, 令 Sn=∑i=1nXi, 则

∀ε>0:P{max1≤k≤n|Sk−ESk|≥ε}≤DSnε2.

证明

推论 1 (Chebyshev 不等式) 设 EX2<+∞, 则

∀ε>0:P{|X−EX|≥ε}≤DXε2.

推论 2 (最大值不等式) 设 {Yn,n≥0} 独立同分布, 且 EYi=0,EYi2=σ2 (i≥0), X0=0,Xn=∑i=1nYi, 则

∀ε>0:P{max0≤k≤n|Xk|>ε}≤nσ2ε2.

4.4.4 另一收敛定理

引理 2 设 {Xn≥0,n≥0} 是下鞅, 则

∀λ>0:λP{max0≤k≤nXk>λ}≤EXn.
证明

推论 1 (Markov 不等式) 设 Y≥0, 则

∀ε>0:P{X≥ε}≤EXε.

推论 2 设 {Xn,n≥0} 是鞅, 则

∀λ>0:λP{max0≤k≤n|Xk|>λ}≤E|Xn|.
证明

定理 4.4.2 设 {Xn} 关于 {Yn} 是鞅, 且 ∃k,∀n∈N:EXn2≤k<∞, 则存在一有限随机变量 X∞, 使得

  1. P{limn→∞Xn=X∞}=1.

  2. limn→∞E|Xn−X∞|2=0.

  3. ∀n∈N:EXn=EX∞.

证明 略.

 

4.5 连续参数鞅

定义 设 {X(t),t≥0} 是一随机过程, 记 Ft=σ(X(s),0≤s≤t), 若满足下述条件

  1. ∀t≥0:E|X(t)|<∞.

  2. ∀s,t≥0:E[X(t+s)∣Ft]=X(t), a.s..

  3. ∀t≥0:X(t) 关于 F 是可测的. (参考笔记).

则过程 {X(t),t≥0} 称为 鞅.

定义 (离散化等价定义) 随机过程 {X(t),t≥0} 称为 鞅, 如果满足

  1. ∀t≥0:E|X(t)|<∞.

  2. ∀0≤t0<⋯<tn+1:E[X(tn+1)∣X(t1),⋯,X(tn)]=X(tn), a.s..

备注 连续参数的上下鞅类似定义.

定义 设随机序列 {X(t),t≥0} 和非负随机变量 T, 记 Ft=σ(X(s),0≤s≤t), 若

∀t≥0:{T≤t}∈Ft,

则称 T 是 {X(t),t≥0} 的 停时.

定理 4.5.1 (停时定理) 设 {X(t),t≥0} 是鞅, T 是停时, 若

  1. P{T<∞}=1.

  2. E(supt≥0|X(T∧t)|)<∞.

则 EX(T)=EX(0).

证明