馬可夫過程、生成元與半群

強連續收縮半群(strongly continuous contraction semigroup)

強連續收縮半群——即 C_0 收縮半群——是希爾-吉田理論所刻畫的精確泛函分析對象,也是馬可夫轉移半群的抽象歸宿。它把圖像削減到巴拿赫空間上的本質公理,忘卻其機率起源,使我們得以追問哪些算子能生成這樣的流、以及 P_t f 繼承了什麼正則性。

設 (X, ||.||) 為巴拿赫空間。X 上的有界線性算子族 (P_t)_(t >= 0) 若滿足下列條件即為 C_0 收縮半群:(1) P_0 = I;(2) 半群律 P_(t+s) = P_t P_s 對所有 t, s >= 0 成立;(3) 強連續性,意即對每個 f in X,軌道 t -> P_t f 從 [0, infinity) 到 X 連續,等價於當 t -> 0+ 時 ||P_t f - f|| -> 0;(4) 收縮性,對所有 t 有 ||P_t|| <= 1(每個 P_t 非擴張)。注意「強」連續是軌道的連續,「並非」t -> P_t 在算子範數下的連續(一致連續)——一致連續強得多,會逼出有界生成元,從而排除幾乎所有有趣的微分生成元。強連續恰是仍允許像拉普拉斯算子這類無界生成元的弱正則性。

重要性:這正是讓 P_t = e^(tA)(A 無界)獲得嚴格意義的類別,預解式是半群的拉普拉斯變換,而希爾-吉田告訴你某個給定的 A 何時真能生成這樣一個半群。對馬可夫過程而言,收縮性是自動的(取平均縮小上確界範數),半群另外還保正且 P_t 1 = 1;在 C_0(E) 上的強連續性恰是費勒條件。一個誠實的提醒:許多自然的馬可夫半群在「全體有界可測函數」空間上「並不」強連續(只在 C_0 或 L^p 上才強連續),因此必須一開始就固定正確的巴拿赫空間。

C_0(R) 上的熱半群 (P_t f)(x) = E[ f(x + B_t) ] 是 C_0 半群:由 f 的一致連續性,當 t -> 0 時 ||P_t f - f||_sup -> 0,且 ||P_t f||_sup <= ||f||_sup(收縮)。但它在 t 上「並非」一致連續,與其生成元為無界算子 A = (1/2) d^2/dx^2 一致。

讓拉普拉斯算子成為正當生成元的,是強(逐軌道)連續性,而非一致連續性。

強連續性是軌道 t -> P_t f 的連續,而非 t -> P_t 在算子範數下的連續;要求後者會逼出有界生成元並排除掉擴散過程。

又稱
C_0 semigroupC0 半群C_0 收縮半群