Penilaian Kumulatif D30 — Formulir B

Identitas, tujuan, dan waktu

Penilaian ini adalah bentuk alternatif Formulir A untuk peran kurikulum O009/D30: Probabilitas Teoretis-Ukuran dan Proses Stokastik. Formulir B mengukur domain, hasil belajar, bobot, dan tingkat pembuktian yang sama melalui objek dan jalur penyelesaian yang berbeda. Kedua formulir tidak dikerjakan bersamaan.

Jawaban numerik tanpa penalaran tidak memperoleh poin penuh. Bila memakai sebuah teorema, sebutkan hipotesis yang membuat pemakaiannya sah. Grafik atau simulasi dapat membantu intuisi, tetapi tidak menggantikan pembuktian probabilistik.

Prasyarat yang boleh dipakai

Modul sampling, hukum bilangan besar (LLN), dan teorema limit pusat (CLT) dari jalur bersama O006/C140 merupakan prasyarat. Peserta boleh memakai hasil berikut tanpa membuktikannya kembali.

  1. SLLN i.i.d. Jika \(Y_1,Y_2,\ldots\) i.i.d. dan \(\mathbb E|Y_1|<\infty\), maka \(\overline Y_n\to\mathbb EY_1\) hampir pasti.
  2. CLT i.i.d. Jika \(Y_1,Y_2,\ldots\) i.i.d., \(\mathbb EY_1=\mu\), dan \(0<\operatorname{Var}(Y_1)=\sigma^2<\infty\), maka \[ \frac{\sqrt n(\overline Y_n-\mu)}{\sigma} \Rightarrow N(0,1). \]
  3. Teorema konvergensi monoton, Fatou, konvergensi terdominasi, sifat dasar nilai harapan bersyarat, teorema kontinuitas Lévy, dan teorema Slutsky boleh dipakai dengan hipotesis yang dinyatakan.
  4. Teorema Vitali. Jika \(W_n\to W\) dalam probabilitas dan \((W_n)_n\) terintegralkan seragam, maka \(W_n\to W\) dalam \(L^1\).
  5. Teorema penghentian opsional boleh dipakai pada waktu henti terbatas. Pelewatan dari \(\tau\wedge n\) ke \(\tau\) tetap harus dibenarkan.
  6. Prinsip refleksi untuk gerak Brown standar boleh dipakai, tetapi hubungan yang diminta pada Soal 7 harus diturunkan dengan jelas.

Prasyarat ini tidak mengizinkan pertukaran limit dan ekspektasi tanpa kendali ekor atau penaikan konvergensi distribusi berdimensi hingga menjadi konvergensi hukum lintasan tanpa keketatan.

Cakupan hasil belajar

Pemetaan berikut sama dengan Formulir A dan menggunakan ID hasil belajar yang stabil.

Soal Domain utama ID hasil belajar yang dinilai
1 probabilitas teoretis-ukuran; mode konvergensi; interpretasi LLN/CLT outcome.o009.distinguish-convergence-modes; outcome.o009.prove-convergence-in-probability; outcome.o009.explain-lln-monte-carlo; outcome.o009.distinguish-evidence-proof
2 nilai harapan bersyarat; disintegrasi; kernel dan versi nol outcome.o009.construct-regular-conditional-distribution; outcome.o009.derive-disintegration-and-null-value-versions; outcome.o009.audit-conditional-version-uniqueness
3 martingal; penghentian; keterintegralan seragam outcome.o009.prove-stopped-martingale; outcome.o009.check-optional-stopping-conditions; outcome.o009.compute-random-time-expectations; outcome.o009.characterize-ui-martingales
4 rantai Markov diskret; periodisitas; hukum limit outcome.o009.compute-discrete-transition-laws; outcome.o009.characterize-markov-periodicity; outcome.o009.solve-finite-limiting-models; outcome.o009.analyze-markov-ergodic-periodic-limits
5 CTMC; generator; semigrup; proses Poisson outcome.o009.construct-markov-kernels; outcome.o009.audit-and-repair-stochastic-process-claims
6 ukuran acak Poisson; hukum bersyarat; penipisan dan superposisi outcome.o009.formulate-poisson-random-measures; outcome.o009.derive-conditional-poisson-point-laws; outcome.o009.analyze-poisson-thinning-superposition
7 gerak Brown; hukum Gaussian; martingal; pencapaian dan penskalaan outcome.o009.characterize-standard-brownian-motion; outcome.o009.solve-brownian-drift-joint-conditional-law; outcome.o009.derive-brownian-hitting-maximum-laws
8 jembatan Brown; versi bersyarat; FDD versus hukum lintasan outcome.o009.construct-brownian-bridges; outcome.o009.solve-brownian-bridge-conditional-law; outcome.o009.audit-fdd-versus-path-law-convergence

Rubrik penskoran umum

Rubrik per soal bersifat otoritatif dan jumlahnya tepat 100 poin. Poin penuh memerlukan kesimpulan benar beserta alasan yang memadai. Secara lintas soal:


Bagian I — Dasar ukuran, limit, dan pengondisian

Soal 1 — Ukuran sampel Poisson, konsistensi, dan CLT (14 poin)

Misalkan \(Y_1,Y_2,\ldots\) i.i.d. dengan \(\mathbb EY_1=\mu\) dan \(0<\operatorname{Var}(Y_1)=\sigma^2<\infty\). Untuk setiap \(n\), misalkan \(N_n\sim\operatorname{Poisson}(n)\), bebas dari seluruh \(Y_k\). Tuliskan \(S_m=\sum_{k=1}^mY_k\) dan \[ \widehat\mu_n= \begin{cases} S_{N_n}/N_n,&N_n>0,\\ 0,&N_n=0. \end{cases} \]

  1. Buktikan \(N_n/n\to1\) dalam \(L^2\) dan dalam probabilitas, serta \(\mathbb P(N_n=0)\to0\). (4 poin)
  2. Dengan fungsi karakteristik, buktikan \[ \frac{S_{N_n}-\mu N_n}{\sigma\sqrt n} \Rightarrow N(0,1). \] (3 poin)
  3. Buktikan \(\widehat\mu_n\to\mu\) dalam probabilitas dan \[ \frac{\sqrt{N_n}(\widehat\mu_n-\mu)}{\sigma} \Rightarrow N(0,1), \] dengan konvensi nol pada \(\{N_n=0\}\). (4 poin)
  4. Jelaskan peran berbeda LLN dan CLT dalam estimasi Monte Carlo. Ketika ukuran sampel yang teramati adalah \(m\), hitung galat kuadrat rata-rata dan galat baku estimator, lalu jelaskan mengapa satu keluaran simulasi bukan bukti kedua teorema. (3 poin)

Rubrik Soal 1

Komponen Poin
Momen Poisson, konvergensi \(L^2\)/probabilitas, dan kejadian nol 4
Fungsi karakteristik majemuk dan limit Gaussian 3
Konsistensi serta normalisasi ukuran sampel acak melalui Slutsky 4
Interpretasi LLN/CLT, galat kuadrat rata-rata, galat baku, dan batas bukti simulasi 3
Petunjuk 1

Gunakan \(\mathbb EN_n=\operatorname{Var}(N_n)=n\). Jika \(\psi(u)=\mathbb E e^{iu(Y_1-\mu)}\), maka \[ \mathbb E\exp\!\left\{ it\frac{S_{N_n}-\mu N_n}{\sigma\sqrt n} \right\} =\exp\!\left[ n\left\{\psi\!\left(\frac{t}{\sigma\sqrt n}\right)-1\right\} \right]. \]

Petunjuk 2

Peubah pada limit fungsi karakteristik bersifat ketat. Pada \(\{N_n>0\}\), faktorkan estimator dengan \(N_n/n\), lalu gunakan Slutsky; peluang kejadian pelengkap adalah \(e^{-n}\).

