連續時間鏈與跳躍過程

鏈的爆炸(explosion of a chain)

爆炸是僅在無限狀態空間上才可能出現的現象:連續時間馬可夫鏈在有限時間內跳躍無窮多次。它是連續時間鏈的核心適定性問題:當你以指定速率來建構鏈時,必須檢查所得過程是否真的對所有時間都有定義,而爆炸正是可能出錯之處。

回顧建構方式:從狀態 i 鏈等待一段速率為 q_i 的指數停留時間,再依跳躍鏈跳躍。令 J_n 為第 n 次跳躍的時刻,定義爆炸時刻 zeta = lim_n J_n = sum_n(第 n 個所訪狀態的停留時間)。若停留速率 q_i 沿實現路徑增長得夠快,這些指數停留時間可能幾乎必然有有限和,故 zeta < 無窮:鏈在有限時間 zeta 之前已跳躍無窮多次,在天真意義下其後便「無定義」。是否發生取決於速率:非爆炸的一個有用充分條件是停留速率有界,sup_i q_i < 無窮,或更精細地(顯式鏈的 Reuter 判準)沿可達路徑 sum 1/q_{i_n} 發散。對出生率為 lambda_n 的純出生過程,非爆炸恰為 sum 1/lambda_n = 無窮;若出生率如 n^(1+epsilon) 增長,族群在有限時間內達到無窮。

爆炸之所以重要,是因為它迫使模型作出抉擇並破壞天真的公式。若鏈爆炸,矩陣指數 e^(tQ) 不一定是隨機的(其列和小於 1,差額為 P(已爆炸)),前向與後向方程可能有多個解,且若無對 zeta 時行為的規則,「該」鏈並不唯一。標準慣例是最小過程:在 zeta 時殺死鏈(送往墳墓態)。也可改為「重啟」它(給定一個邊界分配),得到另一個同樣有效的非最小鏈。誠實的總結:Q 的守恆性(列和為零)不等於非爆炸;你必須驗證速率的某個增長條件。

在狀態 n 出生率為 lambda_n = n^2 的純出生過程。由於 sum 1/n^2 < 無窮,停留時間幾乎必然有有限(隨機)和:族群在有限時間內爆炸到無窮。對比 lambda_n = n(尤爾過程),此時 sum 1/n 發散,鏈並不爆炸。

sum 1/lambda_n 是否收斂決定純出生過程是否爆炸:快於線性的出生率會在有限時間內爆炸。

守恆性(Q 列和為零)並不蘊含非爆炸。你必須檢查增長條件:離開速率有界即足夠,而純出生的非爆炸恰為 sum 1/lambda_n = 無窮。鏈爆炸時,e^(tQ) 是次隨機的,且若無邊界規則,「該」鏈並不唯一。

又稱
explosion timeblow-up of a CTMCnon-conservativeness爆炸爆炸時刻非守恆