13 Markovprocesser med transitionssemigruppe

Relaterede dokumenter
Statistik og Sandsynlighedsregning 2

standard normalfordelingen på R 2.

For nemheds skyld: m = 2, dvs. interesseret i fordeling af X 1 og X 2. Nemt at generalisere til vilkårligt m.

Plan. Markovkæder Matematisk modelling af kølængde, yatzy, smittespredning og partikelbevægelser. Materiale mm.

Eksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

1 Palm teori. Palm teori 1

Markovkæder med endeligt tilstandsrum

Momenter som deskriptive størrelser. Hvad vi mangler fra onsdag. Momenter for sandsynlighedsmål

Hvad vi mangler fra onsdag. Vi starter med at gennemgå slides fra onsdag.

Punktmængdetopologi. Mikkel Stouby Petersen. 1. marts 2013

Analyse 2. Gennemgå bevis for Sætning Supplerende opgave 1. Øvelser. Sætning 1. For alle mængder X gælder #X < #P(X).

Hvad skal vi lave i dag?

Elementær sandsynlighedsregning

1 Beviser for fornyelsessætningen

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

8 Regulære flader i R 3

Reeksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

Sandsynlighedsregning 11. forelæsning Bo Friis Nielsen

Noget om en symmetrisk random walks tilbagevenden til udgangspunktet

Side 9 sætningen: Kolmogorov s konsistensætning Tue Tjur, Institut for Matematisk Statistik

Kvantitative Metoder 1 - Forår Dagens program

En martingalversion af CLT

Sandsynlighedsregning Stokastisk variabel

t a l e n t c a m p d k Matematiske Metoder Anders Friis Anne Ryelund 25. oktober 2014 Slide 1/42

= λ([ x, y)) + λ((y, x]) = ( y ( x)) + (x y) = 2(x y).

Integration m.h.t. mål med tæthed

NATURVIDENSKABELIG KANDIDATEKSAMEN VED KØBENHAVNS UNIVERSITET. MI 2007 Obligatorisk opgave 4

GEOMETRI-TØ, UGE 8. X = U xi = {x i } = {x 1,..., x n }, U α, U α = α. (X \ U α )

Wigner s semi-cirkel lov

MM501 forelæsningsslides

Gult Foredrag Om Net

Statistik og Sandsynlighedsregning 2

GEOMETRI-TØ, UGE 3. og resultatet følger fra [P] Proposition 2.3.1, der siger, at

Hvad skal vi lave i dag?

Elementær sandsynlighedsregning

Sandsynlighedsregning 6. forelæsning Bo Friis Nielsen

Sandsynlighedsregning 6. forelæsning Bo Friis Nielsen

Kompleks Funktionsteori

Teoretisk Statistik, 9 marts nb. Det forventes ikke, at alt materialet dækkes d. 9. marts.

Skriftlig eksamen - med besvarelse Topologi I (MM508)

Kvantitative Metoder 1 - Forår Dagens program

Om hypoteseprøvning (1)

Fortolkning. Foldning af sandsynlighedsmål. Foldning af tætheder. Foldning af Γ-fordelinger Eksempel: Hvis X og Y er uafhængige og. Sætning (EH 20.

Ergodeteori for markovkæder på generelle tilstandsrum.

Supplerende opgaver. S1.3.1 Lad A, B og C være delmængder af X. Vis at

Agenda Sandsynlighedsregning. Regneregler (kap. 3-4) Fordelinger og genkendelse af fordelinger (kap. 3-5) Simultane, marginale og betingede

Lineær Algebra, TØ, hold MA3

Borel-σ-algebraen. Definition (EH 1.23)

Sandsynlighedsregning Oversigt over begreber og fordelinger

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Statistik og Sandsynlighedsregning 2

MM501/MM503 forelæsningsslides

Lineære normale modeller (1) udkast. 1 Flerdimensionale stokastiske variable

Integration m.h.t. mål med tæthed

hvor a og b er konstanter. Ved middelværdidannelse fås videre

Program. Statistik og Sandsynlighedsregning. Eksempler. Sandsynlighedstæthed og sandsynlighedsmål

En martingalversion af CLT

ANALYSE 1. Uge 7, 4. juni juni, 2007

Vektorfelter langs kurver

Eksamen i Diskret Matematik

Rettevejledning til eksamen i Kvantitative metoder 1, 2. årsprøve 2. januar 2007

Overheads til forelæsninger, mandag 5. uge På E har vi en mængde af mulige sandsynlighedsfordelinger for X, (P θ ) θ Θ.