Jawaban ringkas

\(N_n/n\to1\) dalam \(L^2\) karena variansnya \(1/n\), dan \(\mathbb P(N_n=0)=e^{-n}\). Ekspansi \(\psi(u)=1-\sigma^2u^2/2+o(u^2)\) memberi limit normal untuk jumlah terpusat. Slutsky kemudian memberi \(\widehat\mu_n\to\mu\) dalam probabilitas serta CLT dengan normalisasi \(\sqrt{N_n}\). LLN menjelaskan konsistensi; CLT menjelaskan fluktuasi. Untuk ukuran sampel \(m\), galat kuadrat rata-rata adalah \(\sigma^2/m\) dan galat bakunya \(\sigma/\sqrt m\). Satu simulasi hanyalah satu realisasi.

Penyelesaian lengkap

Momen Poisson memberi \[ \mathbb E\!\left(\frac{N_n}{n}-1\right)^2 =\frac{\operatorname{Var}(N_n)}{n^2} =\frac1n\longrightarrow0. \] Jadi \(N_n/n\to1\) dalam \(L^2\), dan karena itu dalam probabilitas. Selain itu, \(\mathbb P(N_n=0)=e^{-n}\to0\).

Untuk \(W_k=Y_k-\mu\), fungsi karakteristiknya memenuhi \[ \psi(u)=1-\frac{\sigma^2u^2}{2}+o(u^2) \quad(u\to0). \] Independensi \(N_n\) dari sampel dan fungsi pembangkit Poisson memberi \[ \begin{aligned} \mathbb E\exp\!\left\{ it\frac{S_{N_n}-\mu N_n}{\sigma\sqrt n} \right\} &=\exp\!\left[ n\left\{\psi\!\left(\frac{t}{\sigma\sqrt n}\right)-1\right\} \right]\\ &\longrightarrow e^{-t^2/2}. \end{aligned} \] Teorema kontinuitas Lévy menghasilkan limit \(N(0,1)\).

Tuliskan \[ A_n=\frac{S_{N_n}-\mu N_n}{\sigma\sqrt n}, \qquad R_n=\frac{N_n}{n}. \] Pada \(\{N_n>0\}\), \[ \widehat\mu_n-\mu =\frac{\sigma A_n}{\sqrt n\,R_n}. \] Karena \(A_n\) ketat, \(R_n\to1\) dalam probabilitas, dan \(\mathbb P(N_n=0)\to0\), ruas kanan menuju nol dalam probabilitas. Maka \(\widehat\mu_n\to\mu\) dalam probabilitas. Selanjutnya, \[ \frac{\sqrt{N_n}(\widehat\mu_n-\mu)}{\sigma} =A_n\sqrt{\frac n{N_n}} =A_nR_n^{-1/2} \Rightarrow N(0,1) \] pada kejadian \(N_n>0\); konvensi pada kejadian nol tidak mengubah limit.

Untuk ukuran sampel deterministik \(m\), SLLN memberi konsistensi hampir pasti dan CLT memberi pendekatan normal bagi fluktuasi skala \(\sqrt m\). Jika ukuran sampel yang teramati adalah \(m>0\), independensi memberi \[ \mathbb E(\overline Y_m-\mu)^2=\frac{\sigma^2}{m}, \] sehingga galat baku teoretis rataan Monte Carlo adalah \(\sigma/\sqrt m\); secara tipikal \(m\) dekat dengan \(n\). Hasil di atas untuk \(N_n\) secara langsung membuktikan mode yang dinyatakan: probabilitas untuk konsistensi dan distribusi untuk CLT. Penguatan hampir pasti juga tersedia bila seluruh barisan ditempatkan pada satu ruang peluang: batas Chernoff Poisson membuat \(\sum_n\mathbb P(|N_n/n-1|>\varepsilon)<\infty\), sehingga Borel–Cantelli memberi \(N_n/n\to1\) hampir pasti; SLLN kemudian berlaku pada subbarisan acak \(N_n\). Penguatan ini memakai argumen tambahan, bukan semata rantai implikasi dari konvergensi dalam probabilitas. Simulasi dapat mengilustrasikan perilaku, tetapi tidak membuktikan kuantor teorema atas semua ukuran sampel dan realisasi.

Soal 2 — Disintegrasi segitiga dan komposisi kernel (13 poin)

Pada ruang Borel standar, \((X,Y)\) mempunyai kerapatan gabungan \[ f(x,y)=2\mathbf1_{\{0<x<y<1\}} \] terhadap ukuran Lebesgue. Secara bersyarat pada \((X,Y)\), peubah \(Z\in\{0,1\}\) dihasilkan oleh kernel Bernoulli \[ \mathbb P(Z=1\mid X,Y)=Y; \] jadi kernel tersebut hanya bergantung pada \(Y\).

  1. Hitung kerapatan marginal \(X\) dan bangun satu kernel reguler \(K(x,dy)\) untuk hukum \(Y\mid X=x\). (3 poin)
  2. Verifikasi identitas disintegrasi untuk \(K\), lalu hitung \(\mathbb P(Z=1\mid X=x)\) melalui komposisi kernel dan periksa sifat menara bagi fungsi terbatas \(h:\{0,1\}\to\mathbb R\). (4 poin)
  3. Berikan dua pilihan kernel yang berbeda di luar \((0,1)\), tetapi mewakili hukum bersyarat yang sama. Jelaskan ukuran yang menentukan kata “hampir di mana-mana”. (2 poin)
  4. Jelaskan mengapa pemilihan versi \(\mathbb P(Y\in B\mid\mathcal G)\) secara terpisah untuk setiap \(B\) belum tentu membentuk ukuran pada setiap titik. Nyatakan peran sasaran Borel standar dan kelas penentu terhitung. (4 poin)

Rubrik Soal 2

Komponen Poin
Marginal dan kernel ternormalisasi 3
Disintegrasi, komposisi Bernoulli, dan sifat menara 4
Dua versi pada himpunan marginal nol 2
Koherensi ukuran, keberadaan, dan keunikan kernel 4
Petunjuk 1

Integrasikan \(f(x,y)\) terhadap \(y\). Untuk \(0<x<1\), hukum bersyarat adalah hukum seragam pada \((x,1)\).

Petunjuk 2

Gunakan \[ \mathbb E[h(Z)\mid Y=y]=(1-y)h(0)+yh(1). \] Untuk keunikan umum, satukan himpunan nol hanya pada kelas penentu terhitung, lalu gunakan ketunggalan ukuran.

