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定理Theorem

Donsker 不变性原理

Donsker invariance principle · Functional central limit theorem for random walks

有限方差的中心化独立同分布随机游走,经时间和空间缩放后,整条折线路径弱收敛到 Brownian 运动。

形式陈述 ​

普通中心极限定理只看一个终点。若问题涉及途中最高点、累计面积,怎样一次得到整条路径的极限?设 ξ1,ξ2,… 为独立同分布样本,满足

Eξ1=0,Eξ12=σ2∈(0,∞),Sk=∑j=1kξj,S0=0.

在网格点 k/n 设置 Xn(k/n)=Sk/(σn),其间作线性插值,即

Xn(t)=S⌊nt⌋+(nt−⌊nt⌋)ξ⌊nt⌋+1σn,0≤t≤1,

并约定 Xn(1)=Sn/(σn)。Donsker 不变性原理断言:

Xn⇒W于 (C[0,1],‖⋅‖∞),

其中 W 是标准Brownian 运动。这是路径空间上的分布弱收敛:对每个有界连续路径泛函 F,都有 EF(Xn)→EF(W)。它不声称同一概率空间上的路径逐条一致趋近。

直觉

每秒挤入 n 步,单步幅度除以 n,使单位时间方差保持一。不同的有限方差步长分布,在这种观察尺度下共享同一种连续噪声极限,因此称“不变性”。

证明要同时回答两个问题。有限多个时刻的数值是否趋向正确的联合正态分布?网格之间是否可能藏着很高、很窄的尖峰?第一问由中心极限定理处理;第二问需要控制路径振荡。仅回答第一问不足以得到整条路径的极限。

例子与边界

最高点和累计面积一起得到极限 ​

取对称的 ±1 步长,σ=1。折线最高点位于某个网格顶点,所以

max0≤k≤nSkn⇒sup0≤t≤1Wt.

由 Brownian 反射原理,右边对 x≥0 的分布函数为 2Φ(x)−1,对 x<0 为零。对大 n,最高点超过 2n 的概率因而接近 2[1−Φ(2)]≈0.0455。单独对 Sn 用中心极限定理只会得到约一半的概率,因为路径可能先越界再返回。

另一方面,梯形面积恰好是

∫01Xn(t)dt=1nn(∑k=1n−1Sk+12Sn)⇒∫01Wtdt∼N(0,1/3).

方差来自 ∫01∫01min(s,t)dsdt=1/3。取最大值与积分都是一致范数下的连续映射,所以可直接用连续映射定理。

两种不能省略的条件 ​

未插值的阶梯路径不属于 C[0,1];它需要改在适当的右连续路径空间陈述。插值明确了本页的空间和拓扑。

无限方差步长也不在本定理范围内。例如 Cauchy 步长的和以 n 而不是 n 缩放才保持同分布,极限不会是标准 Brownian 运动。有限方差是结论的一部分,不是为了简化证明才随便加上的条件。

推论与应用

从有限维收敛到路径紧性 ​

先看有界的中心化步长。对若干固定时刻,把和拆成不相交的增量块,逐块使用中心极限定理。独立性保留下来,极限协方差为 min(s,t);插值的单步误差趋零,因此得到 Brownian 的有限维分布。

有界步长具有四阶矩。若 h=|t−s|≥1/n,独立中心化和的四阶矩展开包含单项四阶矩及成对方差项,归一化后给出

E|Xn(t)−Xn(s)|4≤C(h2+h/n)≤C′h2.

若 h<1/n,区间最多穿过两条网格边,插值系数总和为 nh;四阶矩可界为 Cn2h4≤Ch2。常数与 n,s,t 无关。

将Kolmogorov 连续性判据的二进网格估计用于整族 Xn,可得对每个 ε>0,

limδ↓0supnP(sup|t−s|≤δ|Xn(t)−Xn(s)|>ε)=0.

结合 Xn(0)=0,为一列递减的模连续性阈值分配可求和的失败概率,再用 Arzelà–Ascoli 判据,便得到以任意高概率容纳全族的紧集。路径分布因此形成紧族。C[0,1] 在一致范数下完备,且有理折线构成可数稠密集,故可用Prokhorov 定理从任意子列抽出弱收敛子列;其有限维分布已经唯一确定为 Brownian,因此所有子列只有同一个可能极限。

去掉额外的四阶矩要求 ​

原定理只有二阶矩。令

ξj(K)=ξj1{|ξj|≤K}−E[ξj1{|ξj|≤K}],rj(K)=ξj−ξj(K).

残差仍独立、中心化,且 vK=E[(r1(K))2]≤E[ξ121|ξ1|>K]→0;最后一步由可积的 ξ12 支配,应用控制收敛定理。令 Xn(K) 使用截断步长,但仍除以原来的 σn。折线差的最大绝对值在网格顶点取得,由Doob 最大不等式,

P(‖Xn−Xn(K)‖∞>η)≤4vKσ2η2,

此界对全部 n 一致。固定 K,已证明 Xn(K)⇒(σK/σ)W,其中 σK2=Var(ξ1(K))→σ2。若某个 σK=0,该中心化截断步长几乎处处为零,相应结论直接成立。

对任意有界 Lipschitz 泛函,先把原路径换为截断路径,误差由上面的概率界和 η 控制;再令 n→∞、K→∞、η↓0。这便将有界步长的结论传回全部有限方差步长。截断不是改变了定理的假设,而是构造了一族可统一控制误差的中间问题。

参考资料
关系图谱27 个相邻概念 · 2 类关系

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