Feltételes várható érték és martingálok
A „Valószínűségi mezők, σ-algebrák és valószínűségi változók” című lecke felépítette az valószínűségi mezőt, a „Filtrációk, adaptált folyamatok és megállási idők” pedig leírta, hogyan bővül az információ az időben egy filtráción keresztül. Ez a lecke mindkettőre támaszkodva definiálja a σ-algebrára vett feltételes várható értéket, kimondja a számolási szabályait, definiálja a martingált (az igazságos játék matematikai modelljét), és bebizonyítja, miért nem tehető nyereségessé egy igazságos játék semmilyen fogadási stratégiával. Végig a „Véletlen bolyongás és Brown-mozgás” című leckéből ismert érmedobásos bolyongás és a Brown-mozgás a példa.
Feltételes várható érték egy σ-algebrára
Legyen integrálható valószínűségi változó, , és legyen egy rész-σ-algebra: azok az események, amelyekről a információ birtokában tudjuk, hogy bekövetkeztek-e. Az feltételes várható érték egy olyan valószínűségi változó, amelyre két dolog teljesül:
- -mérhető: az értéke kiszámolható a -ben lévő információból.
- minden eseményre: minden olyan eseményen, amelyet „lát”, átlaga megegyezik átlagával.
Ilyen létezik (a Radon–Nikodym-tétel szerint), és egy nulla valószínűségű halmaztól eltekintve egyértelmű. Ha szórásnégyzete véges, az a -mérhető valószínűségi változó, amely átlagos négyzetes értelemben a legközelebb van -hez; ezért nevezzük legjobb előrejelzésének alapján. Nem előre rögzített szám, hanem valószínűségi változó, mert az előrejelzés attól függ, mit figyeltünk meg.
Példa: dobjunk fel kétszer egy szabályos érmét, legyen a fejek száma és az első dobásból származó információ. csak az „első dobás fej” és az „első dobás írás” eseményeket tartalmazza (meg -t és -t), így mindkettőn állandó: fej után , írás után . A definiáló tulajdonság teljesül az eseményen: mindkét oldalon.
A feltételes várható érték szabályai
Ezek mind a definícióból következnek, és valójában ezekkel számolunk. Itt és integrálható, pedig rész-σ-algebrák.
- Linearitás: .
- Toronyszabály: . Ha kevesebb információval jelezzük előre, mit fog mondani egy jobban informált előrejelzés, a kevésbé informált előrejelzést kapjuk. esetén ez .
- Az ismert tényező kiemelése: ha -mérhető és integrálható, akkor .
- Függetlenség: ha független -től, akkor . Az -szel össze nem függő információ nem változtat az előrejelzésén.
Az érmés példában a toronyszabály így szól: .
Martingálok
Rögzítsünk egy filtrációt. Az folyamat martingál -re nézve, ha
- adaptált: minden -re -mérhető;
- integrálható: minden -re;
- a következő érték legjobb előrejelzése a jelenlegi érték: .
Folytonos időben, egy filtrációval a harmadik feltétel így szól: minden esetén. Ha ehelyett , a folyamat szubmartingál (nekünk kedvező játék); esetén szupermartingál (ellenünk szóló játék, mint egy kaszinó, ahol a ház előnyben van).
A martingál igazságos játék: mindazok ismeretében, amit eddig megfigyeltünk, a következő lépés várható változása nulla. A toronyszabály miatt ugyanez igaz tetszőleges számú lépésre, , ha , és speciálisan .
Példák a Brown-mozgásból
Használjuk a természetes filtrációt, vagyis a pálya történetét. Minden példa egy sor a fenti szabályokkal.
- A szimmetrikus véletlen bolyongás martingál: , az ismert tényező kiemelésével, majd a függetlenséggel.
- A Brown-mozgás folytonos idejű martingál: esetén , a növekmény független -től és nulla várható értékű, így .
- nem martingál. A felbontásból tagonként előrejelezve : felfelé sodródik, tehát szubmartingál.
- martingál: a levonása éppen a felfelé irányuló tendenciát tünteti el.
Példa: tegyük fel, hogy . A előrejelzése továbbra is 1, de a előrejelzése , nem pedig 1. A pálya szóródása nő, a közepe viszont nem mozdul.
Fogadási stratégiák
Fogadjunk körről körre egy szabályos érmére. A -adik kör előtt megválasztjuk a tétet, kizárólag az történet alapján (a tét előrejelezhető), és ezt megnyerjük vagy elveszítjük: a vagyonunk -val változik, ahol . kör után
A tétet kiemeljük az előrejelzésből, mert az -edik időpontban ismert, az érme feltételes várható értéke pedig nulla. Így minden ilyen stratégia vagyona ismét martingál (martingáltranszformált), és a várható értéke minden rögzített időpontban marad. Egy stratégia megváltoztathatja a kimenetelek eloszlásának alakját, de a várható értékét nem.
A híres duplázó stratégia 1-es téttel indul, és minden vesztés után megduplázza a tétet, így az első nyerés visszahozza az összes korábbi veszteséget, és még 1-et. Korlátozzuk legfeljebb 5 körre. Ha az első öt kör bármelyikében nyerünk, a nettó nyereség 1. Mind az öt kör elvesztésének valószínűsége , és ekkor a veszteség . A várható nyereség
A stratégia valószínűséggel nyer egy keveset, és valószínűséggel veszít sokat. Körkorlát nélkül korlátlan hitelre volna szükség: 10 egymást követő vesztés után a következő tét 512, az addigi veszteség pedig 1023.
