形式陈述
沿用Galton–Watson过程理路Galton–Watson 分枝过程Galton–Watson process · Galton-Watson branching process · 单类型分枝过程用独立同分布繁殖定义代际家系,从生成函数复合求灭绝的最小不动点,并区分均值增长、个体独立性和真实存活。的独立同分布繁殖数组 。另取独立同分布的非负整数移入数 ,与全部繁殖变量、初始人数 独立。所有这些计数都有限几乎必然。带移入过程定义为
移入者在第 代进入人数表,到下一次更新才繁殖。这个时点约定决定了生成函数中移入因子的位置。记
给定当前人数 ,下一代生成函数为 ;转移只依赖 ,因而这是时间齐次的可数状态Markov链理路Markov 链Markov chain未来条件分布在给定当前状态后与更早历史无关的随机过程。。若 ,则
以下给出一组自足的稳态充分条件:
在此条件下存在唯一的平稳概率分布理路平稳分布Stationary distribution经马尔可夫转移后保持不变的状态分布。 ,其生成函数与均值为
若还假设繁殖方差 与移入方差 均有限,则平稳方差为
从任意有限几乎必然的 出发,边缘分布都在总变差意义下趋于 ;不必预先假定初始均值有限。若 为固定非负整数,则有可计算的上界
时,繁殖数恒零, 对所有 成立,因此一步后精确平稳;不需把 的 代入式(6)。若 ,移入恒零,平稳分布退化为零点质量。
直觉
不带移入的次临界家系终会消失,带移入的总体却不断得到新的家系。某一时刻的人数可以按“它的祖先是在几代以前移入”来分组。很久以前移入的家族通常已经灭绝,较近的家族贡献较多;把这些独立家族的剩余人数相加,就能从无限过去构造稳态。
式(4)的无穷乘积并不是凭形式相乘便得到概率分布。要先证明所有历史家族在当前的总贡献有限几乎必然,乘积才确实是某个有限整数随机变量的生成函数。条件(3)使各年代的期望贡献按几何速度下降,正好完成这一步。
平稳仍然允许人数不断变化,也允许各代相关。稳定的是重复观测时的人数分布,不是某一条家系获得永生;外部输入会不断替换已经消失的老家系。
例子与边界
Bernoulli延续与Poisson移入
设每个当前个体独立以概率 在下一代留下一个个体,否则留下零个;另有 ,。因此
使用Poisson分布理路Poisson 分布Poisson distribution · 泊松分布以强度参数描述固定窗口内稀有事件计数的离散分布。的生成函数 ,
第 个移入年代对当前的贡献是参数 的Poisson变量;各年代独立。相乘后得到
由 代入式(5),方差也等于 ,与完整分布一致。
从 出发,只累积了最近 个移入年代,故
在同一个空间补入遗漏的老家族,所加变量独立且服从 。因此还可把式(6)改善为
这是该耦合不相等的概率,通常只给总变差上界,不能无证明地宣称等于总变差本身。
移入年代与有限代稳态误差 每代恰好移入一人
保持 ,但把Poisson移入改为 恒定。平稳均值仍为二,然而式(5)给出
更具体地,每个移入年代只开启一条可能存续的单线家系,所以
相互独立其中 恒定。于是稳态从不取零,显然不是参数二的Poisson分布。相同的平稳均值不能识别移入机制;移入方差在式(5)里有独立的责任。
临界以外的结论不能反推
条件(3)是本页证明使用的充分条件,不是所有移入模型的完整存在性判据。若 恒定、 恒定,则 ,确实没有平稳概率;但这个例子不能证明所有 的其他繁殖和移入组合都没有平稳概率。更一般的存在性问题需要对繁殖与移入尾部另加分析。
若 ,零态有正概率在下一代离开。因而“不带移入的家系灭绝概率为一”不能被翻译为“这个总体最终永远为零”。本页的独立移入也不包括依赖当前人数的补充政策;若 的分布随 改变,式(2)的乘积和所列均值方差式都要重新推导。
推论与应用
从无限过去构造有限人数
对每个整数 ,独立抽取移入人数 ,并让这批移入者各自开启独立的普通分枝家系。记 为这批家系繁殖 代后的总人数;。不同 使用相互独立的全部随机源,故
由单调收敛定理理路单调收敛定理Monotone convergence theorem非负可测函数单调递增时,积分极限等于极限函数积分。,
非负整数和若以正概率无限,其期望就无限,所以 有限几乎必然。有限部分和的生成函数是有限乘积;令部分和趋于 ,得到式(4)。这一步也说明乘积在 的值为一,而非某个质量不足的形式极限。
让这些家系再繁殖一代,会把年代 移到 ;另添一批新的独立移入者,补上年代零。新的总人数分布仍为 。因此 在一次转移后不变,确实是平稳分布。等价的生成函数核验是 。
矩计算先确认可积性
从零初始出发,用全期望与全方差公式理路全期望公式与全方差公式Law of total expectation · Law of total variance · Iterated expectation借助条件信息分解总体均值,并把总波动拆成组内与组间两部分。,设 ,则
因 ,有限方差假设使
而 的分布,正是上一段独立家族和 的分布。这些部分和在同一空间递增,且二阶矩统一有界;单调收敛确认 二阶矩有限。此后在式(8)中传极限,才合法得到式(5)。这避免在未知稳态方差是否有限时直接解一个形式方差方程。
老祖先耦合给出收敛和唯一性
在同一个空间启动两条过程,共用每代的移入人数。若某时刻人数分别为 ,让前 个个体使用相同的繁殖样本,多出来的 个个体另外使用独立样本。各条过程内部仍有正确的独立繁殖边缘,所以这是保持原转移核的耦合理路耦合法Coupling method · Probability coupling在共同概率空间中构造具有指定边缘的随机变量,并用它们相遇的概率比较分布。。
两过程的人数差的绝对值,恰按不带移入的普通分枝规律繁殖;移入项相消。若初始差为 ,第 代差的期望为 ,且两过程一旦相同,之后保持相同。整数差非零至少为一,故不相等概率至多为 。
让其中一条从上述平稳 启动,另一条从固定 启动。初始差不超过 ,所以
耦合不等式立即给出式(6)。
若初始差 有限几乎必然但均值可能无穷,固定整数 ,仍有
先令 ,再令 ,得到总变差收敛。最后,若还有另一个平稳概率 ,让第一条从 启动;其任意时刻分布始终为 ,上述距离却趋零,故 。这个证明无需假定所有状态互相可达,因而也覆盖确定移入或零移入等可约情形。
对需要稳态近似的任务,应交代初始状态、允许误差和采用的耦合界,再决定模拟多少代。只报告 的公式,并不能说明从指定初始状态已经足够接近平稳。
参考资料