Jawaban ringkas

\[ f_X(x)=2(1-x)\mathbf1_{(0,1)}(x),\qquad K(x,dy)=\frac{\mathbf1_{\{x<y<1\}}}{1-x}\,dy \] untuk \(0<x<1\). Komposisi memberi \(\mathbb P(Z=1\mid X=x)=(1+x)/2\). Nilai \(K\) di luar dukungan \(X\) bebas dipilih secara terukur dan semua pilihan tersebut sama \(\mathbb P_X\)-hampir di mana-mana. Sasaran Borel standar memberi kernel koheren; kelas penentu terhitung memberi satu himpunan nol bersama untuk keunikan sebagai ukuran.

Penyelesaian lengkap

Integrasi pada penampang \(x<y<1\) memberi \[ f_X(x)=\int_x^1 2\,dy=2(1-x), \qquad 0<x<1. \] Jadi satu versi kernel adalah \[ K(x,A)=\frac{\lambda(A\cap(x,1))}{1-x}, \qquad 0<x<1, \] dan, misalnya, \(K(x,\cdot)=\delta_0\) di luar \((0,1)\). Untuk himpunan Borel \(C,D\), \[ \begin{aligned} \int_C K(x,D)\,\mathbb P_X(dx) &=\int_{C\cap(0,1)} \frac{\lambda(D\cap(x,1))}{1-x}\,2(1-x)\,dx\\ &=\int_C\int_D2\mathbf1_{\{0<x<y<1\}}\,dy\,dx\\ &=\mathbb P(X\in C,Y\in D). \end{aligned} \] Ini memverifikasi disintegrasi.

Komposisi dengan kernel Bernoulli memberi \[ \mathbb P(Z=1\mid X=x) =\int_x^1y\,\frac{dy}{1-x} =\frac{1+x}{2}. \] Jika \(g(y)=(1-y)h(0)+yh(1)\), maka \[ \begin{aligned} \mathbb E[g(Y)\mid X=x] &=h(0)\left(1-\frac{1+x}{2}\right) +h(1)\frac{1+x}{2}, \end{aligned} \] tepat nilai harapan \(h\) di bawah hukum Bernoulli dengan parameter \((1+x)/2\). Jadi sifat menara berlaku.

Ganti pilihan di luar \((0,1)\) dari \(\delta_0\) menjadi, misalnya, \(\delta_1\). Kedua kernel berbeda titik demi titik, tetapi himpunan tempat mereka berbeda mempunyai ukuran \(\mathbb P_X\) nol. Karena disintegrasi mengintegralkan terhadap \(\mathbb P_X\), keduanya mewakili hukum bersyarat yang sama.

Untuk satu \(B\) tetap, \(\mathbb E[\mathbf1_{\{Y\in B\}}\mid\mathcal G]\) hanya ditentukan modulo himpunan nol yang dapat bergantung pada \(B\). Pilihan terpisah bagi tak terhitung banyak \(B\) belum tentu aditif terhitung pada satu \(\omega\). Pada sasaran Borel standar tersedia satu distribusi bersyarat reguler \(K(\omega,\cdot)\) yang koheren. Jika dua kernel mewakili hukum yang sama, samakan dahulu keduanya pada kelas penentu terhitung. Gabungan terhitung himpunan nolnya tetap nol; di luar gabungan itu, ketunggalan ukuran memperluas kesamaan ke seluruh aljabar-σ sasaran.


Bagian II — Martingal dan penghentian

Soal 3 — Gerak acak bias, martingal eksponensial, dan waktu keluar (14 poin)

Misalkan \(0<p<1\), \(p\ne1/2\), \(q=1-p\), dan \(\xi_1,\xi_2,\ldots\) i.i.d. dengan \(\mathbb P(\xi_k=1)=p\) dan \(\mathbb P(\xi_k=-1)=q\). Tetapkan \(S_0=0\), \(S_n=\sum_{k=1}^n\xi_k\), serta \(\mathcal F_n=\sigma(\xi_1,\ldots,\xi_n)\). Untuk \(a,b\in\mathbb N_{\ge1}\), definisikan \[ \tau=\inf\{n\ge0:S_n\in\{-a,b\}\}, \qquad r=\frac qp. \]

  1. Buktikan \(M_n=r^{S_n}\) adalah martingal dan \((M_{n\wedge\tau})_{n\ge0}\) adalah martingal berhenti. (3 poin)
  2. Buktikan \(\tau\) mempunyai ekor geometrik, tunjukkan keluarga \((M_{n\wedge\tau})_n\) terintegralkan seragam, lalu hitung \(u=\mathbb P(S_\tau=b)\). (4 poin)
  3. Gunakan martingal \(S_n-(p-q)n\) untuk menghitung \(\mathbb E\tau\). Benarkan pelewatan limit. (4 poin)
  4. Dengan SLLN, buktikan \(M_n\to0\) hampir pasti dan simpulkan bahwa martingal nonnegatif \((M_n)\) tidak terintegralkan seragam walaupun \(\mathbb EM_n=1\). (3 poin)

Rubrik Soal 3

Komponen Poin
Martingal eksponensial dan pembuktian martingal berhenti 3
Ekor geometrik, keterintegralan seragam, dan peluang batas atas 4
Martingal hanyutan dan nilai harapan waktu keluar 4
Limit hampir pasti dan diagnosis kegagalan UI 3
Petunjuk 1

Periksa \(pr+qr^{-1}=1\). Untuk proses berhenti, tulis inkremennya sebagai \(\mathbf1_{\{\tau>n\}}(M_{n+1}-M_n)\). Dari setiap keadaan interior, satu urutan semua langkah ke kanan atau semua langkah ke kiri mencapai batas dalam paling banyak \(a+b\) langkah.

Petunjuk 2

Gunakan \[ 1=\mathbb EM_\tau=ur^b+(1-u)r^{-a}. \] Untuk waktu rata-rata, hitung \(\mathbb ES_\tau=bu-a(1-u)\). Untuk limit martingal tanpa penghentian, periksa tanda \((p-q)\log(q/p)\).

Jawaban ringkas

\[ u=\frac{1-r^a}{1-r^{a+b}}, \qquad \mathbb E\tau=\frac{(a+b)u-a}{p-q}. \] Proses \(M_{n\wedge\tau}\) dibatasi seragam, sehingga merupakan martingal terintegralkan seragam dan limit penghentiannya sah. Sebaliknya, \((p-q)\log(q/p)<0\), sehingga \(M_n\to0\) hampir pasti sementara \(\mathbb EM_n=1\); jadi \((M_n)\) tidak terintegralkan seragam.

Penyelesaian lengkap

Karena \(\xi_{n+1}\) bebas dari \(\mathcal F_n\), \[ \mathbb E(M_{n+1}\mid\mathcal F_n) =r^{S_n}\mathbb E(r^{\xi_{n+1}}) =r^{S_n}(pr+qr^{-1}) =M_n. \] Jadi \(M\) martingal. Selanjutnya, \[ M_{(n+1)\wedge\tau}-M_{n\wedge\tau} =\mathbf1_{\{\tau>n\}}(M_{n+1}-M_n). \] Indikator itu \(\mathcal F_n\)-terukur, sehingga ekspektasi bersyarat inkremennya nol. Maka \((M_{n\wedge\tau})_n\) martingal.

