第 11 章 · 条件期望与鞅

11.3 滤过、鞅与Doob分解

Filtrations and Doob Decomposition
本节以随时间增长的信息为起点,严格区分适应过程与离散时间可预测过程,并用条件期望定义三类鞅。通过随机游走的平方补偿、指数变换及条件期望过程检验定义,完整证明可积适应过程的 Doob 分解和唯一性。最后讨论可预测变换,说明有界性怎样保证可积,以及丢失这些条件后结论如何失效。

本节只讨论离散时间 \(n=0,1,\ldots\),所有过程取实值。先修内容是条件期望的塔式性质、可测因子提出法则和条件 Jensen 不等式。以下条件期望的等式、不等式均按几乎必然理解;“可积”均指绝对可积。

11.3.1 信息、适应与可预测

定义 11.3.1 · 三种不同的对象

在 \((\Omega,\mathcal F,P)\) 上,滤过(filtration)是一列递增的子 \(\sigma\) 代数,表示已经获得的信息:

\[\mathcal F_0\subseteq\mathcal F_1\subseteq\cdots\subseteq\mathcal F.\]
(11.3-1)

过程 \(X=(X_n)_{n\ge0}\) 对该滤过适应(adapted),是指每个 \(X_n\) 都是 \(\mathcal F_n\) 可测的。序列 \(H=(H_n)_{n\ge1}\) 称为可预测(predictable),是指每个 \(H_n\) 已经是 \(\mathcal F_{n-1}\) 可测的。可预测性比同一时刻的适应性要求更强;本节不为 \(H_0\) 另设条件。

例如,独立抛公平硬币产生 \(\xi_n\in\{-1,1\}\),自然滤过为 \(\mathcal F_n=\sigma(\xi_1,\ldots,\xi_n)\),并取 \(\mathcal F_0=\{\varnothing,\Omega\}\)。累计和 \(S_n=\sum_{k=1}^n\xi_k\) 适应;\(H_n=1_{\{S_{n-1}>0\}}\) 可预测;\(\xi_n\) 适应却不可预测。这里 \(\mathcal F_0\) 取平凡只是例子的选择,一般滤过可以从已有的随机信息开始。

表 11.3-1 · 索引决定可使用的信息
对象所需条件可使用的信息
滤过 \((\mathcal F_n)\)\(\mathcal F_{n-1}\subseteq\mathcal F_n\)过去的信息不会被删除
适应过程 \(X_n\)\(X_n\) 是 \(\mathcal F_n\) 可测的允许使用第 \(n\) 步结果
可预测系数 \(H_n\)\(H_n\) 是 \(\mathcal F_{n-1}\) 可测的第 \(n\) 步发生前已经确定

11.3.2 鞅、次鞅与上鞅

定义 11.3.2 · 相对于指定滤过

设 \(X\) 适应且对每个有限 \(n\),\(E|X_n|<\infty\)。若对所有 \(n\ge1\) 分别满足下列条件,就分别称为鞅(martingale)、次鞅(submartingale)、上鞅(supermartingale):

\[\begin{aligned} \text{鞅:}\quad &E[X_n\mid\mathcal F_{n-1}]=X_{n-1},\\ \text{次鞅:}\quad &E[X_n\mid\mathcal F_{n-1}]\ge X_{n-1},\\ \text{上鞅:}\quad &E[X_n\mid\mathcal F_{n-1}]\le X_{n-1}. \end{aligned}\]
(11.3-2)

记 \(\Delta X_n=X_n-X_{n-1}\)。鞅要求 \(E[\Delta X_n\mid\mathcal F_{n-1}]=0\),并不要求增量独立。反复使用塔式性质,对任意 \(m\le n\),鞅满足 \(E[X_n\mid\mathcal F_m]=X_m\);次鞅、上鞅对应保留同方向的不等号。因此鞅的期望恒定,次鞅的期望不减。不过这些无条件期望的关系不足以反推鞅性质,因为定义要在每份已知信息下成立。改变滤过也可能改变结论,见习题 11.3-1。