Hvad skal vi lave i dag?

MM502+4 forelæsningsslides

Mat H /05 Note 2 10/11-04 Gerd Grubb

Stokastisk integration med anvendelser

Gruppeteori. Michael Knudsen. 8. marts For at motivere indførelsen af gruppebegrebet begynder vi med et eksempel.

Komplekse tal og algebraens fundamentalsætning.

MASO Uge 5. Topologi i euklidiske rum. Jesper Michael Møller. Uge 5. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

DANMARKS TEKNISKE UNIVERSITET Side 1 af 17 sider. Skriftlig prøve, den: 30. maj 2016 Kursus nr : (navn) (underskrift) (bord nr)

Betingning med en uafhængig variabel

Program. Statistik og Sandsynlighedsregning 2 Middelværdi og varians. Eksempler fra sidst. Sandsynlighedstæthed og sandsynlighedsmål

5.3 Konvergens i sandsynlighed Konvergens i sandsynlighed 55. Hvis vi regner den karakteristiske funktion for X, v ud i argumentet 1, fås

Modul 2: Sandsynlighedsmodeller og diskrete stokastiske variable

Reeksamen i Diskret Matematik

MASO Uge 1. Relle tal Følger. Jesper Michael Møller. 10. september Department of Mathematics University of Copenhagen

Definition: Normalfordelingen. siges at være normalfordelt med middelværdi µ og varians σ 2, hvor µ og σ er reelle tal og σ > 0.

Statistik Lektion 3. Simultan fordelte stokastiske variable Kontinuerte stokastiske variable Normalfordelingen

Landmålingens fejlteori - Repetition - Kontinuerte stokastiske variable - Lektion 3

Analyse 2. Bevis af Fatous lemma (Theorem 9.11) Supplerende opgave 1. Øvelser

Opgaver i sandsynlighedsregning

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Teoretisk Statistik, 16. februar Generel teori,repetition

Implicit givne og inverse funktioner

Aarhus Universitet 5. februar Meddelelse 2

TØ-opgaver til uge 46

Afgør for hver af følgende rækker om den er divergent, betinget konvergent eller absolut konvergent. 2 n. n=1 2n (n + 1)2 1 = 2(n + n+1

Repetition. Diskrete stokastiske variable. Kontinuerte stokastiske variable

Supplement til kapitel 4 Om sandsynlighedsmodeller for flere stokastiske variable

Fordybelsesprojekt Matematik 2, forår 2005 Potensrækker

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

Prøveeksamen MR1 januar 2008

Sandsynlighedsregning: endeligt udfaldsrum (repetition)

Nanostatistik: Stokastisk variabel

Uge 10 Teoretisk Statistik 1. marts 2004

Sandsynlighedsregning

Sandsynlighedsregning 10. forelæsning Bo Friis Nielsen

Sandsynlighedsregning 10. forelæsning Bo Friis Nielsen

Statistik og Sandsynlighedsregning 2

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

Transkript:

