隨機過程:基礎

狀態空間(state space)

如果說指標集說的是你「何時」觀察,狀態空間說的就是你「能看到什麼」。它是每個隨機變數 X_t 被允許取的所有可能值的集合 —— 過程在任一時刻可能處於的狀態清單。

和指標集一樣,它分成離散與連續兩類。離散狀態空間是一組分隔開的值:整數(隨機漫步的位置),或像 {晴、陰、雨} 或 {運作中、故障} 這樣的小型具名清單。連續狀態空間是一個連續體:實數線(一個價格)、一個區間、或平面上的一個區域(一個粒子的位置)。這兩種選擇 —— 離散或連續的時間、離散或連續的狀態 —— 組合成一張好用的 2×2 方格表。馬可夫鏈通常是離散時間、離散狀態;卜瓦松計數是連續時間、離散狀態(它以整數跳動,卻發生在實數值的時刻);布朗運動是連續時間、連續狀態。

狀態空間決定工具箱。離散狀態讓你能使用轉移矩陣 —— 一張記載從每個狀態走到每個其他狀態之機率的表 —— 並把一切排成向量與矩陣。連續狀態則逼你改用密度與積分,因為你無法把狀態一一列舉。知道狀態空間與指標集,立刻就告訴你身處隨機過程理論的哪一個角落。

一個天氣模型,X_t 取值於 {晴、雨},其狀態空間只有兩個狀態,是離散的。一個股價模型,X_t 取 (0, 無窮) 中任何值,其狀態空間是連續的。直線上的簡單隨機漫步狀態空間為 {..., -2, -1, 0, 1, 2, ...},即整數 —— 離散狀態、離散時間。

時間指標(何時)與狀態空間(什麼)共同把一個過程放進過程類型的 2×2 方格中。

「離散狀態」的過程仍可以活在連續時間裡,反之亦然 —— 別把這兩個座標軸搞混。卜瓦松過程是經典的陷阱:它的值是整數(離散狀態),跳躍卻發生在連續時間的瞬間。

又稱
value spacephase space狀態空間值域空間