形式陈述
一个小噪声过程偏离零轨迹时,怎样比较整条候选路径的稀有程度?Schilder 定理给出 Brownian 小噪声的路径成本。
设整数 , 的坐标是相互独立、从零出发的一维标准Brownian 运动公理库Brownian 运动Brownian motion · Wiener process · 布朗运动 · Wiener 过程从零出发、具有独立平稳高斯增量与几乎处处连续路径的连续时间随机过程。,固定 。当 , 的分布在 的一致范数拓扑下,以速度 满足LDP公理库大偏差原理Large deviation principle · LDP用开集下界和闭集上界刻画概率的指数衰减,区分速率函数、拓扑与精确概率。,良速率为
这里 表示从零出发的连续路径。向量路径的绝对连续性公理库绝对连续函数Absolutely continuous function · Absolute continuity on an interval把有限组总长度很小的区间送到总振幅很小的函数类,并满足 Lebesgue 版微积分基本定理。逐坐标理解,此时 ;导数属于$L^2$ 空间公理库L^p 空间L-p space · Lebesgue space按几乎处处相等取商的积分范数空间;从尖峰和完备性走到共轭指数的对偶表示,并证明有限测度下的反身性。表示 。因此有限成本路径能够用平方可积速度产生。若噪声写作 ,速度应改为 ,不能混用两个约定。
直觉
把时间切成小段。Brownian 增量在长度 的区间上有协方差 ,小噪声增量的协方差则为 。要沿候选路径走过位移 ,其高斯指数成本约为 。各段独立,成本相加;网格加密后,离散能量趋于 。
严格证明还需要确保网格之间的路径不会偷偷作出大幅摆动。对 Brownian 桥或增量最大值作指数估计,可以证明分段线性逼近是指数好逼近,再将有限维 LDP 提升到一致路径空间。仅计算每个终点的高斯密度,尚未证明整条路径的定理。
良速率来自能量的紧性。若 ,在实 内积中使用Cauchy–Schwarz 不等式公理库Cauchy–Schwarz 不等式Cauchy–Schwarz inequality · 柯西–施瓦茨不等式内积的绝对值不超过两向量范数之积,且等号精确刻画线性相关。,得到 ;这同时控制大小与共同连续模。Arzelà–Ascoli 的抽取论证给出一致收敛子列:先在可数稠密时刻依次用Bolzano–Weierstrass 定理公理库Bolzano–Weierstrass 定理Bolzano–Weierstrass theorem实数空间中的每个有界序列都存在收敛子列。抽取,并取对角子列,再以共同连续模将这些时刻的收敛扩展为整段上的一致收敛。
还需证明能量约束在一致极限下保留。若 一致且 ,则对任意有限组互不相交的正长度区间 ,先对 使用积分型 Cauchy–Schwarz,再令 ,得到
第二个界直接证明 绝对连续。令 为其 导数在等长二进细分区间上的平均值;第一个界给出 。由Lebesgue 微分定理公理库Lebesgue 微分定理Lebesgue differentiation theorem局部可积函数在几乎每一点都由缩小球上的平均恢复,且该点附近的平均绝对振荡趋零。,这些区间平均在几乎每点趋于 :包含该点的小区间可放进长度至多两倍的同心区间,绝对振荡平均仍趋零。再用Fatou 引理公理库Fatou 引理Fatou's lemma非负可测函数列下极限的积分不超过积分的下极限。得 。故能量子水平集闭,配合上述子列抽取即为紧集。
例子与边界
在一维要求终点为 。有限成本路径满足
所以 ,直线路径 达到等号。由终点映射的连续性与收缩原理公理库大偏差收缩原理Contraction principle沿连续映射转移大偏差原理,以所有原像中最小的速率作为输出成本。,终点速率正是 ,与 一致。
若事件是在 内达到正水平 ,某条路径第一次在 达到它,之前至少花费 ,最小值在 。开事件 可用稍高于 的直线逼近同一成本,故
典型 Brownian 路径并不绝对连续,速率在它们上面通常为无穷。这并非定理矛盾:LDP 比较的是小噪声路径落入固定邻域的指数概率,不是为每条精确路径赋密度。有限能量路径描述稀有事件最省成本的宏观形状。
带漂移扩散和状态相关噪声需要另一套路径映射及系数条件。不能把 随意替换成“速度减漂移”便称为本定理;那是进一步的小噪声扩散大偏差理论。
推论与应用
Schilder 定理提供从静态异常值走向异常轨迹的入口:连续路径泛函可继续收缩成最大值、终点或积分的速率。任何不连续路径事件都需单独处理边界,尤其不能把“触碰”“严格穿越”和“停时恰等某值”当成同一个集合。
参考资料