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数学 / filtration-probability

滤过(概率论)

滤过是递增的σ代数族,用于表示概率模型中随时间推移而获得的信息。

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在概率论中,滤过是一个递增的σ代数族,用于描述信息如何随时间逐渐积累。它给出了观察随机过程、进行预测和作出决策时所依据的信息结构,使这些活动不使用尚未获得的信息。滤过是鞅、停时和随机积分的基础概念。(psdey.web.illinois.edu)

定义与解释

设 (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal F,\mathbb P) 是一个概率空间,TT 是一个有序的时间集合,通常取为 {0,1,2,…}\{0,1,2,\ldots\} 或 [0,∞)[0,\infty)。滤过是由 F\mathcal F 的子σ代数组成的族

F=(Ft)t∈T,\mathbb F=(\mathcal F_t)_{t\in T},

满足

Fs⊆Ft只要 s≤t.\mathcal F_s\subseteq\mathcal F_t \qquad\text{只要 }s\le t.

四元组 (Ω,F,F,P)(\Omega,\mathcal F,\mathbb F,\mathbb P) 称为带滤过的概率空间。(psdey.web.illinois.edu)

如果根据时刻 tt 已获得的信息能够判断某个事件是否发生,那么该事件属于 Ft\mathcal F_t。如果一个实值随机变量的取值能够由这些信息确定,那么它就是 Ft\mathcal F_t-可测的。上述包含关系体现了对过去信息的保留:较早时刻已获得的信息,在较晚时刻仍然可用。这个族不必严格递增,而且在零时刻就可能包含大量信息。(maths.dur.ac.uk)

滤过是一种信息结构,本身并不是概率分布,也不是一次实际观测所得的序列。定义滤过只需要一个可测空间;只有在讨论条件期望、独立性及其他概率性质时,才需要引入概率测度。(stats.libretexts.org)

自然滤过与例子

过程 X=(Xt)t∈TX=(X_t)_{t\in T} 的自然滤过定义为

FtX=σ(Xs:s≤t),\mathcal F_t^X=\sigma(X_s:s\le t),

其中 σ(⋅)\sigma(\cdot) 表示由所列随机变量生成的σ代数。它恰好表示观测该过程直到时刻 tt(包括该时刻)所获得的信息。(psdey.web.illinois.edu)

例如,设 C1,C2,…C_1,C_2,\ldots 表示相互独立的公平硬币抛掷结果,取值为 00 和 11。令

F0={∅,Ω},Fn=σ(C1,…,Cn).\mathcal F_0=\{\varnothing,\Omega\}, \qquad \mathcal F_n=\sigma(C_1,\ldots,C_n).

在时刻 nn,前 nn 次结果已知,而之后的结果尚未知晓。事件“第一次抛掷得到正面”属于 F1\mathcal F_1 以及此后的每个σ代数。事件“第二次抛掷得到正面”属于 F2\mathcal F_2,但不属于 F1\mathcal F_1。在有限模型中,可以将这一过程理解为对可能结果的集合划分逐步细化。(maths.dur.ac.uk)

两个相反的极端情形是:常值滤过 Ft={∅,Ω}\mathcal F_t=\{\varnothing,\Omega\} 不提供任何非平凡信息,而 Ft=F\mathcal F_t=\mathcal F 则使所有可测事件的信息从一开始就已获得。因此,仅凭形式定义,不能保证一个滤过只表示某个特定过程的过去观测信息。(stats.libretexts.org)

适应性与更强的可测性条件

如果对每个 tt,XtX_t 都是 Ft\mathcal F_t-可测的,则称过程 XX 适应于 F\mathbb F。等价地,

FtX⊆Ft对每个 t 都成立.\mathcal F_t^X\subseteq\mathcal F_t \qquad\text{对每个 }t\text{ 都成立}.

因此,自然滤过是使 XX 适应的最小滤过。适应性意味着可以利用指定的信息观测该过程,并不意味着可以预测它未来的取值。(stats.libretexts.org)

在连续时间情形下,仅有适应性并不能保证许多构造所需的联合可测性。如果对每个 tt,实值过程的限制映射

(s,ω)⟼Xs(ω),0≤s≤t,(s,\omega)\longmapsto X_s(\omega), \qquad 0\le s\le t,

关于

B([0,t])⊗Ft\mathcal B([0,t])\otimes\mathcal F_t

可测,则称该过程是渐进可测的,其中 B([0,t])\mathcal B([0,t]) 是博雷尔σ代数。渐进可测性蕴含适应性。具有右连续或左连续样本路径的适应过程都是渐进可测的。(maths.ox.ac.uk)

可预测过程满足更强的信息条件。在离散时间情形下,如果对 n≥1n\ge1,HnH_n 都是 Fn−1\mathcal F_{n-1}-可测的,则称其可预测。在连续时间情形下,可预测性通过左连续适应过程生成的σ代数来定义,并对零时刻采用通常的约定。每个连续适应过程都是可预测的。可预测性在随机积分中具有核心地位,因为被积过程不能在某个增量发生之前就利用该增量的信息。(web.math.wisc.edu)

右连续性、完备性与通常条件

对于连续时间滤过,定义

Ft+=⋂u>tFu.\mathcal F_{t+}=\bigcap_{u>t}\mathcal F_u.

