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Un movimiento browniano planar tiene zona cero

Estoy en busca de pruebas de Paul Lévy del teorema de que un plano de movimiento Browniano tiene medida de Lebesgue $0$. Que yo sepa, sólo dos pruebas: una es el Lévy del original en papel (Théorème 12, pág. 532) y el otro es en Mörters & Peres del "Movimiento Browniano" (Teorema 2.24, p. 46).

Por desgracia, Mörters & Peres de la prueba deja fuera muchos detalles técnicos, sin los cuales no encontrar la prueba extremadamente difícil de entender.

No he tratado de leer Lévy original de la prueba, en parte porque es en francés (aunque puedo leer en francés, con el esfuerzo) y en parte porque es en el medio de un largo artículo que no fue escrito para los estudiantes, sino para los matemáticos profesionales, y por lo tanto, sospecho que sería un dolor para el que lo lea.

No he sido capaz de encontrar cualquier otra fuente que contiene una prueba de este teorema. Si alguien sabe de cualquiera de estas fuentes, en inglés, francés o alemán, idealmente los libros de texto (pero cualquier otra fuente será también de utilidad), por favor hágamelo saber.

Gracias.

12voto

user36150 Puntos 8

Por desgracia, yo no soy consciente de una alternativa de la prueba (o una versión más detallada de la prueba por Mörters/Peres). Así, en lugar de proporcionarle una fuente, voy a seguir las líneas de Paul Lévy; esperemos que llenar los vacíos en su prueba.


Deje $(B(t))_{t \geq 0}=((B^1(t),B^2(t)))_{t \geq 0}$ ser una de dos dimensiones el movimiento Browniano y denotan por $\lambda$ el (de dos dimensiones) de la medida de Lebesgue.

En primer lugar, nos muestran que la $L := \lambda(B([0,1]))$ satisface $\mathbb{E}L<\infty$. Para este fin, se nota que

$$\begin{align*} \{L>4r^2\} &\subseteq \left\{ \max_{t \in [0,1]}(|B^1(t)|,|B^2(t)|) > r \right\} \\ &= \left\{ \max_{t \in [0,1]} B^1(t) > r \right\} \cup \left\{ \max_{t \in [0,1]} B^2(t) > r \right\} \\ &\quad \cup \left\{ \min_{t \in [0,1]} B^1(t) < -r \right\}\cup \left\{ \min_{t \in [0,1]} B^2(t) < -r \right\}.\end{align*}$$

A partir de la reflexión principio sabemos que $\max_{t \in [0,1]} B^j(t) \sim -\min_{t \in [0,1]} B^j(t) \sim |B^j(1)|$$j=1,2$. Por lo tanto,

$$\mathbb{P}(L>4r^2) \leq 4 \sqrt{\frac{2}{\pi}} \int_r^{\infty} \exp \left( - \frac{y^2}{2} \right) \, dy \leq \frac{4 \sqrt{2}}{\pi} \frac{1}{r} \exp \left(- \frac{r^2}{2} \right).$$

La combinación de esta estimación con el hecho de que $\mathbb{E}L = \int_0^{\infty} \mathbb{P}(L >r) \, dr$, obtenemos $\mathbb{E}L<\infty$.

A continuación, se nos tenga en cuenta que para la reinicia el movimiento Browniano $W_t := B_{t+1}-B_1$, $\lambda(W([0,1])) = \lambda(B([1,2]))$ y, desde $W \sim B$, llegamos a la conclusión de que $$\mathbb{E}(\lambda(B([0,1]))) = \mathbb{E}(\lambda(B([1,2]))).$$ Similarly, as $\tilde{W}_t := \frac{1}{\sqrt{2}} B_{2}$ es un movimiento Browniano, tenemos

$$\lambda(\tilde{W}([0,1])) = \lambda \left( \frac{1}{\sqrt{2}} B([0,2]) \right) = \frac{1}{2} \lambda(B([0,2])$$

es decir,$\lambda(B([0,2])) \sim 2 \lambda(B([0,1]))=2L$. Por lo tanto,

$$\begin{align*} 2\mathbb{E}L = \mathbb{E}(\lambda(B([0,2]) &= \mathbb{E}(\lambda(B([0,1])) + \mathbb{E}(\lambda(B([1,2])) - \mathbb{E}(\lambda(B([0,1]) \cap B([1,2]))) \\ &= 2\mathbb{E}L + \mathbb{E}(\lambda(B([0,1]) \cap B([1,2]))). \end{align*}$$

Por lo tanto, $$ \mathbb{E}\big(\lambda(B([0,1]) \cap B([1,2]))\big)=0. \tag{1}$$

Por el teorema de Fubini, tenemos

$$\mathbb{E}L = \int \int 1_{B([0,1])}(x,y) d\lambda(x,y) \, d\mathbb{P} = \int \underbrace{\mathbb{P}((x,y) \in B([0,1]))}_{=:p(x,y)} \, d\lambda(x,y). \tag{2}$$

Si establecemos $W_t := B_{1-t}-B_1$$\tilde{W}_t := B_{t+1}-B_1$, ambos procesos son Browniano movimientos y

$$W([0,1]) = B([0,1])-B_1 \qquad \qquad \tilde{W}([0,1]) = B([1,2])-B_1.$$

Usando ese $(W_t)_{t \geq 0}$ $(\tilde{W}_t)_{t \geq 0}$ son independientes, obtenemos

$$\begin{align*}\mathbb{E}(\lambda(B([0,1]) \cap B([1,2]))) &= \mathbb{E}(\lambda(W([0,1]) \cap \tilde{W}([0,1]))) \\ &= \int \mathbb{P}((x,y) \in W([0,1]) \cap \tilde{W}([0,1])) \, d\lambda(x,y) \\ &= \int \mathbb{P}((x,y) \in W([0,1])) \mathbb{P}((x,y) \in \tilde{W}([0,1])) \, d\lambda(x,y) \\ &= \int p^2(x,y) \, d\lambda(x,y). \end{align*}$$

Ahora $(1)$ implica $p(x,y)=0$ $\lambda$-en casi todas partes y, por lo tanto, por $(2)$, $\mathbb{E}L=0$. Por lo tanto, como $L \geq 0$, podemos concluir $L=0$ casi seguramente.

Observación no es obvio que $\omega \mapsto L(\omega)$ $((x,y),\omega) \mapsto 1_{B([0,1],\omega)}((x,y))$ son variables aleatorias; ver a esta pregunta y Evan Aad respuesta para la medición de la $L$ e esta pregunta para la medición de la segunda asignación. (Tenga en cuenta que la cuantificación de $((x,y),\omega) \mapsto 1_{B([0,1],\omega)}((x,y)$ implica la medición de la $L$, por el teorema de Fubini.)

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