形式陈述
一个随时间变化的输入可能降到零以下,怎样只加上“恰好必要”的修正,让它保持非负?设 连续公理库连续性Continuity · Continuous function函数在输入微小变化时输出可被控制为任意小变化的性质。且 。半直线上的 Skorokhod 反射问题要求寻找连续函数 ,使
非减,并满足
最后一条说:只有在输出 接触零边界时,调节量才能增加。解唯一,而且显式为
这里的 是连续非减函数生成的 Stieltjes 测度,上式按Lebesgue 积分公理库Lebesgue 积分Lebesgue integral从简单函数积分出发,按单调逼近定义非负、扩展值与可积函数的积分。解释,因此无需假定 可微。输入一旦创下新的负最低值,就增加恰好填平这个缺口的调节量。
直觉
把零想成地板。输入向下压到地板时,地板提供向上的推力;输入重新上升,推力就停止增加,但之前累计的推量不会收回。因此输出依赖过去最低点,而不仅依赖当前输入。
“输出非负”只规定可行性,能产生无穷多种过度修正。增长支撑条件排除了在离开边界时继续推高路径,才把修正变成唯一的最小方案。
例子与边界
逐段算出一次下探与回升
取
输入在 首次到零, 到达最低点 ,随后回升到零。由运行最小值公式,
在中间一段,调节量增加,恰好抵消继续下降的输入;最后一段调节量固定,输出跟随输入回升。终点 ,而 ,所以路径反射绝不是逐点取绝对值。
若只要求 ,在任意解上再添加一个非减正修正也可能保持可行,但会在 时推高路径,违反支撑条件。这个条件不能省去。
与同名定理、离散递推的区别
Skorokhod 表示定理公理库Skorokhod 表示定理Skorokhod representation theorem · Skorohod representation theorem在 Polish 空间上把概率测度的弱收敛实现为某个新共同概率空间中的几乎必然收敛。把弱收敛随机变量耦合到共同概率空间;它讨论概率实现,不是本页的地板约束。Lindley 递推公理库Lindley 等待时间递推Lindley recursion逐位顾客更新未完成工作量,用反射随机游走解释单服务台等待及其稳定条件。则在离散时刻更新非负等待量。两者名字或反射图像相近,本页实际解决的是任意连续输入的全时间最小调节问题。
推论与应用
存在性、最小性与唯一性
运行最小值随时间连续不增,故公式中的 连续非减,且 、。 只可能在输入出现新的负最低值时增加;此时 ,所以 。存在性成立。
若另有可行非减修正 ,则对每个 ,由 和 得 。再用 ,可知 。所以所给修正在每个时刻都不超过任何可行修正。
还需证明满足支撑条件的修正不能严格更大。若某个开区间上 ,则 ,故 在这个区间必须恒定;而 非减,差值 不可能从该区间左端的零开始变成正数。连续性与初始差为零排除了所有这种区间,因此 ,也就 唯一。
输入误差如何传到反射输出
对两个输入 ,运行最小值满足
取负部也不会放大距离,所以
这使反射成为一致范数下的连续路径映射。随机游走若满足Donsker 原理公理库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。,由连续映射定理公理库连续映射定理Continuous mapping theorem · Mann–Wald theorem当可测映射的不连续点不承载极限概率时,沿它推前保留弱收敛;阈值映射说明边界质量为何决定成败。,对路径施加反射后的弱极限就是反射 Brownian 运动。
为什么反射 Brownian 运动与绝对值同分布
把标准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。 作为输入,得到 。它与 不逐路径相同,但两者作为全过程同分布。
证明将Brownian 凸函数的 Itô–Tanaka 公式公理库Brownian 凸函数的 Itô–Tanaka 公式Ito-Tanaka formula for Brownian convex functions · Brownian generalized Ito formula把凸函数的二阶导数理解为曲率测度,Brownian 变换中的修正项就成为局部时间对该测度的积分。用于 ,其曲率测度为 ;配合局部时间公理库Brownian 局部时间Brownian local timeBrownian 路径在某个水平附近的占据时间除以邻域宽度,得到连续的空间密度,称为局部时间。得到
由Lévy 刻画公理库Lévy 的 Brownian 刻画Lévy characterization theorem · Levy martingale characterization of Brownian motion连续局部鞅若以单位速度积累二次变差,就必定相对于原滤过具有独立的标准 Gaussian 增量。, 是 Brownian 运动; 连续非减且只在 时增长。因此 正是输入 的唯一反射解。输入 与 同分布,连续反射映射的输出也同分布。这条论证同时指出,绝对值表示使用的是变换后的驱动噪声,不能悄悄把它换回原路径。
参考资料