Ambil \(c=\min(p,q)^{a+b}>0\). Dari setiap keadaan interior, peluang mengikuti urutan langkah yang mencapai salah satu batas dalam \(a+b\) langkah paling sedikit \(c\). Dengan sifat Markov, \[ \mathbb P(\tau>k(a+b))\le(1-c)^k. \] Jadi \(\tau<\infty\) hampir pasti dan \(\mathbb E\tau<\infty\). Sebelum dan pada waktu keluar, \(S_{n\wedge\tau}\in[-a,b]\). Karena himpunan ini berhingga, \(M_{n\wedge\tau}\) dibatasi oleh konstanta deterministik; keluarga tersebut terintegralkan seragam. Maka \[ 1=\mathbb EM_0=\mathbb EM_\tau =ur^b+(1-u)r^{-a}. \] Penyelesaian memberi \[ u=\frac{1-r^{-a}}{r^b-r^{-a}} =\frac{1-r^a}{1-r^{a+b}}. \]

Proses \(L_n=S_n-(p-q)n\) adalah martingal karena \(\mathbb E\xi_{n+1}=p-q\). Penghentian pada \(\tau\wedge n\) memberi \[ \mathbb ES_{\tau\wedge n}=(p-q)\mathbb E(\tau\wedge n). \] Ruas kiri menuju \(\mathbb ES_\tau\) dengan konvergensi terdominasi karena \(|S_{\tau\wedge n}|\le\max(a,b)\); ruas kanan menuju \((p-q)\mathbb E\tau\) dengan konvergensi monoton. Karena \[ \mathbb ES_\tau=bu-a(1-u)=(a+b)u-a, \] diperoleh \[ \mathbb E\tau=\frac{(a+b)u-a}{p-q}. \] Pembilang dan penyebut mempunyai tanda sama, sehingga hasilnya positif.

SLLN memberi \(S_n/n\to p-q\) hampir pasti. Karena \[ \frac1n\log M_n=\frac{S_n}{n}\log(q/p) \longrightarrow(p-q)\log(q/p)<0, \] maka \(M_n\to0\) hampir pasti. Namun sifat martingal memberi \(\mathbb EM_n=1\) untuk semua \(n\). Jika \((M_n)\) terintegralkan seragam, Vitali akan memberi konvergensi \(L^1\) ke nol dan memaksa \(\mathbb EM_n\to0\), suatu kontradiksi. Jadi keterbatasan \(L^1\) melalui rataan satu tidak cukup untuk UI.


Bagian III — Markov, CTMC, dan Poisson

Soal 4 — Rantai periodik tiga kelas siklik (12 poin)

Pada ruang keadaan \(E=\{0,1,2,3\}\), pertimbangkan rantai Markov homogen dengan \[ P= \begin{pmatrix} 0&\tfrac12&\tfrac12&0\\ 0&0&0&1\\ 0&0&0&1\\ 1&0&0&0 \end{pmatrix}. \]

  1. Hitung \(P^2\) dan tunjukkan bahwa rantai tak tereduksi. (3 poin)
  2. Tentukan periode semua keadaan dengan dekomposisi kelas siklik. (2 poin)
  3. Tentukan distribusi stasioner tunggal \(\pi\). (3 poin)
  4. Jika \(X_0=0\), tentukan tiga limit subsekuens \(\mathcal L(X_{3n+j})\), \(j=0,1,2\), dan limit Cesàro hukum waktu. Jelaskan mengapa hukum waktu biasa tidak konvergen. (4 poin)

Rubrik Soal 4

Komponen Poin
\(P^2\) dan komunikasi seluruh keadaan 3
Periode tiga dan kelas siklik 2
Persamaan invarian dan normalisasi 3
Tiga limit subsekuens, limit Cesàro, dan diagnosis periodisitas 4
Petunjuk 1

Gunakan kelas siklik \(\{0\}\to\{1,2\}\to\{3\}\to\{0\}\). Waktu kembali harus merupakan kelipatan tiga, dan kembali dalam tiga langkah mempunyai peluang positif.

Petunjuk 2

Dari \(0\), hukum pada tiga waktu pertama adalah \(\delta_0\), \((0,1/2,1/2,0)\), dan \(\delta_3\); pola itu berulang.

Jawaban ringkas

\[ P^2= \begin{pmatrix} 0&0&0&1\\ 1&0&0&0\\ 1&0&0&0\\ 0&\tfrac12&\tfrac12&0 \end{pmatrix}. \] Rantai tak tereduksi dan berperiode tiga. Distribusi stasionernya \(\pi=(1/3,1/6,1/6,1/3)\). Dari \(0\), tiga hukum subsekuens berturut-turut adalah \(\delta_0\), \((0,1/2,1/2,0)\), dan \(\delta_3\); rata-rata Cesàro menuju \(\pi\), tetapi hukum biasa berosilasi.

Penyelesaian lengkap

Perkalian langsung memberi \[ P^2= \begin{pmatrix} 0&0&0&1\\ 1&0&0&0\\ 1&0&0&0\\ 0&\tfrac12&\tfrac12&0 \end{pmatrix}. \] Dari \(0\) rantai mencapai \(1\) dan \(2\); keduanya mencapai \(3\), lalu \(3\) mencapai \(0\). Jadi setiap keadaan dapat mencapai semua keadaan lain, sehingga rantai tak tereduksi.

Transisi selalu bergerak melalui tiga kelas \[ C_0=\{0\},\qquad C_1=\{1,2\},\qquad C_2=\{3\} \] secara siklik. Waktu kembali harus habis dibagi tiga. Kembali dalam tiga langkah mempunyai peluang positif dari setiap keadaan, sehingga gcd waktu kembali adalah tiga dan semua keadaan berperiode tiga.

Jika \(\pi=(\pi_0,\pi_1,\pi_2,\pi_3)\), persamaan \(\pi P=\pi\) memberi \[ \pi_1=\tfrac12\pi_0,\quad \pi_2=\tfrac12\pi_0,\quad \pi_3=\pi_1+\pi_2=\pi_0,\quad \pi_0=\pi_3. \] Normalisasi menghasilkan \[ \pi=(\tfrac13,\tfrac16,\tfrac16,\tfrac13). \]

Karena \(P^3\) membawa \(\delta_0\) kembali ke \(\delta_0\), untuk setiap \(n\ge0\), \[ \mathcal L(X_{3n})=\delta_0,\quad \mathcal L(X_{3n+1})=(0,\tfrac12,\tfrac12,0),\quad \mathcal L(X_{3n+2})=\delta_3. \] Ketiga limit berbeda, sehingga tidak ada limit waktu biasa. Masing-masing kelas residu mempunyai frekuensi asimtotik \(1/3\); karena itu \[ \frac1N\sum_{k=0}^{N-1}\mathcal L(X_k) \longrightarrow \tfrac13\delta_0 +\tfrac13(0,\tfrac12,\tfrac12,0) +\tfrac13\delta_3 =\pi. \] Ketunggalan distribusi stasioner tidak menghapus osilasi akibat periodisitas.