13 Markovprocesser med transitionssemigruppe I nærværende kapitel vil vi antage at tilstandsrummet er polsk, hvilket sikrer, at der findes regulære betingede fordelinger. Vi skal se på eksistensen af Markovprocesser. 13.1 Diskret tid Lad K(A x), defineret for x og A B(), være en Markovkerne og (X n ) n 1 betegne en proces med tilstandsrum defineret på et sandsynlighedsfelt (Ω,F,P). Definition 13.1. Vi siger, at (X n ) n 1 er en (homogen) Markovkæde med transitionsfunktion K, hvis der for n = 1,2,... gælder E[1 {Xn+1 A} X 1,...,X n ] = K(A X n ) P n.o. (13.1) for ethvert A B(). Lad ν(a) := P(X 1 A) være defineret for A B(). Da kaldes ν for processens begyndelsesfordeling. Man kan ækvivalent formulere (13.1) som egenskaben P(X n+1 A X 1 = x 1,...,X n = x n ) = K(A x n ) (13.2) for P (X1,...,X n )-næsten alle (x 1,...,x n ). Ordet homogen hentyder til, at Markovkernen K er en regulær betinget fordeling af X n+1 givet X n for ethvert n. Eksempel 13.2. Markovkæder med transitionsfunktion har I i rigt mål mødt i et tidligere kursus: Antag at er højst tællelig samt at P = {p i j } i, j er en overgangsmatrix. Det vil sige, at p i j 0 for alle i, j samt at rækkesummerne er 1, altså j p i j = 1 for ethvert i. Da definerer K(A i) := j A p i j en Markovkerne og (X n ) n 1 er en homogen Markovkæde med transitionsfunktion K hvis og kun hvis processen er en Markovkæde med overgangsmatrix P, som defineret i Hoffmann s kursus. Eksempel 13.3. (AR(1)-processen). Antag at X n+1 = θx n +ε n+1 hvor θ R og X 1,ε 2,ε 3,... er uafhængige med ε n N(0,1). Da er transitionsfunktionen K( x) = N(θx,1). Det vil sige 1 K(A x) = exp( 1 2π 2 (y θx)2 )dx, x R,A B(R). A Det er nu relevant at undersøge følgende spørgsmål: (1) Hvordan ser de endeligt dimensionale marginale fordelinger ud for en Markovkæde med transitionsfunktion K? 74

(2) Lad ν være en fordeling på. Findes der en Markovkæde med transitionsfunktion K og begyndelsesfordeling ν? Vi vil besvare spørgsmål (2) positivt ved at henvise til Kolmogorov s konsistenssætning. Lad os derfor definere et sandsynlighedsmål π n på B( n ) for n 1 på følgende måde: Lad π 1 (A) := ν(a), A B(); og for n = 2,3,... lad π n (A) := 1 A (x 1,...,x n )K(dx n x n 1 )K(dx n 1 x n 2 ) K(dx 2 x 1 )ν(dx 1 ), A B( n ). Overvej her, at π n (A) er veldefineret for et vilkårligt A B( n ). (Dette følger ved først at kigge på produktmængder og derefter benytte et Monoton Klasse-argument). For produktmængder har vi π 2 (A 1 A 2 ) = K(A 2 x 1 )π 1 (dx 1 ), A 1,A 2 B(); A 1. π n+1 (A 1 A n A n+1 ) = K(A n+1 x n )π n (d(x 1,...,x n )), A 1 A n (13.3) hvor det sidste lighedstegn gælder for A 1,...,A n+1 B(). ammenhængen mellem π n og π n+1 er med andre ord π n+1 (A) = 1 A (x 1,...,x n,x n+1 )K(dx n+1 x n )π n (d(x 1,...,x n )), A B( n+1 ). n (13.4) Proposition 13.4. Lad ν være en fordeling på og definér {π n n 1} som ovenfor. Lad (X n ) n 1 være en proces med tilstandsrum. Følgende udsagn er da ækvivalente: (1) (X n ) n 1 er en homogen Markovkæde med transitionsfunktion K; (2) For ethvert n 1 har (X 1,...,X n ) fordeling π n ; det vil sige P((X 1,...,X n ) A) = π n (A), A B( n ). Bemærkning 13.5. Antag at (X n ) n 1 er en homogen Markovkæde med transitionsfunktion K og begyndelsesfordeling ν. Med baggrund i definitionen af π n skriver man ofte P(X 1 dx 1,...,X n dx n ) = ν(dx 1 )K(dx 2 x 1 ) K(dx n 1 x n 2 )K(dx n x n 1 ). Hvis situation er som i Eksempel 13.2, er for alle i 1,...i n. P(X 1 = i 1,X 2 = i 2,...,X n = i n ) = ν({i 1 })p i1 i 2 p i2 i 3 p in 1 i n 75

