雅格洛姆定理(Yaglom's theorem)
/ YAH-glom /
若分支族群註定滅絕——臨界與次臨界情形皆如此——即使過程不再存活,一個自然的問題仍然存活:在「血脈到第 n 代仍存活」的條件下,它有多大?雅格洛姆定理藉由描述「以非滅絕為條件」的族群大小極限分布來回答此問。它揭示出一個乾淨的普適形狀,藏在那些無條件下只會消失的過程之中。
臨界情形(m = 1,子代變異數 sigma^2 > 0 有限):在存活條件下,族群的量級為 n。精確地,Z_n / n 在 {Z_n > 0} 條件下的分布收斂到平均為 sigma^2 / 2 的指數分布;等價地,Z_n / n 依分布收斂到 Exponential(2 / sigma^2)。這與存活漸近 P(Z_n > 0) 約 2 / (sigma^2 n) 相配:臨界血脈以量級 1/n 的機率存活到第 n 代,若存活,則攜帶量級為 n 的個體。次臨界情形(m < 1):在存活條件下,族群大小「不」成長——Z_n 在 {Z_n > 0} 條件下依分布收斂到正整數上一個真正(非退化、有限)的隨機變數,即 Yaglom 準平穩律,其生成函數由子代分布決定;存活機率以 c m^n 幾何衰減。證明分析生成函數迭代 f_n 在不動點 s = 1 附近的行為,f 的凸性在此控制趨近的速率。
重要性:雅格洛姆定理是準平穩性(quasi-stationarity)的基礎——亦即「註定滅絕的族群,在其不可避免的死亡之前觀之,會穩定到一個固定的條件輪廓」這個想法。它支撐了瀕危族群模型、亞穩的化學與流行病系統,以及臨界樹的分析(量級為 n 的條件臨界樹,尺度化收斂到 Aldous 的連續隨機樹)。誠實的微妙處:臨界情形的指數極限需要子代變異數有限(重尾的臨界子代會給出帶不同尺度的穩定律極限),而條件 {Z_n > 0} 不可或缺——沒有它,極限便是 0 處的點質量。對一個「在極限下機率為零」的事件取條件,正是萃取非平凡結構之所在。
臨界二元分裂(各以機率 1/2 有 0 或 2 個子女)有 sigma^2 = 1。雅格洛姆定理說:在「家族經 n 代後仍存活」的條件下,其大小除以 n 約為平均 1/2 的指數分布。所以第 100 代的罕見倖存者通常約有 50 個成員,而非 1 個——存活迫使其異常龐大。
在存活至第 n 代的條件下,臨界族群大小除以 n 約為指數分布。
指數極限對「子代變異數有限」的臨界過程成立;變異數無窮時,條件極限是另一尺度上的穩定律。條件 {Z_n > 0} 不可省略——少了它,極限只是 0 處的點質量。