11.3.3 从三个构造检验定义

例 11.3.1 · 随机游走及其平方补偿

设 \(\xi_k\) 独立同分布,\(E\xi_k=0\)、\(E\xi_k^2=\sigma^2<\infty\),取上述自然滤过,\(S_0=0\)。\(S\) 适应,且 \(E|S_n|\le nE|\xi_1|<\infty\)。独立性给出 \(E[\xi_n\mid\mathcal F_{n-1}]=0\),故 \(S_n\) 是鞅。又由独立中心化增量的交叉项期望为零,\(ES_n^2=n\sigma^2\),所以平方过程也逐时可积。展开后取条件期望:

\[\begin{aligned} E[S_n^2\mid\mathcal F_{n-1}] &=S_{n-1}^2+2S_{n-1}E[\xi_n\mid\mathcal F_{n-1}] +E[\xi_n^2\mid\mathcal F_{n-1}]\\ &=S_{n-1}^2+\sigma^2. \end{aligned}\]
(11.3-3)

交叉项可积由 Cauchy–Schwarz 不等式保证,因此提出 \(S_{n-1}\) 合法。令 \(Q_n=S_n^2-n\sigma^2\),则 \(E|Q_n|\le2n\sigma^2\),且 \(E[Q_n\mid\mathcal F_{n-1}]=Q_{n-1}\)。所以 \(S_n^2\) 是次鞅,减去累计方差才得到鞅。公平的正负一步随机游走中 \(\sigma^2=1\);第二步 \(Q_2\) 以各 \(1/2\) 的概率取 \(2,-2\),期望确为零。

例 11.3.2 · 逐步获知终值的条件期望

取任意 \(Z\in L^1\),定义 \(M_n=E[Z\mid\mathcal F_n]\)。它适应,且 \(E|M_n|\le E|Z|\)。塔式性质直接给出

\[E[M_n\mid\mathcal F_{n-1}] =E\!\left[E[Z\mid\mathcal F_n]\mid\mathcal F_{n-1}\right] =E[Z\mid\mathcal F_{n-1}]=M_{n-1}.\]
(11.3-4)

这样的过程称为由 \(Z\) 闭合的鞅(closed martingale)。具体地,独立抛两次公平硬币,以 H、T 记正反面,取 \(Z=1_{\{\mathrm{HH}\}}\)。尚未观察时 \(M_0=1/4\);第一次为 H 时 \(M_1=1/2\),为 T 时 \(M_1=0\);观察两次后 \(M_2=Z\)。在 H 分支上,\(E[M_2\mid\mathcal F_1]=(1+0)/2=1/2\);在 T 分支上则为零,而 \(E M_1=(1/2+0)/2=1/4\)。取 \(n\ge2\) 时 \(\mathcal F_n=\mathcal F_2\),即可把它延伸为无限时间的鞅。

两次公平抛掷中条件期望鞅的信息树 三个时刻依次观察零次、一次和两次抛掷。起点值四分之一,第一次观察后的值为二分之一或零,终点为一、零、零、零。每条分支的条件概率都是二分之一。 时刻 0 · 未观察 时刻 1 · 已知第一次 时刻 2 · 两次均已知 H,概率 1/2 T,概率 1/2 H:1/2 T:1/2 H:1/2 T:1/2 1/4 1/2 0 HH:1 HT:0 TH:0 TT:0
图 11.3-1 条件期望在信息树上逐步更新。节点数字是 \(M_n=E[1_{\{\mathrm{HH}\}}\mid\mathcal F_n]\),每个父节点都是两个子节点的等权平均。\(M_1\) 可使用第一次抛掷,因而适应;它的随机值在时刻零尚未确定,所以并不可预测。

指数鞅(exponential martingale)。另设 \(\xi_k\) 独立同分布,仍取其自然滤过与从零开始的部分和 \(S_n\)。对某个固定实数 \(\theta\),假设 \(m(\theta)=E e^{\theta\xi_1}<\infty\);此处不要求 \(E\xi_1=0\)。由于 \(0<m(\theta)<\infty\),可定义

\[L_n=\frac{e^{\theta S_n}}{m(\theta)^n},\qquad L_0=1,\qquad E[L_n\mid\mathcal F_{n-1}] =L_{n-1}\frac{E e^{\theta\xi_n}}{m(\theta)}=L_{n-1}.\]
(11.3-5)

独立性同时给出 \(EL_n=1\),故可积性已经核对。公平正负一步增量有 \(m(\theta)=\cosh\theta\),于是 \(e^{\theta S_n}/(\cosh\theta)^n\) 是鞅。一般分布的矩母函数可能不在任何非零 \(\theta\) 处有限,构造必须逐个参数核实。

