遍歷理論

平穩過程上的位移(shift on a stationary process)

位移是使遍歷理論與平穩過程理論成為同一學科的對照詞典。它說,要研究一個平穩隨機過程,你可以不失一切地去研究一個標準的保測變換——序列空間上的位移——並從動力讀出過程的每個性質。這正是為何上述所有遍歷定理同時也是時間序列的定理。

構造。給定平穩實值過程 (X_n)_(n in Z)(或 n >= 0),令 Omega = R^Z 為所有序列的路徑空間,P 為 (X_n) 之律(其聯合分布),定義位移 T 為 (T omega)_n = omega_(n+1)。座標映射 f(omega) = omega_0 即重現過程:在 P 下 X_n = f(T^n omega)(= omega_n)。過程平穩恰當其律位移不變,即 P(T^(-1) A) = P(A)——故過程的平穩性等同於 T 保測。系統 (R^Z, P, T) 即標準模型,而一個過程稱為遍歷 / 混合 / 弱混合,恰當其位移如此。透過此視角,不變 sigma-代數 I 成為過程的位移不變事件(不受時間平移改變、類尾的事件)。

後果立即湧現。伯克霍夫定理成為平穩序列的遍歷定理:(1/n) sum_(k<n) g(X_k, X_(k+1), ...) -> E[ g(X_0, X_1, ...) given I ] 幾乎必然,遍歷時為常數 E[g(...)]——即相依平穩資料的大數法則。遍歷分解成為「每個平穩過程都是遍歷平穩過程的混合」之陳述(動力版德菲內蒂圖像)。誠實警告:過程可平穩而不遍歷(又是隨機偏度的硬幣),此時時間平均收斂但收斂到隨機極限;且平穩性是指整個律位移不變,而非僅均值與變異數為常數(那較弱的條件是寬義 / 二階平穩,不足以支撐遍歷定理)。

頻譜密度處處不為零的平穩高斯過程是遍歷的;若其共變異數 r(k) -> 0(當 k -> infinity)則為混合。此時樣本自共變異數 (1/n) sum_(k<n) X_k X_(k+h) 幾乎必然收斂到真值 r(h)——透過位移的伯克霍夫正是時間序列自共變異數估計量相合的原因。

每個平穩過程都是偽裝的保測系統——位移是其翻譯密鑰。

嚴格平穩(整個律位移不變)才是遍歷定理所需。寬義平穩(均值為常數、共變異數僅依賴落後階)較弱,本身並不保證遍歷定理。

又称
shift transformationstationary process as a dynamical systemcoordinate shift位移變換平穩過程的動力表示