如果对每个 tt,都有

Ft=Ft+,\mathcal F_t=\mathcal F_{t+},

则称该滤过是右连续的。这意味着,在所有严格晚于 tt 的时刻都已获得的信息,无论这些时刻与 tt 多么接近,都已经包含在时刻 tt 的信息中。这是σ代数族的性质,并不是说样本路径连续。(psdey.web.illinois.edu)

如果 F0\mathcal F_0 包含所在概率空间中每个 P\mathbb P-零测集的所有子集,则称该滤过是完备的。必要时,所在概率空间也要进行完备化。完备性和右连续性合称为通常条件,也称通常假设。它们是附加假设,而不是基本定义的一部分。对给定滤过进行通常增广,就是将零测集的子集纳入其中,并使其满足右连续性。(maths.ox.ac.uk)

这些条件为正则性结果提供了保障。特别地,在满足通常条件的带滤过概率空间上,实值鞅存在一个修正版本,其样本路径右连续且具有左极限,这类路径通常称为 càdlàg 路径。(maths.ox.ac.uk)

条件期望与鞅

对于可积随机变量 YY,

E[Y∣Ft]\mathbb E[Y\mid\mathcal F_t]

是给定时刻 tt 已获得的信息时,YY 的条件期望。若适应过程 MM 满足 E∣Mt∣<∞\mathbb E|M_t|<\infty,并且

E[Mt∣Fs]=Ms,s≤t,\mathbb E[M_t\mid\mathcal F_s]=M_s, \qquad s\le t,

其中等式几乎必然成立,则称 MM 是相对于 F\mathbb F 的鞅。因此,滤过是鞅性质的一部分:它规定了评估未来取值的期望时所使用的信息。(math.uchicago.edu)

一个基本构造是

Mt=E[Y∣Ft].M_t=\mathbb E[Y\mid\mathcal F_t].

条件期望的塔性质使 MM 成为鞅。在离散时间情形下,如果

F∞=σ ⁣(⋃n≥0Fn),\mathcal F_\infty=\sigma\!\left(\bigcup_{n\ge0}\mathcal F_n\right),

那么

E[Y∣Fn]⟶E[Y∣F∞]\mathbb E[Y\mid\mathcal F_n] \longrightarrow \mathbb E[Y\mid\mathcal F_\infty]

几乎必然收敛,且在 L1L^1 中收敛。这描述了利用最终揭示的全部信息所得到的极限估计。(tamuz.caltech.edu)

停时

如果随机时间 τ:Ω→[0,∞]\tau:\Omega\to[0,\infty] 满足

{τ≤t}∈Ft对每个 t≥0 都成立,\{\tau\le t\}\in\mathcal F_t \qquad\text{对每个 }t\ge0\text{ 都成立},

则称其为相对于 F\mathbb F 的停时。到了时刻 tt,便能够判断是否已经停止,但不必事先知道停止的具体时刻。(psdey.web.illinois.edu)

在抛硬币的例子中,首次出现正面的时刻是一个停时:到第 nn 次抛掷时是否已经出现正面,只取决于前 nn 次结果。离散时间适应过程首次进入可测集的时刻都是停时。连续时间的相应结论需要适当的可测性或样本路径正则性假设;例如,连续适应过程首次到达闭集的时刻是停时。(stats.libretexts.org)

在停时已经获得的信息由下式表示:

Fτ={A∈F:A∩{τ≤t}∈Ft 对每个 t≥0 都成立}.\mathcal F_\tau = \{A\in\mathcal F: A\cap\{\tau\le t\}\in\mathcal F_t \text{ 对每个 }t\ge0\text{ 都成立}\}.

利用这个σ代数,可以在随机时刻而不只是确定时刻表述条件期望和有关鞅的结果。(psdey.web.illinois.edu)

对所选信息结构的依赖

扩大滤过会保留适应性,但不一定保留鞅性质。要使布朗运动 BB 成为相对于 F\mathbb F 的布朗运动,它必须适应于该滤过,而且对 s<ts<t,每个未来增量 Bt−BsB_t-B_s 都必须与 Fs\mathcal F_s 统计独立。仅有适应性是不够的。(math.uchicago.edu)

例如,固定 T>0T>0,通过在零时刻揭示 BTB_T 来扩大布朗运动的自然滤过。该过程仍然是适应的,但不可能仍是鞅:此时 BTB_T 在零时刻就已可测,因此

E[BT∣G0]=BT,\mathbb E[B_T\mid\mathcal G_0]=B_T,

而鞅的等式要求这个条件期望等于 B0=0B_0=0。这是鞅定义的直接推论,也说明了为什么“公平性”取决于信息。(math.uchicago.edu)

在随机积分和金融市场的数学模型中,滤过规定了哪些观测信息可以用于确定被积过程或交易策略。要求决策关于当前或先前的信息可测,就以数学形式排除了预知未来的可能。因此,即使底层随机变量保持不变,改变滤过也可能改变哪些策略是容许的。(web.math.wisc.edu)

参考来源

  1. Lecture 6: Filtrations and Stopping Timespsdey.web.illinois.edu
  2. 11: Filtrations and Stopping Timesstats.libretexts.org
  3. Chapter 4: Filtrations, Conditional Expectation, and Martingalesmaths.dur.ac.uk
  4. Continuous Martingales and Stochastic Calculusmaths.ox.ac.uk
  5. Basics of Stochastic Analysisweb.math.wisc.edu
  6. Brownian Motion and Stochastic Calculusmath.uchicago.edu
  7. Lecture Notes on Probabilitytamuz.caltech.edu