反正弦律(arcsine laws)
反正弦律是三個美麗而違反直覺的結果,描述布朗運動在區間 [0, 1] 上如何分配時間。樸素地想,一個如公正擲幣的過程,應約有一半時間為正,並在中間附近「領先」。真相恰恰相反:為正的時間、最後一次過零的時刻、以及取得最大值的時刻,都最可能落在「端點」0 或 1 附近,幾乎從不在 1/2 附近。
這三個統計量各具相同的反正弦分布,在 (0, 1) 上密度為 f(x) = 1 / (pi sqrt(x (1 - x))),累積分布為 P(X <= x) = (2/pi) arcsin(sqrt(x))。具體地:(i) A_1 = integral over [0,1] of 1{B_s > 0} ds,即為正的時間,服從反正弦分布(李維)。(ii) 最後一次過零的時刻 L = sup{ s <= 1 : B_s = 0 } 服從反正弦分布。(iii) B 在 [0,1] 上取得最大值的時刻 theta 服從反正弦分布。密度在 0 與 1 處發散,在 1/2 處最小,所以最可能的結果是:幾乎整段時間皆為正(或幾乎皆為負)、最後過零發生得非常早或非常晚、峰值出現在開頭或結尾附近。證明源自反射原理與漂程結構;離散對應物是李維與 Sparre Andersen 的選票/隨機漫步反正弦定理。
重要性:反正弦律是經典的警告——每一步的「公平」並不帶來時間上的「平衡」——對稱的賽局以長串單側連勝為「常態」而非例外,對我們如何(錯誤地)判斷連勝連敗、基金經理人的績效紀錄、以及賭徒破產直覺,有深遠的後果。誠實的提醒:反正弦是「整條路徑」這些特定泛函的分布;它並非說 B_t 本身是反正弦(B_t 是常態)。且此結果專屬於具強馬可夫性且零集為測度零之常返集的過程——對帶漂移或其他不對稱的過程並不成立。
由反正弦累積分布,布朗運動在 [0,1] 上為正的時間「少於」10% 的機率為 (2/pi) arcsin(sqrt(0.1)) 約 0.205——超過五分之一的機會。由對稱性,為負時間少於 10% 同樣可能;維持在約 50/50 的分割反而是罕見情況。
反正弦密度在端點處達到峰值:時間嚴重偏向一側才是典型,平衡反而罕見。
反正弦是路徑「泛函」(為正時間、最後過零、最大值位置)的分布,而非 B_t 本身,且它需要強馬可夫性與測度零的常返零集;漂移會破壞它。