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定理Theorem

Brownian 重对数律

Law of the iterated logarithm for Brownian motion · Brownian LIL

同一条 Brownian 路径长期反复触及 sqrt(2t log log t) 的正负包络,尖锐常数都为一。

形式陈述 ​

单个时刻的 Brownian 波动尺度是 t。沿同一条路径观察无限久,偶尔出现的最大幅度还需要多大的修正?对标准Brownian 运动 W,令

a(t)=2tlog⁡log⁡t,t>e.

Brownian 重对数律断言

lim supt→∞Wta(t)=1,lim inft→∞Wta(t)=−1几乎处处.

这是关于同一条随机路径的几乎处处渐近性质。具体说,对每个 ε>0,几乎每条路径在某个随机时刻以后始终满足 |Wt|≤(1+ε)a(t);但它又在任意晚的时刻分别达到 Wt≥(1−ε)a(t) 和 Wt≤−(1−ε)a(t)。

这里没有说曲线 ±a(t) 是从某个固定时刻起绝不穿越的边界。结论控制的是任意稍宽包络,并保证任意稍窄包络会被反复触及。

直觉

一次固定时刻的高斯尾概率很小,但无限次观察提供了无穷多个机会。要找到尖锐包络,需要平衡两件事:异常概率衰减多快,以及不同时间段能提供多少真正独立的新机会。

几何时间 cn 把这份平衡显露出来。此时 log⁡log⁡(cn)=log⁡(nlog⁡c),Gaussian 尾概率变成关于 n 的幂次。幂次大于一时可和,异常最终消失;略小于一时不可和,独立异常就会无穷多次发生。

例子与边界

固定时刻看起来趋零,整条路径却反复到一 ​

若只看每个确定的 t,则

Wta(t)∼N(0,12log⁡log⁡t).

其方差趋零,因此这个比值依概率趋零。但同一个比值沿路径的上极限为一、下极限为负一。两者没有矛盾:固定时刻碰到大偏差的概率越来越小,仍可能在随机挑出的无穷多个晚时刻碰到它。

反过来,Wt/t 沿路径的上极限为 +∞、下极限为 −∞。所以把“每一时刻均为标准正态”误读成“整条路径的标准化高度有界”,会漏掉长期重复观察的效果。

小时间尺度与 Hölder 端点 ​

已证的大时间上界给出 Ws/s→0 几乎处处,所以时间反演 Vt=tW1/t 可在零处连续补为零。它是零均值 Gaussian 过程,E(VsVt)=min(s,t),因而具有 Brownian 路径分布。把大时间结论用于 V,得到

lim suph↓0Wh2hlog⁡log⁡(1/h)=1,lim infh↓0Wh2hlog⁡log⁡(1/h)=−1.

因此 |Wh|/h 在零附近无界,路径不可能在零点满足 1/2-Hölder 界。这与Kolmogorov 判据给出的全部小于 1/2 的指数精确接合。对任意一个预先指定的确定时刻,同样可平移后应用;要同时处理所有随机时刻,则需要另外的路径分析,不能直接把不可数个概率一事件相交。

推论与应用

上界:控制整段时间,不能只检查网格点 ​

固定 ε>0,选 1<c<(1+ε)2,令 tn=cn。对标准正态变量 Z,将Markov 不等式用于 exZ,由 EexZ=ex2/2 得 P(Z>x)≤e−x2/2(x>0)。再用反射原理,对充分大的 n,

P(sup0≤t≤tnWt>(1+ε)a(tn−1))≤2exp⁡(−(1+ε)2a(tn−1)22tn)=2((n−1)log⁡c)−(1+ε)2/c.

指数大于一,级数可和。由Borel–Cantelli 第一引理,这些整段最大值越界事件只发生有限次。对充分大的 t∈[tn−1,tn],a(t)≥a(tn−1),所以 Wt/a(t)≤1+ε。对 −W 同样处理,再沿可数个 ε↓0 取交,得到上下两侧的最终界。

下界:用独立增量制造反复发生的机会 ​

现在固定 0<ε<1,改选足够大的 c。令

En={Wtn−Wtn−1≥(1−ε/2)a(tn)}.

这些事件取决于不相交增量,因而独立。增量方差是 (1−1/c)tn。正态密度在 [x,x+1/x] 上积分给出 P(Z>x)≥x−1φ(x+1/x)≥Cx−1e−x2/2(x≥1),其中 C>0 为固定常数。这个下界给

P(En)≥Cclog⁡nn−p,p=(1−ε/2)21−1/c.

取 c 足够大可使 p<1,于是概率和发散。Borel–Cantelli 第二引理保证 En 无穷多次发生。

还要避免前一时刻的负值抵消这次上跳。已证上界用于 −W,给出最终的 Wtn−1≥−2a(tn−1),而

a(tn−1)a(tn)⟶1c.

进一步放大 c,使最终的 2a(tn−1)/a(tn)<ε/2。在无穷多个 En 上便有 Wtn≥(1−ε)a(tn)。对 −W 重复并让 ε↓0,得出两个尖锐常数。

这个证明同时说明为什么长期包络不是普通尾界的另一种写法:上界用可和概率,下界必须利用独立性与发散概率和。

参考资料
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

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