用户: Solution/ 习题: 随机分析

这份答案对应钱忠民、应坚刚老师的《随机分析引论》第二版, 主要由李利平老师于 2024-2025 学年第二学期随机分析课程给出. 部分题目的题干需要结合课本理解; 有的答案写明在某参考书上, 请翻阅对应的参考书, 后续读者可以帮忙加上.

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1第一章 预备知识
(练习 1.1.1). 验证下列性质: (1) ; (2) ; (3) 对任何子集列 .设 是 的一个子集类, 令
则由上述性质, 如果 是 上 -代数, 是 上 -代数.
(练习 1.1.2). 设 是两个非空集合, 是 到 的一个映射, 设 是 的一个子集类.证明: .
(练习 1.1.3). 任何测度空间在下面的意义下可以完备化.设 是测度空间.记 中的集合通常称为 -零测集, 那么 . 这样 自动地延拓到 上: .读者需要验证定义无歧义.证明: 是一个完备测度空间, 称为是原测度空间的完备化.
(练习 1.1.4). 设 是 -代数且关于 递增, 证明 是一个代数.
(练习 1.1.5). 证明: 的左开右闭区间的有限并的全体 是一个代数, 它总可以写成不交的有限并.定义
证明 是 上的测度.
(练习 1.1.6). 设 是 的代数 上的一个非负的有限可加的集函数且 . 如果对任何递减趋于空集的集列 有 , 证明: 是 上的测度.
(练习 1.1.7). 验证 是一个测度.
(练习 1.1.8). 设 是 上两个测度, 是有限的.证明: 当且仅当对任何 , 存在 , 使得 蕴含着 .
(练习 1.2.1). 下面是两个一致可积的充分条件: (1) 被一个可积随机变量控制的随机变量集 一致可积; (2) 设 是随机变量列, 存在 使得 , 证明: 是一致可积的.
(练习 1.3.1). 设 .证明: 在零点两次可导当且仅当
(练习 1.3.2). 设 是随机变量, 后者可积.如果对任何 有
证明: .特征函数最后一个重要性质是连续性, 尽管它在本讲义中并没有真正被使用.说一个有限测度列 弱收玫于 , 如果对任何有界连续函数 有
(练习 1.3.3). 设 是平方可积的独立同分布随机序列, .证明: 的分布弱收敛于标准正态分布.
(练习 1.4.1). 这里给出存在性的另外一个证明.1.如果 , 令 , 证明: 是 在闭子空间 上的正交投影.
2.利用 在 中的稠密性, 证明条件数学期望的存在性.
(习题 1.5.1). (Kolmogorov 0-1 律) 设 是独立随机变量序列, 令
证明: 与 独立, 且对任何 或 1 .
(习题 1.5.2). 设 是非负可积随机变量, .证明: .
(习题 1.5.3). 设 是随机变量, 证明: 与子 -代数 独立当且仅当对任何有界 Borel 可测函数 有 , 也等价于对任何 有
(习题 1.5.4). 设 是一个子 -代数族, 证明: 若 是可积随机变量, 则 一致可积.
(习题 1.5.5). 对两个可积且乘积也可积的随机变量 证明: .
(习题 1.5.6). 设 独立可积且 , 证明: .
(习题 1.5.7). 设 为可积随机变量且 , 证明: a.s.
(习题 1.5.8). 设 是概率空间 上随机变量族, 证明: 对任何 : , 存在可列子集 使得 .
(习题 1.5.9). 设 是概率空间 上随机变量族, 是可积随机变量.证明: 存在可列集 使得
2第二章 鞅论基础
(练习 2.1.1). 如果 关于流 是鞅, 且流 与 域 独立, 令 是由 和 生成的 域, 证明: 关于流 ( ) 也是鞅.
(练习 2.1.2). 如果 是停时, 那么取小 也是停时.
(练习 2.1.3). (1) 证明定理 2.1.3; (2) 设 是可积适应过程, 如果对任何有界停时 有
证明 是一个下鞅且
(练习 2.1.4). 找适当的鞅计算上面例子中 的母函数.
(练习 2.2.1). 证明: 是 停时当且仅当对任何 , 有 .
(练习 2.2.2). 证明: 1. 是一个 -代数; 2. 是 可测的; 3.如果 时, ; 4.一个随机变量 是 可测当且仅当对任何 是 可测的.
