形式陈述
设 ( Z n ) 为Galton–Watson分枝过程 理路 Galton–Watson 分枝过程 Galton–Watson process · Galton-Watson branching process · 单类型分枝过程 用独立同分布繁殖定义代际家系,从生成函数复合求灭绝的最小不动点,并区分均值增长、个体独立性和真实存活。 ,繁殖概率为 p k ,生成函数为 f ( s ) = ∑ p k s k ,单祖先灭绝概率为 q 。从固定 r ≥ 1 个祖先出发,定义总后代数
(1) T = ∑ n = 0 ∞ Z n ∈ { r , r + 1 , … } ∪ { ∞ } . 本页的“总后代”包含最初的 r 个祖先 。若只想计祖先之后的个体,应使用 T − r ,不能不改下标便套下面的公式。
每代人数有限,而且没有移入,所以 T < ∞ 当且仅当家系最终灭绝。记
H ( s ) = E 1 [ s T 1 { T < ∞ } ] = ∑ n ≥ 1 Pr 1 ( T = n ) s n , 0 ≤ s ≤ 1. 这里直接按有限总数的概率求和,不对 1 ∞ 作约定。H 满足
(2) H ( s ) = s f ( H ( s ) ) , H ( 0 ) = 0 , H ( 1 ) = q . 从 r 个祖先出发,有限总数的生成函数为 H ( s ) r 。对每个整数 n ≥ r ,有 Lagrange–Dwass 公式
(3) Pr r ( T = n ) = r n [ u n − r ] f ( u ) n = r n Pr ( ξ 1 + ⋯ + ξ n = n − r ) , 其中 ξ i 独立同分布于繁殖数。n < r 时概率为零。有限质量的总和为 q r ,超临界时不能把它当成已归一化的条件分布。
若 m = E ξ < 1 ,则
(4) E r T = r 1 − m . 若还满足 σ 2 = Var ξ < ∞ ,则
(5) Var r T = r σ 2 ( 1 − m ) 3 . 另一个有用的合同是条件灭绝:若 q > 0 ,给定整个家系最终灭绝后,过程仍是同一初始祖先数的分枝过程,但繁殖概率变为
(6) p ~ k = p k q k − 1 , f ~ ( s ) = f ( q s ) q . 当 0 < q < 1 ,新均值为 f ′ ( q ) < 1 ,于是条件下的累计规模可用式(4)–(5)计算。q = 0 时条件事件概率为零,式(6)没有这里所说的条件概率含义。
直觉
总数满足一个递归分解:先数祖先自己的一,再加上每个孩子的整个子家系。生成函数中的前因子 s 正是祖先占用的一个计数单位;漏掉它会把每个规模都错移。
在式(3)右侧,n 个已经处理的个体一共要产生 n − r 个孩子,才与由 r 个根组成、总顶点数为 n 的森林相容。不过这个总量条件还未说明按探索顺序能否构成森林,因而概率前面还要乘 r / n 。下面用已有的形式反演完整推导这个系数,不把它解释成没有证明的独立概率。
条件灭绝会重新加权每一种繁殖数。孩子越多,要求全部子家系都灭绝越困难,所以原概率 p k 被乘上 q k ,再除以祖先家系灭绝的概率 q 。这改变的是整个家系的条件分布,不是把某次观察到的小家系随意当成原繁殖总体。
例子与边界
二叉家系的奇偶支持
令 p 0 = a , p 2 = b = 1 − a ,且 a , b > 0 。一祖先的有限总数只能为奇数 2 j + 1 。由式(3),
Pr 1 ( T = 2 j + 1 ) = 1 2 j + 1 ( 2 j + 1 j ) a j + 1 b j = 1 j + 1 ( 2 j j ) a j + 1 b j . 最后的整数系数正是二叉有序树的Catalan计数;每棵树有 j 个产生两个孩子的内部点和 j + 1 个不繁殖的叶子。
取 a = 1 / 4 , b = 3 / 4 ,最初三个有限质量为
Pr ( T = 1 ) = 1 4 , Pr ( T = 3 ) = 3 64 , Pr ( T = 5 ) = 9 512 . 全部有限质量只和到 q = 1 / 3 ,余下 2 / 3 在 T = ∞ 。条件于最终灭绝,新的繁殖概率是
p ~ 0 = 3 4 , p ~ 2 = 1 4 , m ~ = 1 2 , σ ~ 2 = 3 4 . 故一祖先的条件总规模均值为二、方差为六。原过程的无条件总数均值为无穷,因为有正概率无限;不能把条件均值二报告成原家系的平均总数。
Poisson繁殖与全体总数
若繁殖数服从参数 λ > 0 的Poisson分布,则 f ( u ) = exp ( λ ( u − 1 ) ) 。展开指数系数,式(3)给出
Pr r ( T = n ) = r n e − λ n ( λ n ) n − r ( n − r ) ! , n ≥ r . r = 1 时常称Borel分布公式。λ ≤ 1 时全部有限质量为一;λ > 1 时它是有限部分的缺陷质量。临界 λ = 1 虽然 T < ∞ 几乎必然,仍有 E T = ∞ 。有限随机变量的期望不一定有限。
没有叶子时不能强行反演
若 p 0 = 0 ,每个个体至少有一个孩子,r ≥ 1 的森林永不终止,所以全部有限质量为零。式(3)右侧也为零:∑ i = 1 n ξ i ≥ n > n − r 。但下面反演证明需要 f ( 0 ) = p 0 > 0 ,不能在 p 0 = 0 时执行同一可逆换元;结论在这个边界应直接证明。
