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模型Model

Brownian 桥

Brownian bridge · Pinned Brownian motion

将 Brownian 运动的终点钉住后,剩余波动是协方差为 min(s,t)−st/T 的连续 Gaussian 桥。

形式陈述 ​

若一条随机轨迹被要求在规定时间回到指定位置,它的中途波动怎样改变?给定 T>0 和标准Brownian 运动 W,定义

Bt=Wt−tTWT,0≤t≤T.

这是从 0 到 0、时长为 T 的 Brownian 桥。它是连续的零均值Gaussian 过程,并满足

B0=BT=0,Cov(Bs,Bt)=min(s,t)−stT.

从 a 到 b 的桥则写成

Xt=a+tT(b−a)+Bt.

端点之间的直线给出均值,桥给出围绕直线的随机波动。上述构造使用了未来值 WT,所以 Bt 一般不适应原 Brownian 运动的时刻 t 滤过;把它当作一个过程时,可以使用它自身的自然滤过。

直觉

Brownian 运动每一步都可以自由加入新噪声。桥还负有一项终点约束:前半段偏离得多,后半段就必须有相应回调。这个全程约束带来不同时段增量之间的负相关。

公式减去 tWT/T,不是把整条路径平移同一个高度。它减去一条从零逐渐长到终点偏差的斜线,使起点不动、终点精确归零。每个时刻都共享同一个终点修正,因此不能保留独立增量。

例子与边界

中点不是自由 Brownian 终点 ​

取 T=1。在 t=1/2,桥的方差是

Var(B1/2)=12−14=14,

而自由 Brownian 运动同一时刻的方差是 1/2。更靠近固定端点,剩余不确定性更小;一般有 Var(Bt)=t(1−t),在中点最大,两个端点为零。

现在看相邻的两个增量 I1=B1/2−B1/4、I2=B3/4−B1/2。Brownian 原增量不相关,但终点约束使

Cov(I1,I2)=−116,Var(I1)=Var(I2)=316.

因此相关系数为 −1/3。前一段向上走,会减少下一段继续向上走的自由度。更一般地,两段不相交时间区间的长度为 ℓ1,ℓ2 时,增量协方差为 −ℓ1ℓ2/T。

条件事件概率为零,也能有条件分布 ​

P(WT=b)=0,所以不能把普通事件条件概率的分子分母直接代入。正确对象是正则条件分布:把终点取值作为参数,给出路径的条件概率核。

桥给出的核是

L((Wt)0≤t≤T∣WT=b)=L((Bt+tb/T)0≤t≤T).

这里路径取值于 Polish 空间 C[0,T],终点取值于 R;右端作为 b 的函数给出一个弱连续的 Gaussian 条件核。这是对条件分布的这一指定版本的描述,不是“从所有模拟路径里筛出终点恰好等于 b”。后者在精确连续模型中几乎肯定筛不到任何一条。

推论与应用

用正交分解推导协方差与条件律 ​

利用 E(WsWt)=min(s,t),逐项展开协方差:

E(BsBt)=min(s,t)−tTs−sTt+stT2T=min(s,t)−stT.

同时 Cov(Bt,WT)=t−(t/T)T=0。对任意有限组时刻,(Bt1,…,Btk,WT) 联合 Gaussian,零交叉协方差便推出桥向量与终点独立。由连续路径及有理时刻生成的路径信息,整个桥都与 WT 独立。

于是

Wt=Bt+tTWT

是真正的独立分解:一部分是终点不能解释的剩余波动,另一部分完全由终点决定。给定 WT=b,只须把第二部分代成确定直线。这也证明了前面的条件律。

桥面积的方差 ​

设 A=∫0TBtdt。Riemann 和是 Gaussian 变量,均方连续的协方差核保证它们在均方中收敛;由高斯过程的均方极限封闭性,A 仍为零均值 Gaussian 变量。又因 E|BsBt|≤EBs2EBt2≤T/4,概率与两个有限时间区间上的乘积积分绝对可积,Fubini 定理允许对协方差积分:

Var(A)=∫0T∫0T(min(s,t)−stT)dsdt=T33−T34=T312.

对从 a 到 b 的桥,面积均值相应为 T(a+b)/2,方差不变。这个例子展示:终点约束不仅影响某个时刻,也改变整条轨迹的积分统计量。

在统计检验中,经验分布函数减去总体分布后的波动也会出现桥:总概率在右端必须等于一,中心化误差在那里被钉为零。Kolmogorov–Smirnov 检验利用这种端点约束下的整体偏差。

参考资料
关系图谱13 个相邻概念 · 3 类关系

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