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¿Puede la teoría ergódica ayudar a demostrar la ergodicidad de una cadena de Markov general?

Soy un principiante en la teoría ergódica. He leído algunos apuntes de conferencias (como este y este ) sobre ello con la esperanza de poder encontrar algo que ayude a demostrar la ergodicidad de alguna cadena de Markov que tome valores en un espacio de estados general (digamos un espacio polaco).

Aunque he aprendido muchas cosas interesantes, como la aplicación de la teoría ergódica en la teoría de números, no encuentro nada que ayude a resolver mi problema original, es decir, la ergodicidad de la cadena de Markov. Esperaba encontrar algo que diera una condición suficiente y fácil de verificar sobre la ergodicidad del operador de desplazamiento. Pero sólo encuentro tal condición (irreducibilidad) en el caso de la cadena de Markov que toma valores discretos

Entonces, en cuanto al caso de la cadena de Markov que toma valores en un espacio de estados general, me parece que todas las condiciones suficientes existentes para su ergodicidad (como la condición de conjunto pequeño, la condición de deriva) se hacen sin mencionar ningún ajuste abstracto de la teoría ergódica, como en el libro Cadena de Markov y estabilidad estocástica o en este reciente documento. Y es difícil verificar estas condiciones en general.

Así que mis preguntas son:

¿Existe algún resultado en la teoría ergódica que pueda ayudar a establecer fácilmente la ergodicidad de una cadena de Markov general? Mi impresión es que la teoría ergódica es potente y se ha desarrollado durante mucho tiempo, ¿me he perdido algún resultado importante?

Si no existe tal resultado, ¿cuál es la opción más esperanzadora si se necesita demostrar la ergodicidad de la cadena de Markov general? Uno debería quedarse con la teoría ergódica y tratar de encontrar algo aplicable a la cadena de Markov. ¿O uno podría olvidarse por completo de la teoría ergódica y sólo esforzarse por demostrar condiciones de conjuntos pequeños o de deriva en su propio entorno?

Tal vez la respuesta a la segunda pregunta esté basada en la opinión. Pero, por favor, comparta su experiencia conmigo. Soy estudiante de doctorado y me gustaría saber si vale la pena invertir mucho tiempo en una de las direcciones. Si pudieras darme algún consejo relacionado, también te lo agradecería mucho.

Muchas gracias por su ayuda.

Edición para aclarar mi pregunta:

Por "ergodicidad de una cadena de Markov que toma valores en un espacio de estados general", quiero decir que existe una cadena de Markov $(X_n)_{n\geq 1}$ con $X_n \in S$ y $S$ es un espacio polaco, supongamos que $\mu$ es una medida sobre $\mathcal{B}(S)$ y ya sabemos que esta cadena de Markov es invariante con respecto a $\mu$ entonces decir que esta cadena es ergódica significa que tenemos para cualquier $B \in \mathcal{B}(S)$ tenemos $$\dfrac{1}{n}\sum_{k=1}^n 1_B(X_n) \to \mu(B) \text{ almost surely}$$ Por teoría ergódica abstracta quiero decir que hay un espacio de medidas $(\Omega, \mathcal{B}, \mu)$ y una transformación que preserva la medida $T: \Omega \to \Omega$ es decir $T^{-1}B \in \mathcal{B}$ y $\mu(T^{-1}B) = \mu(B)$ cuando $T$ es ergódico entonces tenemos teoremas como el teorema ergódico de Birkhoff y muchos otros resultados interesantes. Me gustaría encontrar algunos resultados en este entorno abstracto de manera que la ergodicidad de la cadena de Markov sea una aplicación de los resultados. Pero no encuentro nada en este sentido y todo lo que sé sobre cómo demostrar la ergodicidad de una cadena de Markov general no utiliza resultados de la teoría ergódica abstracta. ¿Es útil la teoría ergódica para demostrar la ergodicidad de la cadena de Markov general?

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Jim Puntos 505

OK - así que estás hablando de la ergodicidad de una cadena de Markov con respecto a una medida estacionaria finita. Un resultado general que deberías conocer es que, en esta situación, la ergodicidad del desplazamiento temporal en el espacio de trayectorias (ésta es esencialmente la definición que utilizas -sólo te refieres al teorema ergódico correspondiente) es equivalente a la "irreducibilidad" (ausencia de subconjuntos invariantes no triviales) del espacio de estados, véase Diferentes usos de la palabra "ergódica"

Sin embargo, no sirve de mucho. La cuestión es que la pregunta que haces es esencialmente la misma que la de un "método general" para decidir si una determinada transformación que preserva la medida de probabilidad es ergódica. En efecto, cualquier transformación de este tipo puede considerarse como una cadena de Markov "determinista" (todas las probabilidades de transición son medidas delta). Por otra parte, como acabo de mencionar, la ergodicidad de la cadena de Markov es equivalente a la ergodicidad del desplazamiento temporal determinista en su espacio de trayectorias.

Ahora bien, no hay resultados generales en teoría ergódica que, citando tu pregunta, "puedan ayudar a establecer fácilmente la ergodicidad". De hecho, cualquier libro de texto de teoría ergódica se abre con el conjunto estándar de ejemplos (rotación irracional, desplazamiento de Bernoulli, transformación de Gauss, endomorfismo toral hiperbólico), cuya ergodicidad se establece a su manera. Por desgracia, estos enfoques están muy lejos de ser universales, y la ergodicidad de ciertas transformaciones conocidas es un problema muy difícil (el ejemplo más famoso es, posiblemente, la hipótesis ergódica de Boltzmann).

EDIT (comentarios adicionales) La recurrencia de Harris es en cierto sentido un artefacto que no tiene nada que ver con la ergodicidad. Apareció en una etapa muy temprana de la teoría (su predecesora es la condición de Doeblin) y estaba orientada a establecer la convergencia (rápida) de la variación total a una distribución estacionaria. Por lo tanto, la continuidad absoluta de las probabilidades de transición (entendida literalmente o en una forma algo más débil) era un ingrediente necesario de esta configuración. Las cadenas de Markov con probabilidades de transición singulares (en particular, las cadenas de Markov deterministas correspondientes a transformaciones que preservan la medida) se consideraban en este contexto probabilístico como algo totalmente exótico. Recomendaría los libros de Foguel MR0261686 (en primer lugar) y Rosenblatt MR0329037 (más específico) para un enfoque de "teoría ergódica" de las cadenas de Markov. Ambos libros contienen la afirmación que he mencionado.

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learn4living Puntos 271

Encuentro un papel: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167715211001751 donde se hace una breve demostración de la ergodicidad de la cadena de Markov utilizando resultados clásicos de la teoría ergódica y técnicas de martingala.

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