隨機過程:基礎

簡單隨機漫步(simple random walk)

想像你站在一條數線上。擲一枚硬幣:正面,你向右走一步;反面,你向左走一步。再擲、再走,如此不斷。你描出的那條遊走位置就是簡單隨機漫步 —— 那個藉由累積獨立隨機步而建立起來的、最基本也最被研究的過程。它是孕育出大量過程理論的玩具模型。

正式地說,取獨立同分布的步 Z_1, Z_2, Z_3, ...,每一步等於 +1 或 -1(對稱情形各以機率 1/2)。從 S_0 = 0 出發,設 S_n = Z_1 + Z_2 + ... + Z_n,即 n 步之後的位置。這是一個離散時間、整數狀態、具獨立且平穩增量的過程。兩個小事實釘住了它的尺度:期望位置為 E[S_n] = 0(對稱情形下漫步無漂移,不偏向左或右),而散布以 Var(S_n) = n 增長,所以離原點的典型距離以 n 的平方根增長 —— 緩慢,但無上界。走了 100 步之後,你通常離出發點約 10 而非 100。

儘管它如此平凡,簡單隨機漫步卻富饒得驚人。它在一維與二維中是常返的(它以機率 1 無窮多次回到起點),在三維或更高維中卻是暫態的(它最終會遊走離去,可能永不歸來)—— 這就是著名的波利亞定理。它是布朗運動的離散祖先:把空間按 1/sqrt(n) 縮放、時間按 1/n 縮放,漫步就收斂到布朗運動(東斯克定理)。它是賭徒破產、反射原理與令人意外的反正弦定律的自然舞台。過程理論中幾乎每一個想法,都能在簡單隨機漫步裡廉價而具體地初次相遇。

一位賭徒在每次公正擲幣時下注 1 美元,每次贏或輸一美元。他的淨財富恰好是一個對稱簡單隨機漫步。在 4 次擲幣得到 正、反、正、正 之後,路徑為 1, 0, 1, 2 —— 淨值 +2。注意回到 0 需要偶數步,因為每一步都改變位置的奇偶性。

位置是 ±1 步的累積總和;均值維持 0,但散布以步數的平方根增長。

漫步漂移為零「並不」代表它停留在原點附近 —— 它的散布無上界地增長(如 sqrt(n)),所以它終將遊走到任意遠處。「無漂移」是指沒有系統性方向,而非「原地不動」。

又稱
SRWsymmetric random walkdrunkard's walk簡單隨機漫步對稱隨機漫步醉漢漫步