形式陈述
两个分布之间的“中间分布”应该怎样定义,才能让搬运距离随时间匀速变化?位移插值先确定质量配对,再移动位置。
设 ,取平方成本最优计划 ,以推前测度公理库推前测度Pushforward measure · Image measure · 像测度沿可测映射把源测度搬到目标空间,使目标集合的质量等于其原像的质量。定义
则对任意 ,
所以 是Wasserstein 距离公理库Wasserstein 距离Wasserstein distance用最小平均搬运距离定义概率测度的度量,并用矩条件说明它比弱收敛多控制什么。下的恒速测地线。若最优计划由映射 诱导,可简化为 ;定义本身并不要求存在映射。
直觉
先抽一对最优匹配的起点与终点 ,然后让这一份质量沿欧氏直线从 移到 。所有质量同时按相同比例走过各自路线,所以任意两个时刻之间的平均平方搬运量按时间差的平方缩放。
由同一计划产生的 是 的可行耦合,成本为
先得到距离上界。对 再沿端点用三角不等式:
两端相等,迫使中间各段上界都取等号,从而证明恒速,而不只证明路径连续。
例子与边界
从 搬到 ,唯一计划配对 与 ,所以 ,中点为 。线性混合 的中点却把一半质量留在零、一半放到二,没有质量在中间。
在线性混合中,从初始分布到时刻 的 距离为 ;位移插值的距离则为 。两条路径虽然端点相同,前者不是按这个参数匀速移动的 Wasserstein 测地线。
再取 、。最优计划需要拆分,但仍可定义
一维分位数配对给出 ,因此没有 Monge 映射并不妨碍测地线存在。
最优计划若不唯一,插值曲线也可能不唯一。即使两端有密度,中间密度的光滑性或统一上界也需要进一步条件;本定义只保证概率测度和有限二阶矩。一般度量空间没有表达式 ,需改用空间中的最短路径及其概率分布来构造。
推论与应用
位移插值给出沿质量搬运定义的分布中间态,适合解释 Wasserstein 重心和概率测度上的凸性。所谓位移凸性,是泛函沿这类路径满足凸性;它与沿混合 的通常凸性不同,应明确采用哪种路径。
参考资料