轉移半群(transition semigroup)
轉移半群是一族線性算子 (P_t)_(t >= 0),馬可夫過程透過它作用在狀態的函數上。它是算子方法的核心對象:我們不追蹤樣本路徑,而是觀察可觀測量如何演化。定義 (P_t f)(x) = E_x[ f(X_t) ] = integral f(y) p_t(x, dy)——從 x 確定性出發後 t 單位時間,可觀測量 f 的期望值。隨 t 與 x 變動,P_t f 是一個新函數,整套理論研究的就是 f -> P_t f 的動力學。
它之所以是半群,是因為查普曼-柯爾莫哥洛夫給出 P_(t+s) = P_t P_s 且 P_0 = I。三個結構事實使它在分析上易於處理。第一,P_t 保正且是馬可夫算子:f >= 0 蘊含 P_t f >= 0,且 P_t 1 = 1(常數被保持——總機率守恆)。第二,在適當的函數巴拿赫空間上(常是在無窮遠處趨零的連續函數 C_0(E),或某個 L^p(mu) 空間),它是收縮算子:P_t f 的上確界範數或 L^p 範數絕不超過 f 的,因為取平均不會抬高最大值。第三,在適當空間加上連續性假設下,它是強連續的,意即當 t -> 0 時 P_t f -> f。這三個性質正是讓我們得以定義生成元並援引希爾-吉田定理的依據。
重要性:每個機率問題都化為算子問題。穩定測度就是滿足 mu P_t = mu 的 mu(特徵值為 1 的左特徵測度);生成元 A 是 t 在 0 處的導數;向後柯爾莫哥洛夫方程是 d/dt P_t f = A P_t f;可逆性即 P_t 在 L^2(mu) 中的自伴性。巴拿赫空間的選擇並非裝飾:一個半群可能在 C_0(E) 上強連續(費勒),但在有界可測函數空間上僅 weak-* 連續,而生成元的定義域依賴於空間,故必須言明在哪個空間上工作。
對歐恩斯坦-烏倫貝克過程 dX = -X dt + sqrt(2) dB,轉移半群是梅勒算子 (P_t f)(x) = E[ f( e^(-t) x + sqrt(1 - e^(-2t)) Z ) ],其中 Z ~ N(0,1)。當 t -> infinity 時,P_t f -> integral f d(gamma),即對標準高斯(唯一不變測度)取平均。
P_t f 把可觀測量在「過程於時刻 t 可能所在之處」上取平均;長時間下鬆弛到不變測度均值。
務必言明 P_t 作用於哪個巴拿赫空間:強連續性與生成元的定義域依賴於空間(C_0(E) 給出費勒理論;L^2(mu) 給出對稱/狄利克雷形式理論)。