形式陈述
设每个个体产生的下一代数量为非负整数随机变量 ξ ,满足
Pr ( ξ = k ) = p k , k = 0 , 1 , … , ∑ k ≥ 0 p k = 1. 这允许无界的繁殖数,但每个繁殖数有限几乎必然。准备一族相互独立 理路 独立性 Statistical independence 从概率表理解独立性,区分两两、相互和条件独立,并用可计算反例澄清零协方差与条件均值的限度。 、同分布于 ξ 的随机变量 ξ n , i ,其中 n ≥ 0 , i ≥ 1 。固定初始祖先数 Z 0 = r ∈ N 0 ,递推
(1) Z n + 1 = ∑ i = 1 Z n ξ n , i , 空和为零。这个随机过程 理路 随机过程 Stochastic process · Random process 由同一随机实验产生、按时间或空间指标组织的一族随机变量。 称为单类型 Galton–Watson 分枝过程。n 是代数;Z n 只数第 n 代,不累计已经过去的各代,也不描述个体在连续时间里活多久。
零态吸收:Z n = 0 后所有未来代均为零。令 E = { ∃ n : Z n = 0 } 为最终灭绝事件,先从一个祖先出发,记 q = Pr 1 ( E ) 。定义繁殖分布的概率生成函数
(2) f ( s ) = E s ξ = ∑ k ≥ 0 p k s k , 0 ≤ s ≤ 1 , 其中 0 0 = 1 。这是系数非负且总和为一的普通生成函数 理路 普通生成函数 Ordinary generating function 把序列编码为形式幂级数 Σ a_n x^n。 ;在这里还可合法数值代入 [ 0 , 1 ] ,不是只作形式运算。
写 f ∘ n 为 n 次复合,f ∘ 0 ( s ) = s 。则
(3) E r s Z n = [ f ∘ n ( s ) ] r , q = lim n → ∞ f ∘ n ( 0 ) = min { s ∈ [ 0 , 1 ] : f ( s ) = s } . r = 0 时过程已经灭绝,生成函数与灭绝概率都为一;式(3)的零次幂按此解释。一般 r 的最终灭绝概率为 q r 。
繁殖均值 m = E ξ ∈ [ 0 , ∞ ] 决定阈值,但有一个必须保留的退化情形:
若 p 1 = 1 ,每条家系永远只有一个个体,q = 0 ,尽管 m = 1 。
若 p 1 ≠ 1 ,则 m ≤ 1 时 q = 1 ;m > 1 (允许 m = ∞ )时 q < 1 。
若 p 0 = 0 ,没有个体会断后,所以 q = 0 ;若 p 0 > 0 且 m > 1 ,则 0 < q < 1 。
这些结论要求式(1)中的全部个体繁殖独立,且繁殖分布不随代数或当前人数改变。
直觉
一个祖先的孩子们开启彼此独立、规律相同的子家系。若它恰有 k 个孩子,最终灭绝要求这 k 个子家系全部灭绝,概率为 q k 。平均后得到 q = f ( q ) 。不过 f ( 1 ) = 1 永远成立,单写不动点方程还不知道应选哪一个根;从“零代时尚未灭绝”的概率零反复更新,才选出最小根。
同一想法还能读出整代分布。给定第 n 代有 i 个个体,下一代是 i 份独立繁殖数之和;概率生成函数相乘,得到 f ( s ) i 。再平均当前人数,生成函数的乘法便变成复合。
均值 m n 是跨重复家系实验的平均。它可以持续增加,同时有一部分家系很早灭绝;平均增长不是每条样本路径的确定增长率。进一步识别存活路径的增长,需要归一化鞅 理路 分枝过程的归一化鞅 Branching process martingale · Galton–Watson normalized martingale 将代际人数除以平均增长率,从正交鞅增量得到精确均方误差,并在超临界有限方差下证明极限为零恰好对应灭绝。 的矩条件。
例子与边界
一份可以逐代复算的二叉家系