Az ábrán ezt a játékot magunk játszhatjuk, 100-as kezdő vagyonnal. Válasszunk stratégiát: állandó 1-es tét, duplázás vesztés után (legfeljebb 64-es tétig, utána újra 1), vagy a pillanatnyi vagyon 5%-a; egyik tét sem lehet nagyobb, mint ami a vagyonunk. Az „Egy dobás” egy kört játszik le, a „100 kör” százat, a vagyont lépcsős grafikonon rajzolva. Az „1000 játékos szimulálása” ezer játékost játszat le 100–100 kört a választott stratégiával, és hisztogramot rajzol a végső vagyonukról, az átlagot megjelölve; az „Újrakezdés” új dobásokkal indít. Hasonlítsuk össze a három stratégiát. Az átlagos végső vagyon minden esetben 100 közelében marad (a kijelző a 95%-os mintavételi sávval együtt mutatja), de állandó tétnél a játékosok nagyjából 46%-a végez nyereségben, és senki sem esik 60 körüli szint alá; duplázásnál nagyjából kétharmaduk végez nyereségben, néhányan viszont mindent elveszítenek; a vagyon 5%-ának feltételével pedig csak nagyjából 38%-uk végez nyereségben, miközben néhányan a kezdő vagyonuk többszörösével zárnak.
Nyomd meg az „1000 játékos szimulálása” gombot, hogy lásd, hogyan oszlik el a végső vagyon.
- Vagyon most
- 100.00
- Következő tét
- 1.00
- Átlagos végső vagyon
- –
- Nyereségben végzett
- –
- Legrosszabb kimenet
- –
Ugyanez a számítás hosszabb korláttal megmutatja, hogy több kör csak egy ritkább, de nagyobb veszteségbe tolja át a kockázatot.
Megállás és az opcionális megállítás tétele
Egy játékos ritkán játszik rögzített számú kört; akkor áll meg, amikor valami történik. A megállási idő olyan véletlen időpont, amelynél a döntés arról, hogy az -edik időpontig megállunk-e, csak az addigi információt használja: minden -re. Az „állj meg az első nyerésnél” megállási idő; az „állj meg közvetlenül a legnagyobb veszteség előtt” nem az, mert a jövőt kellene hozzá ismerni.
Egy martingált megállási időnél megállítva ismét martingált kapunk: az megállított folyamat martingál, így minden rögzített -re . Az határátmenethez viszont feltétel kell. Az opcionális megállítás tétele szerint ha martingál és megállási idő, akkor
teljesül az alábbi feltételek bármelyike mellett:
- korlátos: egy rögzített számra;
- majdnem biztosan, és a megállított folyamat dominált: minden -re, egy rögzített -val (általánosabban: az család egyenletesen integrálható);
- , és a növekmények korlátosak: .
Példa (a játékos csődje): egy szimmetrikus bolyongás 0-ból indul, és a időpontban áll meg, amikor először eléri a -t vagy a -at. A megállított bolyongás és között marad, így a második feltétel teljesül, és , ahol annak valószínűsége, hogy előbb a -t éri el. Innen , kombinatorika nélkül.
A körkorlát nélküli duplázó stratégia megmutatja, miért számítanak a feltételek. Legyen az első nyerés időpontja. Ez megállási idő, 1 valószínűséggel véges, és , így . Ez nem mond ellent a tételnek: nem korlátos, és a nyerés előtti vagyon alulról nem korlátos, így egyik feltétel sem teljesül. Az ötkörös korláttal korlátos, és a várható nyereség 0, ahogy fent kiszámoltuk.
Doob maximálegyenlőtlensége
Egy martingál nemcsak azt korlátozza, hol ér véget, hanem azt is, milyen messzire kalandozhat el a pályája az -edik időpontig. Egy martingálra és tetszőleges -ra Doob maximálegyenlőtlensége szerint
A második alak az -változat. Mindkettő érvényes folytonos pályájú martingálokra, például a Brown-mozgásra is, a maximum helyett a -n vett szuprémummal. Példa: az érmedobásos bolyongásra mellett , így annak valószínűsége, hogy a bolyongás 100 lépésen belül valaha 30 távolságra kerül a kiindulóponttól, legfeljebb , és . Az ilyen egyenlőtlenségek teszik jól kezelhetővé a martingálok határértékeit, később pedig az Itô-integrált.
Árak mint martingálok
A martingálok az arbitrázsmentes árazás nyelve. A „Kockázatsemleges valószínűségek” című leckében a részvény alatt a kockázatmentes kamatot hozta várhatóan, ami pontosan azt jelenti, hogy a diszkontált ár martingál alatt. Egy későbbi, a mértékcseréről szóló lecke ugyanebben a témakörben megmutatja, hogyan lehet a valós mértékről, amely alatt ez nem teljesül, áttérni a mértékre, amely alatt igen. Egy ár ekkor egyszerűen a diszkontált kifizetés feltételes várható értéke.
Összefoglalás
- az a -mérhető valószínűségi változó, amelynek átlaga minden -beli eseményen megegyezik átlagával; érvényes rá a linearitás, a toronyszabály, az ismert tényező kiemelése és a függetlenségi szabály.
- Az -re nézve martingál adaptált, integrálható, és (folytonos időben ). és martingál.
- Igazságos játékon előrejelezhető tétekkel fogadva martingáltranszformáltat kapunk: a várható vagyon rögzített időpontban sosem változik.
- Az opcionális megállításhoz, , korlátos megállási idő, dominált megállított folyamat, vagy és korlátos növekmények kellenek; a korlátlan duplázás mindhármat megsérti.
- Doob maximálegyenlőtlensége az egész pályát korlátozza: .
A következő lecke, „A Brown-mozgás tulajdonságai”, részletesen vizsgálja a pályáit, az itt talált és martingálok segítségével.