(习题 2.4.1). 设 是一个具有有限状态空间 的 Markov 链, : 是转移矩阵, 即对任何 及 , 有 是 的从属于特征值 的特征向量: .令 , 证明: 是一个鞅.
(习题 2.4.2). 设 是零均值平方可积的独立增量过程, 证明: 存在唯一的 T 上初值为零的递增函数 , 使得 是一个鞅.
(习题 2.4.3). (Wald 鞅) 设 是独立同分布随机序列使得 对某个 有限.令
证明: 是鞅.
(习题 2.4.4). 一个袋子中在时刻 0 有一个红球与一个白球.随机地从袋子中取一个球, 然后将它放回并放入一个相同颜色的球, 无限地重复此过程.记 为 次后袋中白球数与总球数之比.证明: 是鞅.
(习题 2.4.5). 设 是独立同分布随机序列, 是两个概率密度函数, .令
证明: 如果 是 的密度函数, 那么 是鞅.
(习题 2.4.6). 设 是 适应的可积随机序列, 满足
其中 .问 为何值时, 序列 是 鞅?
(习题 2.4.7). 设 Markov 链 的状态空间为 , 转移概率为
其中 .验证: 是鞅.
(习题 2.4.8). 设 是独立同分布正随机变量序列使得 .记 .(a) 证明: 是鞅且几乎处处收敛于一个随机变量 ; (b) 设 以概率 分别取值 与 .验证 a.s.因此
(习题 2.4.9). (Doob 分解) 证明: 下鞅 ( ) 可唯一分解为 , 其中 ( ) 是鞅, 是从 0 出发的非负可预料的增过程: .
(习题 2.4.10). (Riesz 分解) 证明: 上鞅 可分解为 , 其中 是鞅, 是位势 (即 是上鞅且 ) 当且仅当 有界. 这时此分解唯一.
(习题 2.4.11). 设 是鞅且 被一个与 及 无关的常数控制.如果 是一个具有有限均值的停时, 证明: 可积且 .
(习题 2.4.12). 设 是例 2.1.4 中定义的从 出发的随机游动, 是首次到达 的时间.证明: 当 时, 是鞅.并由此求 .
(习题 2.4.13). 设 是例 2.1.1 说的随机游动, .取整数 , 令 .求停时 的母函数并由此计算 的均值与方差.
(习题 2.4.14). 设 是独立同分布可积随机变量.对 , 令 , 证明: 是鞅. 由此证明 Kolmogorov 强大数定律.
提示.只需证明
就足够了.
(习题 2.4.15). 如果 是非负上鞅, 那么
(习题 2.4.16). 设 是鞅, 是停时.如果 (a) ; (b) ; (c) ; 那么 .
(习题 2.4.17). (Kolmogorov 三级数定理) 设 是独立随机序列.那么 几乎处处收玫当且仅当对某个 下面三个条件成立: (a) 收敛; (b) 设 , 那么 收敛; (c) 收敛.
(习题 2.4.18). 设 是一个 适应的, 右连续并具有左极限的过程.令 是使得 在 上连续的样本全体.证明: .
证明.令 , 当然 也是 适应的.定义
其中 是状态空间 的对角线, 那么 是开集的首中时, 故是 ( ) -停时, 因此 .
(习题 2.4.19). 设 是个停时, 是随机时间且 .证明: 如果 是 可测的, 则 是个停时.
(习题 2.4.20). 设 是 停时, 证明: , 其中 是停时.
(习题 2.4.21). 设 是 停时, 则 , 且事件 .
(习题 2.4.22). (Föllmer 引理) 设 是一个下鞅, 是 T 的一个可列稠子集, 对正整数 , 令 , 则 (a) 对几乎所有的 , 从 到 的映射 对任何 在 上是有界的且在每个点 有右极限
及左极限
序列 表示对任何 且 类似理解; (b) 对所有 是可积的且 .如果 右连续, 则 ; (c) 过程 是关于右极限流 的右连续下鞅, 当 是鞅时, 也是一个鞅.
(习题 2.4.23). 设 是一个关于 的右连续非负上鞅.证明: 当 时, 几乎处处收玫于一个可积随机变量, 记为 , 且 是 上鞅.
(习题 2.4.24). 证明: 一个鞅是一致可积鞅当且仅当它是右闭鞅 (Doob 鞅) .
3第三章 Brown 运动
(练习 3.1.1).
(练习 3.1.2).
(练习 3.1.3).
(练习 3.1.4).
参考书目
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