Bevis for Propositionen. Antag (1). Pr definition, se ligning (13.2), er P Xn+1 (X 1,...,X n )(A (x 1,...,x n )) := K(A x n ) (13.5) en regulær betinget fordeling af X n+1 givet (X 1,...,X n ). Lad os ved induktion vise at (X 1,...,X n ) har fordeling π n. For n = 1 er dette ok pr. definition af π 1. Antag derfor at (X 1,...,X n ) har fordeling π n. Ifølge ligningerne (B.2) og (13.5) gælder P((X 1,...,X n ) A 1 A n,x n+1 A n+1 ) = K(A n+1 x n )π n (d(x 1,...,x n )) A 1 A n og ved sammenligning med (13.3) ses at P((X 1,...,X n ) A 1 A n,x n+1 A n+1 ) = π n+1 ( A 1 A n A n+1 ) for A 1,...,A n+1 B. Det vil sige at π n+1 stemmer overens med fordelingen for (X 1,...,X n+1 ) på produnktmængder, og derfor har (X 1,...,X n+1 ) fordeling π n+1. Antag omvendt at (2) er opfyldt. Ligningerne (B.2) og (13.3) viser, at (13.5) er en regulær betinget fordeling af X n+1 givet (X 1,...,X n ), hvilket er det ønskede. Vi kan herefter besvare spørgsmål (2). Proposition 13.6. Lad ν være en fordeling på og K være en Markovkerne. Da findes en homogen Markovkæde med tilstandsrum og transitionsfunktion K. Bevis. Lad sandsynlighedsmålene π n være defineret som ovenfor. Vi vil gøre rede for at disse sandsynlighedsmål er konsistente. Kolmogorov s konsistenssætning sikrer da, at der findes en tilhørende realisation, og Proposition 13.4 viser, at denne realisation er Markov. Men π n erne er konsistente, idet der gælder π n+1 (A ) = K( x n )π n (d(x 1,...,x n )) = 1π n (d(x 1,...,x n )) = π n (A) for A B( n ). 13.2 Kontinuert tid A Lad (X t ) t 0 betegne en stokastisk proces med tilstandstrum. Lad os først undersøge sammenhængen mellem de regulære betingede fordelinger i en Markovproces. Proposition 13.7. (Chapman-Kolmogorov) Lad (X t ) t 0 være en Markovproces og P s,t (A x), defineret for A B() og x, være en regulær betinget fordeling af X t givet X s for s t. Lad 0 s t u og A B(). Da gælder P su (A x) = P tu (A y)p st (dy x) (13.6) for P Xs -næsten alle x. 76 A

Bevis. Da P st ( ) er en regulær betinget fordeling af X t givet X s, er P st (A X s ) = E[1 {Xt A} X s ] n.s. (13.7) for ethvert A B(). Et Monoton Klasse-argument viser, at der for f bb() mere generelt gælder f(y)p st (dy X s ) = E[ f(x t ) X s ] n.s. (13.8) Ligning (13.7) (hvor t erstattes af u) viser sammen med sædvanlige regneregler for betingede middelværdier at Markovegenskaben medfører P su (A X s ) = E[E[1 {Xu A} F X t ] X s ] n.s. E[1 {Xu A} F X t ] = E[1 {Xu A} X t ] = P tu (A X t ) n.s. så specielt er P su (A X s ) = E[P tu (A X t ) X s ]. (13.9) Til sidst benyttes (13.8) til at slutte P su (A X s ) = P tu (A y)p su (dy X s ) n.s., hvilket er det ønskede. Lad os herefter overbevise os om, at hvis vi har givet P st ( ) som opfylder (13.6), så findes også en Markov proces som har P st ( ) som tilhørende betinget fordeling. Vi vil antage, at P st ( ) opfylder (13.6) for alle x (og ikke bare næsten alle x som ovenfor), og derfor indføres følgende. Definition 13.8. Lad P st (A x) defineret for A B() og x være en Markovkerne for ethvert s t. Antag yderligere at der gælder P tt ( x) = δ x for ethvert x og alle t 0; P su (A x) = P tu (A y)p st (dy x), hvor den sidste ligning gælder for ethvert x, ethvert A B() og alle 0 s t u. Da kaldes {P st : 0 s t} for en transitionssemigruppe. Lad i det følgende {P st : 0 s t} være en transitionssemigruppe. 77