初始 r = 0 时 T = 0 恒定;它应作为单独的零森林处理,而不是向式(3)代入 n = r = 0 得到 0 / 0 。
推论与应用
递归家系与形式反演
从一祖先出发,在扩展非负整数意义下有
T = 1 + ∑ i = 1 ξ T i , 其中子家系 T i 独立同分布于 T ,且与 ξ 独立。对 0 ≤ s < 1 ,把任何无限总数的贡献记为零,独立性给出 H ( s ) = s f ( H ( s ) ) ;s ↑ 1 时按非负系数求和,同样得到端点等式。
也可逐个有限规模理解这个方程:总数为 n 时,祖先至多有 n − 1 个孩子,且每个子家系都有限,所以每个系数只涉及有限多项。由此 H 同时是形式方程 H = s f ( H ) 的零常数项解。
当 p 0 > 0 ,实数域中的 f ( 0 ) 非零可逆,满足Lagrange反演 理路 Lagrange 反演定理 Lagrange inversion theorem · Lagrange–Bürmann formula 由系数递推建立隐式形式解,再证明留数换元与分部恒等式,从 T=zφ(T) 提取复合系数,并核对 Catalan 与标号根树。 的条件。对外层函数 u r 使用系数公式,
[ s n ] H ( s ) r = 1 n [ u n − 1 ] r u r − 1 f ( u ) n = r n [ u n − r ] f ( u ) n . f ( u ) n 的系数正是 n 份独立繁殖数之和的质量,得到式(3)。证明使用的是普通概率质量系数,没有指数生成函数中的 n ! 归一化。
先用有限截断证明矩有限
记一祖先到第 N 代的累计人数为 T N = ∑ j = 0 N Z j 。它递增到 T 。由于每代均值为 m j ,单调收敛定理 理路 单调收敛定理 Monotone convergence theorem 非负可测函数单调递增时,积分极限等于极限函数积分。 给出
E T = ∑ j ≥ 0 E Z j = ∑ j ≥ 0 m j . m < 1 时得到式(4)。m = 1 时级数发散,这包括几乎必然灭绝的非退化临界过程,不能因其最终停止而把期望改成有限值。
为证明方差,先假设 m < 1 , σ 2 < ∞ ,对每个有限 N 计算。令 a N = E T N 、v N = Var T N 。从根分解 T N + 1 = 1 + ∑ i = 1 ξ T N ( i ) ,利用全期望和全方差公式 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。 ,
a N + 1 = 1 + m a N , v N + 1 = m v N + σ 2 a N 2 , a 0 = 1 , v 0 = 0. 有限阶段的二阶矩可由这个递推归纳证明有限。再用 a N ≤ 1 / ( 1 − m ) ,得到
v N ≤ σ 2 ( 1 − m ) 2 ∑ j = 0 N − 1 m j ≤ σ 2 ( 1 − m ) 3 . 于是 sup N E T N 2 < ∞ 。对 T N 2 ↑ T 2 使用单调收敛,先确认 T 二阶矩有限,才可让 a N , v N 传极限;解 v = m v + σ 2 / ( 1 − m ) 2 得式(5)。初始有 r 个独立家系时,均值和方差均相加。
条件灭绝保持哪一种独立性
假设 q > 0 。从一祖先出发,
全 部 个 子 家 系 灭 绝 Pr ( ξ = k ∣ E ) = Pr ( ξ = k ) Pr ( 全部 k 个子家系灭绝 ∣ ξ = k ) q = p k q k − 1 . 这些数非负,且总和为 f ( q ) / q = 1 。给定 k 后,对独立子家系同时施加各自的灭绝事件,条件分布仍分解成 k 份相同的“已条件灭绝”的家系。因此整个过程递归地保留分枝结构。
同一事实也能在任意有限历史上核验。若初始有 r 个祖先,观察到第 N 代有 Z N = j ,未来全部灭绝的条件概率为 q j 。所以每个有限历史的条件概率,是原历史概率乘 q j − r 。各繁殖节点的权重 q ξ − 1 相乘也恰为 q j − r :非末代人数逐层抵消。这验证式(6)不仅给出首代边缘,还给出整个有限历史的联合规律。
当 0 < q < 1 ,严格凸性给出 m ~ = f ~ ′ ( 1 ) = f ′ ( q ) < 1 。此外 p ~ k = p k q k − 1 带指数衰减,所有有限阶矩都有限,即使原繁殖分布的均值或方差无穷。若 q = 1 ,变换不改变原分布;原临界过程也不会因此自动变成次临界。
用卷积表计算指定规模
给定有限支持 p 0 , … , p d ,若需要所有 n ≤ N 的质量,可递推 A j ( k ) = [ u k ] f ( u ) j :
A 0 ( 0 ) = 1 , A j ( k ) = ∑ ℓ = 0 min ( d , k ) p ℓ A j − 1 ( k − ℓ ) . 每完成一行 j = n ,输出 ( r / n ) A n ( n − r ) ;n < r 直接输出零。只需保留次数至 N 的相邻两行,时间为 O ( N 2 ( 1 + min ( d , N ) ) ) 次算术操作,工作空间为 O ( N + 1 ) 个系数,输入存储另计。无限支持时,计算这些有限系数只会读取 p 0 , … , p N ;不能把未读概率尾随意重新归一化,否则会改变原问题。
这个有限表给的是各个总数的精确质量,未列出的有限大规模和 T = ∞ 必须分别交代。终点的双祖先任务会同时检查卷积表、条件分布和缺失质量。
参考资料