Soal 5 — CTMC tiga keadaan dan uniformisasi Poisson (13 poin)

Sebuah CTMC pada \(E=\{0,1,2\}\) mempunyai generator \[ Q=\lambda \begin{pmatrix} -1&1&0\\ 1&-2&1\\ 0&1&-1 \end{pmatrix}, \qquad \lambda>0. \]

  1. Tentukan laju keluar, hukum waktu tunggu, dan rantai lompatan tertanam. Buktikan proses tidak meledak. (3 poin)
  2. Dengan vektor eigen \((1,1,1)\), \((1,0,-1)\), dan \((1,-2,1)\), hitung \(P_t=e^{tQ}\) secara eksplisit. (4 poin)
  3. Tentukan distribusi invarian dan limit \(P_t\). Jelaskan mengapa kesimpulan ketidakmeledakan ini tidak mengikuti dari setiap matriks intensitas formal pada ruang keadaan tak hingga. (3 poin)
  4. Ambil \(R=I+Q/(2\lambda)\). Buktikan \[ P_t=e^{-2\lambda t} \sum_{n=0}^{\infty}\frac{(2\lambda t)^n}{n!}R^n \] dan tafsirkan rumus tersebut dengan jam Poisson. (3 poin)

Rubrik Soal 5

Komponen Poin
Laju, waktu tunggu, rantai tertanam, dan ketidakmeledakan 3
Dekomposisi spektral dan semigrup eksplisit 4
Invariansi, limit, serta audit ruang keadaan tak hingga 3
Uniformisasi dan interpretasi jam Poisson 3
Petunjuk 1

Ketiga nilai eigen \(Q\) adalah \(0,-\lambda,-3\lambda\). Vektor yang diberikan saling ortogonal dengan kuadrat norma \(3,2,6\).

Petunjuk 2

Karena \(Q=2\lambda(R-I)\), pisahkan dua eksponensial matriks yang saling komutatif. Periksa bahwa \(R\) stokastik; lompatan semu boleh berupa tinggal di keadaan yang sama.

Jawaban ringkas

Laju keluar di \(0,1,2\) adalah \(\lambda,2\lambda,\lambda\), dan rantai tertanam bergerak \(0\to1\), \(2\to1\), serta dari \(1\) ke \(0\) atau \(2\) dengan peluang \(1/2\). Jika \(x=e^{-\lambda t}\) dan \(y=e^{-3\lambda t}\), maka \[ P_t= \begin{pmatrix} \frac13+\frac x2+\frac y6&\frac13-\frac y3&\frac13-\frac x2+\frac y6\\ \frac13-\frac y3&\frac13+\frac{2y}3&\frac13-\frac y3\\ \frac13-\frac x2+\frac y6&\frac13-\frac y3&\frac13+\frac x2+\frac y6 \end{pmatrix}. \] Distribusi invarian adalah seragam dan setiap baris menuju seragam. Uniformisasi memakai jam Poisson berlaju \(2\lambda\) dan matriks langkah \(R\).

Penyelesaian lengkap

Laju keluar adalah \(-q_{ii}\). Jadi waktu tunggu di \(0\) dan \(2\) berdistribusi \(\operatorname{Exp}(\lambda)\), sedangkan di \(1\) berdistribusi \(\operatorname{Exp}(2\lambda)\). Setelah meninggalkan \(0\) atau \(2\), proses pasti menuju \(1\); setelah meninggalkan \(1\), ia menuju \(0\) atau \(2\) dengan peluang sama. Semua laju keluar dibatasi di atas oleh \(2\lambda\). Uniformisasi, atau dominasi jumlah lompatan oleh proses Poisson berlaju \(2\lambda\), menunjukkan bahwa jumlah lompatan pada selang waktu terbatas hampir pasti berhingga.

Normalisasi proyeksi ortogonal pada ketiga ruang eigen memberi \[ P_t= \frac13 \begin{pmatrix}1&1&1\\1&1&1\\1&1&1\end{pmatrix} +\frac{x}{2} \begin{pmatrix}1&0&-1\\0&0&0\\-1&0&1\end{pmatrix} +\frac{y}{6} \begin{pmatrix}1&-2&1\\-2&4&-2\\1&-2&1\end{pmatrix}, \] dengan \(x=e^{-\lambda t}\) dan \(y=e^{-3\lambda t}\). Jadi \[ P_t= \begin{pmatrix} \frac13+\frac x2+\frac y6&\frac13-\frac y3&\frac13-\frac x2+\frac y6\\ \frac13-\frac y3&\frac13+\frac{2y}3&\frac13-\frac y3\\ \frac13-\frac x2+\frac y6&\frac13-\frac y3&\frac13+\frac x2+\frac y6 \end{pmatrix}. \] Pada \(t=0\), matriks ini adalah \(I\), dan turunannya di nol adalah \(Q\). Karena dibangun sebagai \(e^{tQ}\), ia memenuhi persamaan Kolmogorov dan sifat semigrup.

Matriks \(Q\) simetris dan jumlah setiap kolomnya nol, sehingga \[ \pi=(\tfrac13,\tfrac13,\tfrac13) \] memenuhi \(\pi Q=0\). Ketika \(t\to\infty\), \(x,y\to0\) dan setiap baris \(P_t\) menuju \(\pi\). Bukti ketidakmeledakan di atas bergantung pada batas seragam laju keluar. Pada ruang keadaan tak hingga, laju dapat tak terbatas dan waktu tunggu dapat berakumulasi dalam waktu berhingga. Karena itu matriks intensitas formal belum menjamin proses konservatif, ketidakmeledakan, domain operator yang sesuai, atau keunikan kelas solusi.

Perhitungan langsung memberi \[ R=I+\frac{Q}{2\lambda} = \begin{pmatrix} \tfrac12&\tfrac12&0\\ \tfrac12&0&\tfrac12\\ 0&\tfrac12&\tfrac12 \end{pmatrix}, \] sebuah matriks stokastik. Karena \(Q=2\lambda(R-I)\), \[ \begin{aligned} e^{tQ} &=e^{2\lambda t(R-I)} =e^{-2\lambda t}e^{2\lambda tR}\\ &=e^{-2\lambda t} \sum_{n=0}^{\infty}\frac{(2\lambda t)^n}{n!}R^n. \end{aligned} \] Artinya, jam Poisson berlaju \(2\lambda\) menghasilkan calon waktu lompatan; pada setiap calon waktu, keadaan diperbarui menurut \(R\). Di keadaan ujung, sebagian calon lompatan adalah lompatan semu yang mempertahankan keadaan.

Soal 6 — Lokasi bersyarat, penandaan, dan superposisi Poisson (10 poin)

Misalkan \(N\) adalah ukuran acak Poisson pada \((E,\mathcal E)\) dengan ukuran intensitas σ-terhingga \(\nu\). Ambil \(A\in\mathcal E\) dengan \(0<\nu(A)<\infty\), dan partisi terukur \(A=A_1\sqcup\cdots\sqcup A_k\). Bersyarat pada \(N\), setiap atom yang terletak di \(x\) ditandai merah secara independen dengan probabilitas \(p(x)\), dengan \(p:E\to[0,1]\) terukur, dan ditandai biru selainnya.