取 p 0 = 1 / 4 , p 2 = 3 / 4 ,其余为零。则
f ( s ) = 1 4 + 3 4 s 2 , m = 3 2 , f ( s ) − s = 1 4 ( 3 s − 1 ) ( s − 1 ) . 最小根为 q = 1 / 3 。从一个祖先出发,第一代灭绝概率为 1 / 4 ;到第二代已灭绝的概率为
f ( f ( 0 ) ) = 1 4 + 3 4 ( 1 4 ) 2 = 19 64 . 第二代分布可以直接列出:
Z 2
0
2
4
概率
19 / 64
18 / 64
27 / 64
例如 Z 2 = 2 要求第一代确有两个孩子,随后恰有一个孩子繁殖为二,概率为 ( 3 / 4 ) 2 ( 1 / 4 ) ( 3 / 4 ) = 18 / 64 。表中均值为 9 / 4 = m 2 。两个初始祖先的家系独立,第二代均值为 9 / 2 ,最终共同灭绝概率为 1 / 9 ,不是 1 / 3 。
同样的个体边缘分布,换成共同环境
现在每代只抽一次 A n ,其取值零、二的概率仍为 1 / 4 , 3 / 4 ,不同代的 A n 独立;令该代所有个体都产生 A n 个孩子。于是
Z ^ n + 1 = A n Z ^ n , Pr ( Z ^ n > 0 ) = ( 3 4 ) n ⟶ 0. 从一个祖先出发,存活到第 n 代时人数恰为 2 n ,故均值仍为 ( 3 / 2 ) n ,但最终灭绝概率为一。这里同代个体的繁殖完全相关,不能使用 f ( s ) Z n 。这不是式(3)的例外,而是模型输入已经改变。
图片加载失败 独立性改变灭绝概率与平方预算 临界情形不能省掉退化检查
若 p 0 = p 2 = 1 / 2 ,则 m = 1 ,不动点方程只有 s = 1 ,家系几乎必然灭绝。若改成 p 1 = 1 ,同样有 m = 1 ,但 Z n = r 恒定。繁殖均值相同,并不足以把这两个模型归为同一存活结论。
本模型也不同于连续时间生灭过程 理路 生灭过程 Birth-death process 把只发生相邻增减的连续时间链化为逐边平衡,并单独检查稳态级数是否可归一化。 :生灭过程在实时间里逐次加一或减一,本页在一代结束时让全部个体同时被其后代替换。若有外部个体不断进入,应写明移入项 理路 带移入的分枝过程 Branching process with immigration · Galton–Watson process with immigration · 带移民的分枝过程 在独立家系之外加入每代外部输入,按移入年代构造平稳分布,并用残留祖先的耦合给出收敛界。 ;此时零态一般不再吸收,不能把“曾到零”当成永久灭绝。
推论与应用
从独立子家系到最小不动点
给定当前人数 i ,下一代分布为 p 的 i 重卷积;当 i = 0 时为零点质量。未来繁殖数组独立于已经观察的历史,所以这个转移核只依赖当前人数,且不依赖代数。这证明本模型确实是可数状态、时间齐次的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。 。
从一祖先出发,令 F n ( s ) = E s Z n 。条件计算给出
F n + 1 ( s ) = E [ f ( s ) Z n ] = F n ( f ( s ) ) , F 0 ( s ) = s , 因此 F n = f ∘ n 。初始 r 个祖先使用互不相交的繁殖数组,家系相互独立,所以总人数的生成函数是 F n r 。
令 a n = F n ( 0 ) = Pr 1 ( Z n = 0 ) 。零态吸收说明事件 { Z n = 0 } 递增,故 a n ↑ q 。级数(2)在 [ 0 , 1 ] 连续:尾部对所有 s 都不超过相应的概率尾和。于是 a n + 1 = f ( a n ) 传极限给出 f ( q ) = q 。任何其他不动点 b ∈ [ 0 , 1 ] 都满足 a 0 = 0 ≤ b ;由 f 单调,归纳得 a n ≤ b ,从而 q ≤ b 。