11.3.4 凸函数怎样产生次鞅

定理 11.3.1 · 条件 Jensen 的过程形式

若 \(M\) 是鞅,\(\varphi:\mathbb R\to\mathbb R\) 是有限值凸函数,且每个 \(\varphi(M_n)\) 可积,则 \(\varphi(M_n)\) 是次鞅。若把 \(M\) 换成一般次鞅,还须要求 \(\varphi\) 单调不减。

证明。有限值凸函数连续,故变换后仍适应;可积性是明确假设。由条件 Jensen,

\[E[\varphi(M_n)\mid\mathcal F_{n-1}] \ge\varphi\!\left(E[M_n\mid\mathcal F_{n-1}]\right) =\varphi(M_{n-1}).\]
(11.3-6)

若 \(M\) 只是次鞅,单调性把最后的等号改为“\(\ge\)”。这也解释了为什么鞅情形不必要求凸函数单调。特别地,\(|M_n|\) 总是次鞅;\(M_n^2\) 则需另有 \(M_n\in L^2\)。

11.3.5 Doob 分解的存在与唯一性

定理 11.3.2 · 离散时间 Doob 分解

每个可积适应过程 \(X\) 都唯一地写成 \(X_n=M_n+A_n\),其中 \(M\) 是鞅,\(A\) 可积、可预测且 \(A_0=0\)。这里对 \(n\ge1\) 要求 \(A_n\) 是 \(\mathcal F_{n-1}\) 可测的。具体公式是

\[A_n=\sum_{k=1}^n E[\Delta X_k\mid\mathcal F_{k-1}],\qquad M_n=X_n-A_n,\qquad M_0=X_0.\]
(11.3-7)

\(X\) 为次鞅当且仅当这个 \(A\) 几乎必然逐步不减;为上鞅时对应逐步不增。\(A\) 称为可预测补偿过程(predictable compensator)。

存在性。每个求和项是 \(\mathcal F_{k-1}\) 可测的;当 \(k\le n\) 时,它也是 \(\mathcal F_{n-1}\) 可测的。条件期望的 \(L^1\) 收缩性给出

\[E|A_n|\le\sum_{k=1}^n E|\Delta X_k|<\infty,\qquad E|M_n|\le E|X_n|+E|A_n|<\infty.\]
(11.3-8)

所以 \(A\) 可预测且可积,\(M\) 适应且可积。又因 \(\Delta A_n\) 已经由过去信息确定,

\[E[\Delta M_n\mid\mathcal F_{n-1}] =E[\Delta X_n\mid\mathcal F_{n-1}]-\Delta A_n=0.\]
(11.3-9)

这证明 \(M\) 是鞅。若 \(X\) 是次鞅,则 \(\Delta A_n\ge0\);反过来,该不等式和分解公式给出 \(E[\Delta X_n\mid\mathcal F_{n-1}]\ge0\)。上鞅情形同理。

唯一性。若还有 \(X=M'+A'\),满足相同条件,令 \(B=A-A'=M'-M\)。则 \(B\) 既可预测又是鞅,而且 \(B_0=0\)。\(\Delta B_n\) 是 \(\mathcal F_{n-1}\) 可测的,因此

\[\Delta B_n=E[\Delta B_n\mid\mathcal F_{n-1}]=0.\]
(11.3-10)

归纳得每个 \(B_n=0\) 几乎必然,因时间指标可数,可选同一概率为一的事件,使所有时刻的等式同时成立。故 \(A=A'\)、\(M=M'\)。上述单调性也可在这样的共同事件上理解。

初值归一化与可预测性共同保证唯一性:若不固定 \(A_0\),任意可积 \(\mathcal F_0\) 可测变量都能在两部分之间转移;若只要求 \(A\) 适应,则对 \(S_0=0\) 的非平凡随机游走,\(S=S+0=0+S\) 已给出两种分解。平方游走的公式是 \(S_n^2=(S_n^2-n\sigma^2)+n\sigma^2\),正好对应定理中的两部分。

平方随机游走的一步 Doob 分解 在上一步随机游走值等于一的条件下,平方值为一。可预测增量为一,所以下一步平方值的条件均值为二。随机增量加二或减二,以相同概率使实际平方值变成四或零。 公平正负一步游走:给定上一步的位置为 1 已知平方值 1 可预测增量 +1 条件均值 2 +2,概率 1/2 −2,概率 1/2 4 0 一步前即可确定 鞅增量:条件均值为零
图 11.3-2 平方过程的一步条件计算示意。给定 \(S_{n-1}=1\),\(X_{n-1}=S_{n-1}^2=1\),\(\Delta A_n=1\),而 \(\Delta M_n=2S_{n-1}\xi_n=\pm2\)。因此 \(X_n=X_{n-1}+\Delta A_n+\Delta M_n\) 取 \(4,0\),条件均值为 \(2\)。图中箭头表示分解步骤,并非额外时间点。