Definition 13.9. En proces (X t ) t 0 kaldes en Markovproces med transitionssemigruppe {P st : 0 s t}, hvis der gælder E[1 {Xt A} F X s ] = P st(a X s ) P n.o. (13.10) for alle 0 s t og ethvert A B(). andsynlighedsmålet ν defineret ved ν(a) := P(X 0 A) for A B() kaldes for processens begyndelsesfordeling. Betingelsen (13.10) kan ækvivalent formuleres som P(X t A X s1 = x 1,...X sn = x n,x s = x) = P st (A x) for alle n 1, alle 0 s 1 s n s t og P (Xs1,...,X s n,x s)-næsten alle (x 1,...,x n,x). om i det diskrete tilfælde kan man nu finde de endeligt dimensionale marginale fordelinger for en Markovproces med transitionssemigruppe {P st : 0 s t}. Desuden kan man ved hjælp af Kolmogorovs konsistenssætning vise, at en sådan proces eksisterer. Vi vil blot formulere resultatet og overlade beviset til læseren. Proposition 13.10. Lad ν være en fordeling på. Der findes da en Markovproces med transitionssemigruppe {P st : 0 s t} og begyndelsesfordeling ν. Ligning (13.10) udtaler sig om den betingede fordeling af en indikatorfunktion. Lad os generalisere dette som i Proposition 1.10. For f bb() og 0 s t lad (P st f)(x) := f(y)p st (dy x) for x. Man kan da ved hjælp af Monoton Klasse vise dels at x (P st f)(x) er målelig og dels at hvis (X t ) t 0 er en Markovproces med transitionssemigruppe {P st : 0 s t}, så gælder E[ f(x t ) F X s ] = (P st f)(x s ) P n.o. Antag P st er på formen P st (A x) = P t s (A x), hvor {P t ( ) : t 0} er en familie af Markovkerner, som opfylder P 0 ( x) = δ x for ethvert x ; P s+t (A x) = P t (A y)p s (dy x), hvor den sidste ligning gælder for ethvert x, ethvert A B() og alle s,t 0. Vi siger da, at (X t ) t 0 er en homogen Markovproces med transitionssemigruppe {P t : t 0}, hvis E[1 {Xt A} F X s ] = P t s(a X s ) P n.s. for alle 0 s t og ethvert A B(). Der er mange eksempler på Markovprocesser med en tilhørende transitionssemigruppe. om eksempel kan nævnes, at en proces der løser en stokastisk differentialligning typisk er Markov og har en transitionssemigruppe. Man har imidlertid kun i de mest simple situationer pæne analytiske repræsentationer af transitionssemigruppen. Her er nogle eksempler. 78

1. Lad (ν t ) t 0 være en foldningssemigruppe og sæt P t (A x) := ν t (A x). Da er en Lévy proces med transitionssemigruppe (ν t ) t 0 ligeledes Markov med transitionssemigruppe {P t : t 0}. 2. Ornstein-Uhlenbeck processen har en Gaussisk transitionssemigruppe. om service over for personer med kenskab til Finansiering kan ligeledes nævnes, at en Cox- Ingersoll-Ross model har en nogenlunde pæn transitionssemigruppe, som i øvrigt er angivet i den oprindelige artiklen af de tre nævnte herrer. 3. Markovprocesser med kontinuert tid og diskret tilstandsrum. 79