Випадкова хода з імпульсом


18

Розглянемо ціле випадкове прогулянку, починаючи з 0, з наступними умовами:

  • Перший крок плюс-мінус 1, з однаковою ймовірністю.

  • Кожен наступний крок: 60%, ймовірно, будуть в тому ж напрямку, що і попередній крок, 40%, ймовірно, будуть у зворотному напрямку

Яке розповсюдження дає це?

Я знаю, що випадковий хід без імпульсу дає нормальне розподіл. Чи імпульс просто змінює дисперсію, або повністю змінює характер розподілу?

Я шукаю загальну відповідь, тому на 60% і 40% вище я дійсно маю на увазі р і 1-р


На насправді, @Dilip, вам потрібна ланцюг Маркова з станами , індексованих упорядкованих пар і , . Переходи: (i, i + 1) \ до (i + 1, i + 1) і (i, i-1) \ до (i-1, i) з вірогідністю p і (i, i + 1) \ до (i + 1, i) і (i, i-1) \ to (i-1, i-2) з ймовірністю 1-p . (i,i+1)(i,i−1)i∈Z(i,i+1)→(i+1,i+1)(i,i−1)→(i−1,i)p( i , i - 1 ) → ( i - 1 , i - 2 ) 1 - p(i,i+1)→(i+1,i)(i,i−1)→(i−1,i−2)1−p
— whuber

Зверніть увагу, що розміри кроків утворюють ланцюг Маркова на {−1,+1} і ви, здається, (?!) почали його при стаціонарному розподілі.
— кардинал

Ви хочете обмежувати (граничний) розподіл для Sn=∑i=1nXn де Xn∈{−1,+1} - це кроки прогулянки?
— кардинал

Іншим підходом може бути перегляд змінних сум геометричних випадкових величин, а потім застосування деякої теорії мартінгале. Проблема полягає в тому, що вам доведеться визначити якийсь час зупинки, який може бути складним.
— shabbychef

Відповіді:


8

Щоб негайно перейти до висновку, "імпульс" не змінює факту, що нормальний розподіл є асимптотичним наближенням розподілу випадкової ходи, але дисперсія змінюється від до . Це може бути отримане порівняно елементарними міркуваннями в цьому спеціальному випадку. Скажімо, не так важко узагальнити наведені нижче аргументи до CLT для кінцевих ланцюгів Маркова з кінцевим станом, але найбільша проблема - це фактично обчислення дисперсії. Для конкретної проблеми її можна обчислити, і, сподіваємось, наведені нижче аргументи можуть переконати читача, що це правильна дисперсія.n p / ( 1 - p )4np(1−p)np/(1−p)

Використовуючи розуміння, яке Кардинал надає в коментарі, випадкова прогулянка задається як де і утворюють ланцюг Маркова з матриця ймовірностей переходу Для асимптотичних міркувань, коли початковий розподіл не грає ніякої ролі, тому давайте виправити заради наступного аргументу та припустимо також, що . Техніка гладкого полягає в тому, щоб розкласти ланцюг Маркова на самостійні цикли. НехайX k ∈ { - 1 , 1 } X k ( p 1 - p 1 - p p ) . n → ∞ X 1 X 1 = 1 0 < p < 1 σ 1

Sn=∑k=1nXk
Xk∈{−1,1}Xk
(p1−p1−pp).
n→∞X1X1=10<p<1σ1позначаємо вперше, після часу 1, що ланцюг Маркова повертається до 1. Тобто, якщо то , а якщо і то . Взагалі, нехай позначає 'й час повернення до 1, а позначає періоди між поверненнями (з ). З цими визначеннями у нас єσ 1 = 2 X 2 = X 3 = - 1 X 4 = 1 σ 1 = 4 σ i i τ i = σ i - σ i - 1X2=1σ1=2X2=X3=−1X4=1σ1=4σiiτi=σi−σi−1σ0=1
  • З тоді S σ n = X 1 + n ∑ i = 1 U i .Ui=∑k=σi−1+1σiXk
    Sσn=X1+∑i=1nUi.
  • Оскільки приймає значення для і то - 1 k = σ i - 1 + 1 , … , σ i - 1 X σ i = 1 U i = 2 - τ i .Xk−1k=σi−1+1,…,σi−1Xσi=1
    Ui=2−τi.
  • Часи , , для ланцюга Маркова є iid (формально через сильну властивість Маркова), і в цьому випадку із середнім та дисперсією . Нижче вказано, як обчислити середнє значення та відхилення.τiE(τi)=2V(τi)=2p1−p
  • Звичайний CLT для змінних призводить до того, що
    Sσn∼asympN(0,2np1−p).
  • Останнє, що слід зазначити, що вимагає невеликого стрибка віри, тому що я деталі, це те, що , що σn=1+∑i=1nτi∼2n
    Sn∼asympN(0,np1−p).

Для обчислення моментів можна зазначити, що а для , . Тоді можуть бути застосовані методи, подібні до тих, що використовуються при обчисленні моментів для геометричного розподілу. Крім того, якщо геометричний з вірогідністю успіху і то має такий же розподіл, що і , і легко обчислити середнє значення та дисперсію для це останнє подання.τ1P(τ1=1)=pm≥2P(τ1=m)=(1−p)2pm−2X1−pZ=1(τ1=1)1+X(1−Z)τ1


+1 приємно. Я б тільки написав асимптотичний розподіл для , щоб чітко показати, що CLT застосовується звичайним чином. Але це лише питання смаку. 1/nSn
— mpiktas

2

«Правило великого пальця» Ван Беля (з другого видання його книги ) включає наближення до стандартної помилки середнього значення, коли інновації мають автокореляцію . Переклад цього за допомогою дає де - положення випадкової прогулянки після кроків, а - стандартне відхилення вибірки (яке буде, асимптотично в , . Підсумок полягає в тому, що я, як грубо наближений, очікую, що стандартне відхилення має бути навколоρρ=2p−1

True standard error of x¯≈p1−psn,
nx¯nsn1−x¯2nx¯np/(1−p) .

редагувати : у мене була неправильна автокореляція (а точніше, слід було трактувати інакше); тепер послідовно (сподіваюся!)p


Цікаво. Я не впевнений, що для підзаряду виходить щось дуже розумне ; однак це може бути пов'язано з патологіями, пов'язаними з цим випадком. p=0
— кардинал

@кардинальний хороший улов, автокореляція повинна бути не . виправляючи це ...ρ=2p−1,1−2p
— shabbychef
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.