  1. Turunkan fungsional Laplace \(N\) dan gunakan untuk menghitung \(\mathbb EN(A)\) serta \(\operatorname{Var}N(A)\). (3 poin)
  2. Buktikan bahwa, bersyarat pada \(N(A)=m\), lokasi \(m\) titik bersifat i.i.d. dengan hukum \(\nu(\cdot\cap A)/\nu(A)\). Turunkan hukum multinomial vektor \((N(A_1),\ldots,N(A_k))\). (3 poin)
  3. Buktikan ukuran merah dan biru independen dengan intensitas \(p\nu\) dan \((1-p)\nu\). Jika \(\widetilde N\) adalah ukuran acak Poisson independen berintensitas \(\eta\), buktikan \(N+\widetilde N\) berintensitas \(\nu+\eta\). (3 poin)
  4. Nyatakan nilai \(N(C)\) hampir pasti bila \(\nu(C)=\infty\), dan kualifikasikan istilah “hingga secara lokal”. (1 poin)

Rubrik Soal 6

Komponen Poin
Fungsional Laplace dan dua momen 3
Hukum lokasi bersyarat dan multinomial 3
Penandaan independen dan superposisi 3
Intensitas tak hingga dan syarat lokal 1
Petunjuk 1

Untuk \(f\ge0\), \[ \mathbb E e^{-\int f\,dN} =\exp\!\left\{-\int(1-e^{-f})\,d\nu\right\}. \] Bersyarat pada jumlah total \(m\), bandingkan peluang hitungan partisi dengan peluang Poisson independen sebelum pengondisian.

Petunjuk 2

Satu titik di \(x\) menyumbang \(p(x)e^{-f(x)}+(1-p(x))e^{-g(x)}\) pada fungsional Laplace bersama. Untuk superposisi, gunakan independensi untuk mengalikan dua fungsional Laplace.

Jawaban ringkas

\[ \mathbb E e^{-\int f\,dN} =\exp\!\left\{-\int(1-e^{-f})\,d\nu\right\}, \qquad \mathbb EN(A)=\operatorname{Var}N(A)=\nu(A). \] Bersyarat pada \(N(A)=m\), lokasi i.i.d. menurut \(\nu(\cdot\cap A)/\nu(A)\), sehingga hitungan partisi multinomial dengan peluang \(\nu(A_j)/\nu(A)\). Penandaan memberi dua ukuran acak Poisson independen berintensitas \(p\nu\) dan \((1-p)\nu\); superposisi independen menjumlahkan intensitas. Jika \(\nu(C)=\infty\), maka \(N(C)=\infty\) hampir pasti.

Penyelesaian lengkap

Karena \(\nu\) σ-terhingga, pilih \(E_1\subseteq E_2\subseteq\cdots\uparrow E\) dengan \(\nu(E_r)<\infty\). Mula-mula ambil fungsi sederhana nonnegatif \(f=\sum_jc_j\mathbf1_{C_j}\) yang didukung oleh suatu \(E_r\), dengan himpunan \(C_j\) saling lepas; khususnya \(\nu(C_j)<\infty\). Independensi hitungan Poisson memberi \[ \begin{aligned} \mathbb E e^{-\int f\,dN} &=\prod_j \mathbb E e^{-c_jN(C_j)}\\ &=\exp\!\left\{ -\sum_j(1-e^{-c_j})\nu(C_j) \right\}\\ &=\exp\!\left\{-\int(1-e^{-f})\,d\nu\right\}. \end{aligned} \] Untuk \(f\ge0\) terukur yang sebarang, aproksimasikan \(f\) dari bawah oleh fungsi sederhana yang dipotong pada \(E_r\). Konvergensi monoton pada integral dan konvergensi terbatas pada ekspektasi memperluas rumus tersebut ke semua \(f\ge0\), termasuk ketika ruas kanan bernilai nol karena eksponennya tak hingga. Untuk \(a=\nu(A)<\infty\), transformasi Laplace \[ L_A(t)=\mathbb E e^{-tN(A)}=\exp\{-a(1-e^{-t})\} \] memenuhi \(L_A'(0)=-a\) dan \(L_A''(0)=a+a^2\). Karena \(\mathbb EN(A)=-L_A'(0)\) dan \(\mathbb E[N(A)^2]=L_A''(0)\), diperoleh \(\mathbb EN(A)=a\) dan \(\operatorname{Var}N(A)=a+a^2-a^2=a\).

Untuk bilangan bulat taknegatif \(m_1,\ldots,m_k\) dengan \(\sum_jm_j=m\), independensi sebelum pengondisian memberi \[ \begin{aligned} &\mathbb P\!\left( N(A_j)=m_j,\ 1\le j\le k\mid N(A)=m \right)\\ &\quad= \frac{m!}{m_1!\cdots m_k!} \prod_{j=1}^k \left(\frac{\nu(A_j)}{\nu(A)}\right)^{m_j}. \end{aligned} \] Ini adalah hukum multinomial dan sama dengan hukum hitungan dari \(m\) lokasi i.i.d. yang masing-masing mempunyai distribusi \(\nu(\cdot\cap A)/\nu(A)\). Identitas pada semua partisi berhingga menentukan hukum lokasi bersyarat tersebut.

Tuliskan \(N_R,N_B\) untuk ukuran merah dan biru. Untuk \(f,g\ge0\), rumus eksponensial Poisson memberi \[ \begin{aligned} &\mathbb E\exp\!\left\{-\int f\,dN_R-\int g\,dN_B\right\}\\ &\quad= \exp\!\left[ -\int\{1-pe^{-f}-(1-p)e^{-g}\}\,d\nu \right]\\ &\quad= \exp\!\left\{-\int(1-e^{-f})p\,d\nu\right\} \exp\!\left\{-\int(1-e^{-g})(1-p)\,d\nu\right\}. \end{aligned} \] Faktorisasi membuktikan independensi dan mengidentifikasi intensitas \(p\nu\) serta \((1-p)\nu\). Jika \(\widetilde N\) independen dari \(N\), \[ \begin{aligned} \mathbb E e^{-\int f\,d(N+\widetilde N)} &=\mathbb E e^{-\int f\,dN} \mathbb E e^{-\int f\,d\widetilde N}\\ &=\exp\!\left\{-\int(1-e^{-f})\,d(\nu+\eta)\right\}, \end{aligned} \] sehingga superposisinya merupakan ukuran acak Poisson berintensitas \(\nu+\eta\).

Jika \(\nu(C)=\infty\), pilih \(C_m\uparrow C\) dengan \(\nu(C_m)<\infty\) dan \(\nu(C_m)\to\infty\). Untuk setiap \(K\), \[ \mathbb P(N(C)\le K) \le\mathbb P(N(C_m)\le K)\longrightarrow0. \] Jadi \(N(C)=\infty\) hampir pasti. “Hingga secara lokal” hanya bermakna setelah kelas lokal—misalnya himpunan relatif kompak—ditentukan, dan memerlukan \(\nu\) hingga pada kelas itu.


Bagian IV — Gerak Brown dan hukum lintasan

Soal 7 — Gerak Brown dengan hanyutan dan transformasi waktu kena (14 poin)

Misalkan \(B=(B_t)_{t\ge0}\) gerak Brown standar, \[ X_t=B_t+\mu t,\qquad \tau_a=\inf\{t\ge0:X_t=a\}, \] dengan \(a>0\). Ambil \(0<s<t\).

