Stochastic Process

HW6

如有错误,烦请指正.

1

判断二维对称随机游动的常返性.

状态 i=0 常返的充分必要条件是

n=0p00(n)=,

所以只需要判断这个级数的敛散性即可.

因为

n=0p00(n)=n=0p00(2n)+n=0p00(2n+1),

而与一维随机游动同理,从原点(状态 0)出发只有转移偶数步才能回到原点,所以

p00(2n+1)=0.

所以

n=0p00(n)=n=0p00(2n).

考虑 pii(2n),nN. 设这 2n 步中,有 2l1 步是在 x 方向移动,有 2l2 步是在 y 方向移动,则

n=l1+l2,l1,l2N.

对给定的 l1,l2,求这种分法的种类数. 这相当于古典概型中的不尽相异元素的排列,即 2n 个元素属于 4 个不同的类,各类元素分别有 l1,l2,l3=l1,l4=l2 个,l1+l2+l3+l4=2n,则把它们排成一列共有

(2n)!(l1!)(l2!)(l3!)(l4!)=(2n)!(l1!)2(l2!)2

种排法,而 2n 个元素分为 4 类总共有 42n 种分法,所以

p00(2n)=l1+l2=n(2n)!(l1!)2(l2!)242n=i=0n(2n)!(i!)2((ni)!)242n=(2n)!(n!)242ni=0nn!i!(ni)!n!i!(ni)!=(2n)!(n!)242ni=0n(ni)(nni)=(2n)!(n!)242n(2nn)=142n(2nn)2.

证明

i=0n(ni)(nni)=(2nn).

考虑恒等式

(1+x)n(1+x)n=(1+x)2n.

左边展开,

(1+x)n=i=0n(ni)xi,(1+x)n(1+x)n=i=0n(ni)xij=0n(nj)xj=i=0nj=0n(ni)(nj)xixj;

右边展开,

(1+x)2n=k=02n(2nk)xk.

比较两边系数就有

i=0k(ni)(nki)=(2nk).

特别,

i=0n(ni)(nni)=i=0n(ni)2=(2nn).

下面对这个结果进行估计. 根据 Stirling 公式,

n!2πn(ne)n=2πnn+1/2en,(2n)!2πn(2n)2ne2n=π22n+1n2n+1/2e2n,(2nn)=(2n)!(n!)24nπn,142n(2nn)21πn,n,

所以

n=0p00(n)=n=0p00(2n)n=11πn=,

也就是说状态 i=0 是常返的,进而二维对称随机游动是常返的.

特别,这个过程还是零常返的,这是因为 kN

所以,

limnp00(n)=0,

即这个过程是零常返的.

2

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证明:

首先证明

pij(n)=k=1nfij(k)pij(nk).

观察到

pij(n)=P(Xm+n=j|Xm=i),fij(k)=P(Xm+k=j,Xm+vj,1vk1|Xm=i),pjj(nk)=P(Xm+n=j|Xm+k=j).

设事件

A={Xm+n=j},B={Xm=i},Ck={Xm+vj,1vk1},Dk={Xm+k=j},

这里 1kn.

于是

pij(n)=P(Xm+n=j|Xm=i)=P(A|B),fij(k)=P(Xm+k=j,Xm+vj,1vk1|Xm=i)=P(CkDk|B),pjj(nk)=P(Xm+n=j|Xm+k=j)=P(A|Dk).

所以

pij(n)=P(A|B)=k=1nP(ACkDk|B)=k=1nP(ABCkDk)P(B)=k=1nP(ABCkDk)P(BCkDk)P(BCkDk)P(B)=k=1nP(A|BCkDk)P(CkDk|B)=k=1nP(Xm+n=j|Xm=i,Xm+vj,Xm+k=j)P(Xm+vj,Xm+k=j|Xm=i)(1vk1)=k=1nP(Xm+n=j|Xm+k=j)P(Xm+vj,1vk1,Xm+k=j|Xm=i)()=k=1npjj(nk)fij(k).

再证明

pij(n)=k=0nfij(nk)pjj(k).

注意到

pij(n)=P(Xm+n=j|Xm=i),fij(nk)=P(Xm+nk=j,Xm+vj,1vnk1|Xm=i),pjj(k)=P(Xm+n=j|Xm+nk=j).

设事件

A={Xm+n=j},B={Xm=i},Ck={Xm+vj,1vnk1},Dk={Xm+nk=j},

这里 k0.

于是

pij(n)=P(Xm+n=j|Xm=i)=P(A|B),fij(nk)=P(Xm+nk=j,Xm+vj,1vnk1|Xm=i)=P(CkDk|B),pjj(k)=P(Xm+n=j|Xm+nk=j)=P(A|Dk).

与前面类似,有

pij(n)=P(A|B)==k=0nP(A|BCkDk)P(CkDk|B)=k=0nP(Xm+n=j|Xm=i,Xm+vj,Xm+nk=j)P(Xm+vj,Xm+nk=j|Xm=i),1vnk1=k=0nP(Xm+n=j|Xm+nk=j)P(Xm+vj,1vnk1,Xm+nk=j|Xm=i)()=k=0npjj(k)fij(nk).

3

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易知

P(1)=P=(100pqr001),P(2)=PP(1)=(100pqr001)(100pqr001)=(100p+pqqqr+r001)=(100p(1+q)q2r(1+q)001).

猜想

P(n)=(100pQ(n)qnrQ(n)001),

其中 Q(n)=1+q++qn1. 用归纳法证明.

所以

P(n)=(100pQ(n)qnrQ(n)001),nN,

其中

Q(n)=1+q++qn1=i=0n1qi11q,n.

所求极限为

P(n)=(100pQ(n)qnrQ(n)001)(100p1q0r1q001),n.

注意到 1q=p+r,所以这个极限也可以表示为

(100pp+r0rp+r001).