11.3.6 可预测变换及可积性

定理 11.3.3 · 可预测变换保持鞅

若 \(M\) 是鞅,\(H_k\) 可预测,并且 \(E|H_k\Delta M_k|<\infty\) 对每个 \(k\ge1\) 成立,则下列过程也是鞅:

\[(H\mathbin{\cdot}M)_0=0,\qquad (H\mathbin{\cdot}M)_n=\sum_{k=1}^n H_k\Delta M_k.\]
(11.3-11)

一个常用充分条件是:每个 \(H_k\) 有确定的有限上界 \(|H_k|\le C_k\) 几乎必然。对每个有限 \(n\) 而言,不必要求 \(\sup_k C_k<\infty\),也不要求 \(H_k\ge0\)。

证明。各乘积均为 \(\mathcal F_k\) 可测,有限和适应。若系数有界,

\[E|(H\mathbin{\cdot}M)_n| \le\sum_{k=1}^n C_k(E|M_k|+E|M_{k-1}|)<\infty,\qquad E[H_k\Delta M_k\mid\mathcal F_{k-1}] =H_kE[\Delta M_k\mid\mathcal F_{k-1}]=0.\]
(11.3-12)

这就证明有界情形。对一般的可预测 \(H_k\),令 \(H_k^{(r)}=(-r)\vee(H_k\wedge r)\)。它有界且可预测,而 \(|H_k^{(r)}\Delta M_k|\le|H_k\Delta M_k|\)。由控制收敛定理,截断乘积在 \(L^1\) 中收敛到原乘积;再用条件期望的收缩性,

\[\left\|E[(H_k^{(r)}-H_k)\Delta M_k\mid\mathcal F_{k-1}]\right\|_1 \le E|(H_k^{(r)}-H_k)\Delta M_k|\longrightarrow0.\]
(11.3-13)

所以原乘积的条件期望仍为零。有限和的可积性来自定理假设,故变换后的过程满足全部鞅条件。

条件辨析 · 有界但不可预测仍会失败

令 \(M=S\) 为公平正负一步随机游走,取 \(H_k=\xi_k\)。虽然 \(|H_k|=1\) 且适应,乘积也可积,但 \(H_k\) 使用了当步结果,因而不可预测。此时 \((H\mathbin{\cdot}S)_n=\sum_{k=1}^n\xi_k^2=n\),显然不是鞅。另一方面,可预测而无可积性也会失败,见习题 11.3-4。对于次鞅或上鞅,保持相应不等号还需 \(H_k\ge0\);负系数会反转不等号。

11.3.7 习题与完整解答

习题 11.3-1 · 提前知道下一步后还是鞅吗?

题目。设 \(S_n\) 为公平正负一步随机游走,自然滤过为 \(\mathcal F_n\)。改用 \(\mathcal G_n=\mathcal F_{n+1}\)。验证 \(\mathcal G\) 是滤过,判定 \(S\) 是否仍为鞅,并说明恒定期望为何不够。

解答。\(\mathcal G_n\subseteq\mathcal G_{n+1}\),故是滤过;\(S_n\) 是 \(\mathcal G_n\) 可测且可积。然而下一步值已经包含在当前信息中,所以 \(E[S_{n+1}\mid\mathcal G_n]=S_{n+1}\),与 \(S_n\) 相差 \(\xi_{n+1}=\pm1\),几乎必然不相等。故不是 \(\mathcal G\) 鞅。尽管每个 \(ES_n=0\),它仅给无条件平均,无法排除已知信息对下一步增量的预测。

习题 11.3-2 · 条件方差随过去变化时的平方补偿

题目。设 \(\xi_n\) 是 \(\mathcal F_n\) 可测的,\(E\xi_n^2<\infty\),且 \(E[\xi_n\mid\mathcal F_{n-1}]=0\),不要求独立或同分布。取 \(S_n=\sum_{k=1}^n\xi_k\)。求 \(S_n^2\) 的 Doob 分解,并计算 \(ES_n^2\)。