为什么阈值是均值一
先处理 p 0 = 0 :每个个体至少产生一个孩子,直接得到 q = 0 。若再有 m ≤ 1 ,必有 ξ = 1 几乎必然,正是前述退化情形。
以下设 p 0 > 0 。若没有大于一的繁殖数,f ( s ) = p 0 + p 1 s 且 p 1 < 1 ,唯一不动点就是一。否则至少某个 p k > 0 , k ≥ 2 ,f 严格凸;在 0 ≤ s < 1 上,
f ′ ( s ) = ∑ k ≥ 1 k p k s k − 1 , f ′ ( 1 − ) = m . 当 m ≤ 1 ,对 s < 1 有 f ′ ( s ) < 1 ,故 f ( s ) − s 从正值严格递减到零,不能提前穿零。当 m > 1 ,存在 s 0 < 1 使 f ′ ( s 0 ) > 1 ,即使 m = ∞ 也成立。对 s ∈ ( s 0 , 1 ) ,积分得 f ( s ) − s < 0 。但 f ( 0 ) > 0 ,故在 ( 0 , 1 ) 有一个根;严格凸性不允许连同一再出现第三个根。因此该根唯一,且是 q 。割线从 q 到一的斜率为一,严格凸性还给出 f ′ ( q ) < 1 。
均值、方差与所需成本
当 m < ∞ ,对历史条件化后调用全期望公式 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。 ,
E [ Z n + 1 ∣ F n ] = m Z n , E r Z n = r m n . 若繁殖方差 σ 2 < ∞ ,同一工具的全方差公式给出
(4) Var r Z n + 1 = σ 2 E r Z n + m 2 Var r Z n . 其首项为零。对 m > 0 , n ≥ 1 ,解递推得
Var r Z n = { r σ 2 m n − 1 ( m n − 1 ) / ( m − 1 ) , m ≠ 1 , r n σ 2 , m = 1. m = 0 时繁殖恒零,第一代起人数和方差均为零,不需代入负幂式。
若繁殖支持为 { 0 , … , d } ,用Horner法算一次 f ( a ) 需要 O ( d + 1 ) 次算术操作;求到第 N 代灭绝概率需要 O ( N ( d + 1 ) ) 时间,除输入系数外只需常数个状态。系数为有理数时可以精确迭代,但上述是算术操作计数,不是忽略分子分母增长后的位复杂度。
直接迭代得到的是 q 的下界,不能把相邻两次差自动当作误差上界。若另外找到 b < 1 满足 f ( b ) ≤ b ,且已认证 ρ = f ′ ( b ) < 1 ,则 q ≤ b ,在 [ 0 , b ] 上的导数不超过 ρ 。由中值估计,
(5) 0 ≤ q − a n ≤ f ( a n ) − a n 1 − ρ . 二叉例子可取 b = 1 / 2 , ρ = 3 / 4 。相反,临界 f ( s ) = ( 1 + s 2 ) / 2 满足 f ( a ) − a = ( 1 − a ) 2 / 2 ,真实误差 1 − a 是相邻差的平方根量级;只看迭代增量很小,会过早宣称精确。
如果按式(1)逐个模拟到第 N 代,繁殖抽样次数恰为 ∑ n = 0 N − 1 Z n ,不是固定 N 次。假设单次繁殖抽样常数成本,期望次数为 r ∑ n = 0 N − 1 m n 。累计整个家系的工作量则由总后代数 理路 分枝过程的总后代分布 Total progeny of a branching process · Dwass formula · Lagrange–Dwass formula 从包含祖先的累计家系规模得到缺陷生成函数和Dwass系数,证明条件灭绝的繁殖变换,并在有限截断上建立总规模矩。 控制;终点会把有限代概率、最终灭绝概率和累计规模分别复算。
参考资料