依时变化的随机环境中的分枝随机游动的局部极限定理的二阶展开
A Second Order Correction of the Local Limit Theorem for a Branching Random Walk with a Random Environment in Time on ${\mathbb{Z}}^d$
收稿日期: 2019-12-25
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Received: 2019-12-25
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作者简介 About authors
高志强,E-mail:
Consider a branching random walk on
Keywords:
本文引用格式
高志强.
Gao Zhiqiang.
1 引言
此文的目标是对于一类依时变化的随机环境中的分枝随机游动, 推导其粒子分布的二阶渐近展开表达式. Révész[2]开启了对
1.1 记号和模型的描述
随机环境
其中
不失一般性, 取
给定环境
给定环境
全概率
令
为
1.2 主要结论
令
特别地, 通常将
已知正则化序列
是适应于
下列
此文将始终假设下面条件成立
对
令
易见
除了已知的鞅
这些都是适应于
命题1.1 序列
该命题将在第2节证明.
利用上面定义的记号, 该文的主要结论可叙述如下.
定理1.1 假设对
其中
为便于比较, 在下面的推论中, 给出了常环境中的简单分枝随机游动的相应结果. 其中的结论(Ⅰ) 是定理1.1的直接推论, 结论(Ⅱ) 已在文献[19]中证得.
推论1.1 在一个简单随机游动中, 后代分布为
假定对
那么对任意
(Ⅰ) 当
(Ⅱ) 当
其中
注1.1 此推论中出现的随机变量
其中
文章的结构安排如下: 在下节中, 证明了一个一般性地结论定理2.1, 作为其推论得到命题1.1. 在第3节中, 推导了
2 模型相关的重要鞅的收敛速度
这一节证明一个一般性的结果定理2.1, 命题1.1作为其推论来推出.
定理2.1 给定环境
这里每个
那么由下式
定义的序列
注2.1 当
定理2.2[40, 定理1.2] 设对某个
在Galton-Watson过程情形下, 这一结论首先是
为证明定理2.1, 此处借鉴了文献[41]中的思想. 该方法中的关键是利用恰当的截断来证明级数
引理2.1[41, 引理2] 设
证 先来证明
定义条件概率和条件期望
则
由此可以推得
下面来证明鞅的收敛速度.
首先引入下面记号
如果能证明级数
那么令
为证断言(2.4), 只需证明下列级数几乎必然收敛
而为证明(2.5)式, 需要以下辅助结果.
由零平均独立随机变量和的矩不等式[42]可得如下结果.
引理2.2 对
这里
由此引理可得, 对于
对于(2.5)式中的第一个级数, 注意到
由大数定律得
由此可推出存在
那么可得
易见
其中
这里
其中
于是
那么
所以可得到级数
接下来还需证明
为此, 注意到
观察到
这里用到了函数
注意到
于是级数
几乎必然收敛, 由此可推得级数
几乎必然收敛.
综上已证(2.5)式中三个级数几乎必然收敛, 从而(1.4)式成立.
现在令
命题1.1的证明 先来证明
对于
于是
于是对于下面定义的函数
可以看到
及
因此所需断言由定理1.2中
同理, 可以证明对
3 步长随时间变化的随机游动的局部极限定理的二阶渐近展开
令
令
那么
设
则有下面结论.
定理3.1 对上面定义的随机游动
其中对每组
进而, 对满足式
其中
注3.1 此结论推广完善了文献[44, 第2章]中的结论.
定理3.1的证明 易见下列事实成立: 对
其中
那么由文献[44, 命题2.2.2], 可见
易证
及
若
从而
而当
则有
基于上述讨论, 可记
其中
利用(3.7)式和
下面估计
为估计此积分, 应用分解式
其中
由不等式(3.6), 有
接下来估计
由泰勒展开, 可得
其中余项
利用微积分和复分析技巧, 可得
其中
上述积分的计算比较复杂, 但方法相似. 为方便读者, 以(2)的计算为例给出细节.
(2) 的计算 首先注意到
其中
满足
为计算此积分, 做变量替换
由柯西积分定理, 可得
及
综合以上诸式, 可得
从而得出(2).
利用(1.5)式和关系
其中对任意
无穷小
然后将(3.8), (3.10), (3.12) 式与估计式(3.9), (3.11), (3.13)结合, 可得到所需式(3.1)及余项
当
这里
易证当
将这些估计与式(3.1)和(3.2) 综合起来, 可以推出所需展式(3.3) 及余项
4 定理1.1的证明
令
对
那么
令
由定义, 对
此外将需要下面的
及相关的条件概率和条件期望
记
因为环境序列是独立同分布的, 故对
其中
则有下面的分解式成立
基于(4.3)式, 可将定理1.1的证明归结为两个引理.
引理4.1 假设定理1.1的条件成立. 则
引理4.2 假设定理1.1的条件成立. 则
其中
引理4.1的证明 先来引入一些记号. 对
易见下列事实成立
回顾在
如果下面各式成立, 则引理可得
为证明这些结论需要下面引理.
引理4.3[45, 推论1.1] 记
下面证明分三步来证明(4.7), (4.8) 及(4.9)式.
第1步 先来证明(4.7)式. 为此只需证明
观察到
由于
第2步 证明(4.8)式. 为此需要下面不等式(参见文献[46] 中(5.3)式后的段落): 对
其中
取常数
其中
那么
取
第3步 观察发现
那么由
于是(4.9)式成立.
综上, 引理4.1得证.
引理4.2的证明 容易发现对
其中无穷小项
则
从而
其中
当条件(1.3)对
根据
类似地, 由命题1.1可得当
于是可得当
而由(4.12)式, 有
综合(4.14), (4.15), (4.16)与(4.13)式, 即可导出所需结论(4.5)式.
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