解答。有限和属于 \(L^2\),且 \(S\) 是鞅。由 Cauchy–Schwarz,\(S_{n-1}\xi_n\) 可积,所以

\[E[\Delta(S_n^2)\mid\mathcal F_{n-1}] =E[2S_{n-1}\xi_n+\xi_n^2\mid\mathcal F_{n-1}] =E[\xi_n^2\mid\mathcal F_{n-1}].\]
(11.3-14)

因此唯一补偿过程为 \(A_n=\sum_{k=1}^n E[\xi_k^2\mid\mathcal F_{k-1}]\),鞅部分为 \(S_n^2-A_n\),初值为零。\(A\) 可预测、不减且逐时可积,通常是随机过程而非常数列。取期望得 \(ES_n^2=EA_n=\sum_{k=1}^n E\xi_k^2\)。这说明平方补偿依靠的是零条件均值,不必依靠独立性。

习题 11.3-3 · 次鞅的平方未必仍是次鞅

题目。有人由 \(x^2\) 为凸函数断言:“平方可积的次鞅平方后仍是次鞅。”给出反例,并解释为什么鞅平方后的结论不受影响。

解答。取确定性过程 \(X_0=-2\),\(X_n=-1\)(\(n\ge1\)),以及任意滤过。它适应、平方可积、逐步不减,故为次鞅。但 \(E[X_1^2\mid\mathcal F_0]=1<4=X_0^2\),平方过程不是次鞅。问题在于 \(x^2\) 在负半轴单调递减,不能把 \(E[X_n\mid\mathcal F_{n-1}]\ge X_{n-1}\) 直接代入平方得到同向不等式。若原过程是鞅,条件均值恰好相等,条件 Jensen 已经足够,无需这一单调步骤。

习题 11.3-4 · 可预测且处处有限,为什么仍不够?

题目。令 \(A\) 满足 \(P(A=2^j)=2^{-j}\),\(j=1,2,\ldots\),并令 \(\xi\) 为独立于 \(A\) 的公平正负变量。取 \(\mathcal F_0=\sigma(A)\)、\(\mathcal F_1=\sigma(A,\xi)\),\(M_0=0,M_1=\xi\)。检验 \(M\) 的鞅性质,以及用 \(H_1=A\) 变换后的过程。

解答。\(\sum_{j\ge1}2^{-j}=1\),所以 \(A\) 有限几乎必然,但 \(EA=\sum_{j\ge1}2^j2^{-j}=\infty\)。独立性给出 \(E[M_1\mid\mathcal F_0]=E\xi=0=M_0\),而 \(|M_1|=1\),故 \(M\) 是两时刻鞅。\(H_1\) 确为 \(\mathcal F_0\) 可测,但 \(E|H_1\Delta M_1|=EA=\infty\),变换后不满足可积性。其正、负部分期望均为 \(\infty\),不能凭对称性把 \(E[A\xi]\) 写成零。“每条样本上取有限值”并不等于存在确定的有限界。

关键术语

  • 滤过:一列随时间递增的子 \(\sigma\) 代数。
  • 适应:当步过程值对当步信息可测。
  • 离散时间可预测:第 \(n\) 步所用的系数对 \(\mathcal F_{n-1}\) 可测。
  • 鞅:可积适应过程,下一步的条件均值等于当前值。
  • 次鞅与上鞅:条件均值分别不小于、不大于当前值。
  • 闭合鞅:由同一可积变量 \(Z\) 的逐步条件期望构成的鞅。
  • Doob 分解:可积适应过程的鞅部分与可预测补偿部分之和。
  • 可预测变换:以可预测系数乘鞅增量后累加,并核对各乘积可积。

参考文献与进一步阅读

  1. Durrett, R. (2019). Probability: Theory and Examples, 5th ed. 作者公开版本,§4.2(鞅定义、条件 Jensen 与可预测变换),§4.3 定理 4.3.2(Doob 分解)。
  2. Polyanskiy, Y. (2018). MIT 6.436J / 15.085J, Lecture 25: Martingales I,§0–1(滤过、适应性及条件期望鞅)。
  3. Polyanskiy, Y. (2018). MIT 6.436J / 15.085J, Lecture 26: Martingales II,§1–2(鞅性质及随机游走的平方、指数构造)。本节证明针对有限离散时刻;停时与鞅收敛分别在11.4 节、11.5 节展开。