  1. Tentukan hukum Gaussian bersama \((X_s,X_t)\), termasuk vektor rataan, matriks kovarians, dan hukum \(X_t\mid X_s=x\). (4 poin)
  2. Untuk \(r\in\mathbb R\), buktikan \[ M_t(r)=\exp\{rX_t-(\mu r+r^2/2)t\} \] adalah martingal terhadap filtrasi alami Brown yang dilengkapi dan kontinu kanan. (3 poin)
  3. Untuk \(\lambda\ge0\), tentukan \(\mathbb E[e^{-\lambda\tau_a};\tau_a<\infty]\), lalu turunkan \(\mathbb P(\tau_a<\infty)\). Berikan batas eksplisit bagi suku sisa pada penghentian. (4 poin)
  4. Buktikan \(c^{-1/2}B_{ct}\) adalah gerak Brown standar untuk \(c>0\). Untuk \(\mu=0\), turunkan \(T_a\overset d=a^2T_1\) dan, dengan prinsip refleksi, \[ \mathbb P\!\left(\sup_{0\le u\le t}B_u\ge a\right) =2\left[1-\Phi\!\left(\frac a{\sqrt t}\right)\right]. \] (3 poin)

Rubrik Soal 7

Komponen Poin
Hukum Gaussian bersama dan bersyarat 4
Martingal eksponensial dengan ekspektasi bersyarat 3
Transformasi Laplace, batas sisa, dan peluang pencapaian 4
Penskalaan Brown, waktu kena, dan hukum maksimum 3
Petunjuk 1

Gunakan \(X_t=X_s+\mu(t-s)+(B_t-B_s)\). Untuk transformasi Laplace, pilih \[ r=-\mu+\sqrt{\mu^2+2\lambda}, \] sehingga \(\mu r+r^2/2=\lambda\).

Petunjuk 2

Pada \(\{\tau_a>n\}\), kontinuitas memberi \(X_n<a\). Karena \(r\ge0\), \[ 0\le\mathbb E[M_n(r);\tau_a>n]\le e^{ra-\lambda n} \] ketika \(\lambda>0\). Untuk penskalaan, periksa kontinuitas, Gaussianitas, inkremen stasioner, dan independensi inkremen.

Jawaban ringkas

\[ (X_s,X_t)\sim N\!\left( \binom{\mu s}{\mu t}, \begin{pmatrix}s&s\\s&t\end{pmatrix} \right), \qquad X_t\mid X_s=x\sim N(x+\mu(t-s),t-s). \] Proses \(M(r)\) adalah martingal, dan \[ \mathbb E[e^{-\lambda\tau_a};\tau_a<\infty] =\exp\!\left\{a\left(\mu-\sqrt{\mu^2+2\lambda}\right)\right\}. \] Peluang pencapaian adalah satu untuk \(\mu\ge0\) dan \(e^{2\mu a}\) untuk \(\mu<0\). Penskalaan Brown memberi \(T_a\overset d=a^2T_1\), sedangkan prinsip refleksi memberi hukum maksimum yang dinyatakan.

Penyelesaian lengkap

Vektor \((X_s,X_t)\) Gaussian dengan rataan \((\mu s,\mu t)\). Karena \(\operatorname{Cov}(B_s,B_t)=s\), \[ \operatorname{Cov}(X_s,X_t) = \begin{pmatrix} s&s\\ s&t \end{pmatrix}. \] Identitas \[ X_t=X_s+\mu(t-s)+(B_t-B_s) \] dan kebebasan \(B_t-B_s\) dari \(\mathcal F_s\) memberi \[ X_t\mid X_s=x\sim N(x+\mu(t-s),t-s). \]

Karena \[ M_t(r)=\exp\{rB_t-r^2t/2\}, \] untuk \(u<t\), \[ \frac{M_t(r)}{M_u(r)} =\exp\{r(B_t-B_u)-r^2(t-u)/2\}. \] Faktor ini bebas dari \(\mathcal F_u\) dan mempunyai rataan satu menurut fungsi pembangkit momen normal. Jadi \(\mathbb E[M_t(r)\mid\mathcal F_u]=M_u(r)\).

Untuk \(\lambda>0\), ambil \[ r=-\mu+\sqrt{\mu^2+2\lambda}>0. \] Penghentian pada \(\tau_a\wedge n\) sah karena waktunya terbatas dan peubah berhenti dibatasi oleh \(e^{ra}\). Maka \[ 1= \mathbb E[e^{ra-\lambda\tau_a};\tau_a\le n] +\mathbb E[M_n(r);\tau_a>n]. \] Pada kejadian \(\{\tau_a>n\}\), berlaku \(X_n<a\), sehingga \[ 0\le\mathbb E[M_n(r);\tau_a>n] \le e^{ra-\lambda n}\longrightarrow0. \] Konvergensi monoton pada suku pencapaian memberi \[ \mathbb E[e^{-\lambda\tau_a};\tau_a<\infty] =e^{-ra} =\exp\!\left\{ a\left(\mu-\sqrt{\mu^2+2\lambda}\right) \right\}. \] Membiarkan \(\lambda\downarrow0\), sekali lagi dengan konvergensi monoton, memberi \[ \mathbb P(\tau_a<\infty) = \begin{cases} 1,&\mu\ge0,\\ e^{2\mu a},&\mu<0. \end{cases} \]

Untuk \(W_t=c^{-1/2}B_{ct}\), lintasan kontinu, \(W_0=0\), dan \[ W_t-W_s=c^{-1/2}(B_{ct}-B_{cs})\sim N(0,t-s). \] Inkremen pada selang terpisah tetap independen. Jadi \(W\) memenuhi karakterisasi gerak Brown standar. Untuk \(\mu=0\), \[ T_a=\inf\{t:B_t=a\} \overset d= a^2\inf\{u:a^{-1}B_{a^2u}=1\} =a^2T_1. \] Kontinuitas lintasan dan prinsip refleksi selanjutnya memberi \[ \begin{aligned} \mathbb P\!\left(\sup_{0\le u\le t}B_u\ge a\right) &=\mathbb P(T_a\le t)\\ &=2\mathbb P(B_t\ge a) =2\left[1-\Phi\!\left(\frac a{\sqrt t}\right)\right]. \end{aligned} \]

Soal 8 — Jembatan Brown dan puncak deterministik bergerak (10 poin)

Definisikan \[ \beta_t=B_t-tB_1,\qquad 0\le t\le1. \] Untuk \(n\ge2\), definisikan pula fungsi deterministik kontinu \[ z_n(t)=\bigl(1-n|t-1/n|\bigr)_+,\qquad 0\le t\le1. \]

  1. Buktikan \(\beta\) Gaussian terpusat dengan kovarians \(K(u,v)=\min(u,v)-uv\), serta buktikan \(\beta\) bebas dari \(B_1\). Jelaskan hubungannya dengan satu versi hukum \(B\mid B_1=0\). (4 poin)
  2. Untuk \(0<s<t<1\), tentukan hukum \(\beta_t\mid\beta_s=x\). (2 poin)
  3. Buktikan semua distribusi berdimensi hingga \(z_n\) konvergen ke proses nol, tetapi \(\delta_{z_n}\) tidak konvergen lemah ke \(\delta_0\) dalam \(C[0,1]\). Buktikan secara eksplisit bahwa keluarga tersebut tidak ketat. (3 poin)
  4. Nyatakan dua gerbang yang diperlukan untuk menaikkan CLT berdimensi hingga gerak acak menjadi teorema Donsker pada ruang lintasan. (1 poin)

Rubrik Soal 8

Komponen Poin
Gaussianitas, kovarians, independensi, dan versi jembatan 4
Hukum Gaussian bersyarat jembatan 2
FDD, kegagalan norma supremum, dan bukti tidak ketat 3
Topologi lintasan dan keketatan untuk Donsker 1
Petunjuk 1

Hitung \(K(s,s)\), \(K(t,t)\), dan \(K(s,t)\). Kovarians \(\operatorname{Cov}(\beta_t,B_1)\) adalah nol; gunakan Gaussianitas bersama.

Petunjuk 2

Untuk setiap \(t\) tetap, \(z_n(t)\) akhirnya nol, tetapi \(\|z_n\|_\infty=1\). Jika \(1/n\le\delta\), bandingkan nilai pada \(0\) dan \(1/n\) dalam modulus kontinuitas \(w(z_n,\delta)\).

Jawaban ringkas

\(\beta\) Gaussian terpusat dengan kovarians \(\min(u,v)-uv\) dan bebas dari \(B_1\); karena itu hukumnya merupakan versi alami hukum lintasan Brown bersyarat pada \(B_1=0\). Untuk \(s<t\), \[ \beta_t\mid\beta_s=x \sim N\!\left( \frac{1-t}{1-s}x,\, \frac{(t-s)(1-t)}{1-s} \right). \] Semua FDD \(z_n\) menuju nol, tetapi norma supremumnya tetap satu dan modulus kontinuitasnya gagal seragam, sehingga hukum lintasannya tidak ketat. Donsker memerlukan topologi ruang lintasan yang dinyatakan serta keketatan, selain konvergensi FDD.

Penyelesaian lengkap

Setiap vektor nilai \(\beta\) adalah transformasi linear vektor Gaussian dari \(B\), sehingga Gaussian dan memiliki rataan nol. Untuk \(u,v\in[0,1]\), \[ \begin{aligned} \operatorname{Cov}(\beta_u,\beta_v) &=\operatorname{Cov}(B_u-uB_1,B_v-vB_1)\\ &=\min(u,v)-uv. \end{aligned} \] Selain itu, \[ \operatorname{Cov}(\beta_t,B_1)=t-t=0. \] Setiap vektor berdimensi hingga dari \(\beta\) karena itu bebas dari \(B_1\). Karena ruang \(C[0,1]\) separabel dan sigma-aljabar Borelnya dihasilkan oleh evaluasi pada himpunan waktu rapat terhitung, \(\beta\) sebagai peubah acak bernilai lintasan bebas dari \(B_1\). Identitas \[ B_t=tB_1+\beta_t \] menunjukkan bahwa hukum \(t\mapsto ty+\beta_t\) adalah satu kernel reguler bagi \(B\mid B_1=y\). Pada \(y=0\) kernel itu adalah hukum jembatan. Karena \(\mathbb P(B_1=0)=0\), nilai tersebut merupakan pilihan versi alami yang dipilih oleh kontinuitas kernel dalam \(y\).

Untuk \(0<s<t<1\), \[ K(s,s)=s(1-s),\quad K(t,t)=t(1-t),\quad K(s,t)=s(1-t). \] Rumus kondisional Gaussian memberi \[ \mathbb E(\beta_t\mid\beta_s=x) =\frac{s(1-t)}{s(1-s)}x =\frac{1-t}{1-s}x \] dan \[ \begin{aligned} \operatorname{Var}(\beta_t\mid\beta_s) &=t(1-t) -\frac{s^2(1-t)^2}{s(1-s)}\\ &=\frac{(t-s)(1-t)}{1-s}. \end{aligned} \]

Untuk \(t=0\), \(z_n(0)=0\). Jika \(t>0\) tetap, maka untuk semua \(n\) cukup besar berlaku \(t>2/n\), sehingga \(|t-1/n|>1/n\) dan \(z_n(t)=0\). Jadi untuk setiap keluarga waktu hingga, vektor nilainya akhirnya tepat nol; seluruh FDD menuju proses nol. Namun \[ \|z_n\|_\infty=z_n(1/n)=1. \] Jika \(\delta_{z_n}\Rightarrow\delta_0\) dalam \(C[0,1]\), pemetaan kontinu \(f\mapsto\|f\|_\infty\) akan memaksa \(\|z_n\|_\infty\to0\), suatu kontradiksi. Lebih kuat, untuk setiap \(\delta>0\) dan \(n\) cukup besar dengan \(1/n\le\delta\), \[ w(z_n,\delta) \ge|z_n(1/n)-z_n(0)|=1. \] Kriteria Arzelà–Ascoli/keketatan pada \(C[0,1]\) karena itu gagal; keluarga \((\delta_{z_n})\) tidak ketat.

CLT pada satu atau beberapa waktu hanya memberi konvergensi FDD. Teorema Donsker juga memerlukan pemilihan ruang dan topologi lintasan—misalnya \(C[0,1]\) untuk interpolasi poligonal atau \(D[0,1]\) dengan topologi Skorokhod untuk proses tangga—serta keketatan hukum pada ruang tersebut. Keketatan dan identifikasi FDD bersama-sama menentukan setiap limit subsekuensial sebagai hukum gerak Brown.


Rekapitulasi nilai dan pemeriksaan kelengkapan

Soal Poin Waktu anjuran
1 14 30 menit
2 13 30 menit
3 14 35 menit
4 12 25 menit
5 13 30 menit
6 10 25 menit
7 14 35 menit
8 10 30 menit
Total 100 240 menit

Formulir B mempunyai cetak biru, hasil belajar, bobot, waktu, dan aturan bahan bantu yang sama dengan Formulir A. Objek uji berbeda: ukuran sampel Poisson, disintegrasi pada segitiga, gerak acak bias, rantai tiga kelas siklik, CTMC tiga keadaan, penandaan spasial, transformasi Laplace waktu kena, serta puncak deterministik bergerak.

Hak, provenans, dan pernyataan tanpa dukungan

Teks Penilaian Kumulatif D30 — Formulir B, termasuk soal, data, rubrik, petunjuk, jawaban, dan penyelesaian, merupakan materi asli berbahasa Indonesia yang disusun untuk edisi ini. Sejauh hak baru timbul, materi ini dilisensikan di bawah Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). ID hak stabilnya adalah rights.o009.assessment.cumulative.form-b.cc-by-4.0.

Penyusunan dibantu oleh OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra. atas arahan pengguna. Provenans ruang lingkup dan istilah hasil belajar berasal dari indeks kurikulum lokal D30 dan registri hasil belajar O009/D30. Hasil matematis standar disebut sebagai teorema; formulasi soal, parameter, petunjuk, dan penyelesaian ditulis baru untuk bentuk alternatif ini.

Lisensi CC BY 4.0 hanya berlaku pada kontribusi baru dalam formulir ini. Ia tidak melisensikan ulang materi Random, QuantEcon, Žitković, MathJax, atau komponen lain dalam edisi gabungan, dan tidak menyiratkan dukungan atau pengesahan dari penulis maupun lembaga sumber.