9.1. Podstawowe definicje i fakty
Rozpatrujemy przestrzeń z miarą probabilistyczną X,F,μ (F jest σ caiłem zbiorów mierzalnych).
Definicja 9.1
Mówimy że przekształcenie T:X→X jest mierzalne względem σ-ciała F jeśli dla każdego zbioru A∈F zbiór T-1A też należy do σ-ciała F.
Definicja 9.2
Mówimy że mierzalne przekształcenie zachowuje miarę μ jeśli dla każdego A∈F mamy
tu będą przykłady: z2, namiot, 2-z2, ułamki łancuchowe
Uwaga 9.1
Jeśli dodatkowo T jest odwracalne i T-1 jest mierzalne, to warunek 9.1 możemy zapisać
Twierdzenie 9.1 (Twierdzenie Poincare'go o powracaniu)
Niech X,F,μ będzie przestrzenią probablistyczną T:X→X - zachowuje miarę μ, A∈F. Wówczas dla μ-prawie każdego x∈A istnieje nieskończenie wiele czasów n takich że Tnx∈A.
Zbiór
jest mierzalny (dlaczego?).
Pokażemy że μB=0. Wystarczy pokazać że μC=0 gdzie
Zauważamy że zbiory C,T-1C,…,T-nC… są parami rozłaczne. Jest ich nieskończenie wiele, miara X jest skończona, Zatemu wszystkie te zbiory muszą mieć miarę zero.
∎
Podamy teraz ważną definicję:
Definicja 9.3 (Ergodyczność)
Przekształcenie mierzalne przestrzeni z miarą X nazywamy ergodycznym jeśli dla każdego A zbioru mierzalnego mamy
|
μAT-1A=0⟹μA=0lubμX∖A=0 |
|
Uwaga 9.2
W tej definicji ergodyczności nie zakłądamy ani niezmienniczości miary μ dla przekształcenia T ani skończoności miary μ. Jeśli T dodatkowo spełnia implikację μ(A)=0⟹μ(T-1(A)=0, w szczególności jeśli T zachowuje miarę μ to definicję ergodyczności można równoważnie zapisać (taką definicję spotyka się na ogół)
Definicja 9.4 (Ergodyczność miary niezmienniczej)
Przekształcenie mierzalne T przestrzeni z miarą X, zachowujące tę miarę jest ergodyczne jeśli dla każdego A zbioru mierzalnego mamy
|
A=T-1A⟹μA=0lubμX∖A=0 |
|
Zdefiniujemy teraz σ-ciało zbiorów ”prawie” niezmienniczych
Stwierdzenie 9.1
Jeśli funkcja ϕ:X→R jest mierzalna względem σ-ciała G to ϕ jest prawie na pewno stała na trajektoriach:
. Załóżmy przeciwnie, że D=x:ϕTx≠ϕx ma dodatnią miarę.
Wówczas istnieje takie a∈Q że zbiór Da=x∈D:ϕxaiϕTxa ma dodatnią miarę (albo dodatnią miarę ma zbiór Da zdefiniowany przez przeciwne nierówności).
Ale Da nie przecina się z T-1Da (wystarczy spojrzeć na definicję zbioru Da); z drugiej strony Da jest elementem σ ciała G. Wynika stąd że μDa=0, wbrew przypuszczeniu (zbiory z σ-ciała G różnią się przecież od swojego przeciwobrazu o zbiór miary zero).
∎
Zanotujmy jeszcze oczywiste ale ważne fakty:
Stwierdzenie 9.2
Jesłi T:X→X jest przekształceniem zachowujacym miarę, to T jest ergodyczne wtedy i tylko wtedy gdy σ- ciało G jest trywialne (składa się wyłącznie ze zbiorów miary 0 i zbiorów miary 1).
Wniosek 9.1
Jeśli T:X→X jest ergodyczne, to każda funkcja mierzalna ϕ:X→R która jest T- niezmiennicza (tzn ϕ∘T=ϕ prawie wszędzie) jest stałą prawie wszędzie.
Gdzies troszke dalej w forma zadania moze, trzeba umiescic różne warunki równoważne na ergodyczność
9.2. Twierdzenie ergodyczne
Twierdzenie Ergodyczne jest jednym z najważniejszych wyników w teorii przekształceń zachowujących miarę.
Rozważmy funkcję mierzalną ϕ:X→R (czyli - w języku rachunku prawdopodobieństwa- zmienną losową).
Mamy wówczas ciąg funkcji mierzalnych (zmiennych losowych)
|
ϕ,ϕ∘T,ϕ∘T2,…,ϕ∘Tn,… |
| (9.2) |
(mamy więc jakąs funkcję (obserwablę) określoną na naszej przestrzeni X i wyliczamy jej wartości wzdłuż trajektorii).
Otrzymujemy w ten sposób ciąg zmiennych losowych o tym samym rozkłądzie (dlaczego?), ale oczywiscie nie niezależnych.
Twierdzenie Ergodyczne jest odpowiednikiem Prawa Wielkich Liczb, dla takiego właśnie ciągu jednakowo rozlożonych i całkowalnych ale zależnych (przez sposób w jaki zostały zdefiniowane) zmiennych losowych.
Twierdzenie 9.2 (Twierdzenie Ergodyczne)
Niech T:X→X będzie przekształceniem zachowującym miarę probabilistyczną μ określoną na σ ciele F podzbiorów X.
Niech ϕ:X→R będzie funkcją całkowalną względem miary μ (ϕ∈L1μ).
Wówczas mamy
|
ϕ+ϕ∘T+ϕ∘T2+…+ϕ∘Tn-1n→E(ϕ|G) |
| (9.3) |
(gdzie E(ϕ|G oznacza warunkową wartość oczekiwaną względem σ- ciała G).
Zbieżność jest tutaj prawie wszędzie i w L1.
Uwaga 9.3
Zauważmy że (jak wynika ze Stwierdzenia 9.1) funkcja E(ϕ|G jest (prawie wszędzie) T- niezmiennicza. Zatem w twierdzieniu ergodycznym otzymujemy zbieżność do funcji T- niezmienniczej, oczywiscie o tej samej całce co ϕ.
Wniosek 9.2
Jeśli dodatkowo założymy że T jest ergodyczne, mamy
|
ϕ+ϕ∘T+ϕ∘T2+…+ϕ∘Tn-1n→Eϕ |
| (9.4) |
prawie wszędzie (zatem dla ergodycznego przekształcenia T teza twierdzenia jest dokładnym odpowiednikiem Prawa Wielkich Liczb).
Wniosek 9.3 (Częstość odwiedzin)
Jesli T:X→X jest ergodyczne, A∈F to z Twierdzenia Ergodycznego, zastosowanego dla ϕ=ξA otrzymujemy
|
card(i≤n:Ti(x)∈A)n→μA |
| (9.5) |
prawie wszędzie.
Dowód Twierdzenia Ergodycznego
Najpierw udowodnimy następujący Lemat:
Lemat 9.1 (Maksymalne Twierdzenie Ergodyczne)
Niech f∈L1μ. Zdefiniujmy zbiór A następująco:
|
A={x∈X:sup∑k=0nf(Ti(x))=∞ |
|
Wówczas
Określamy
|
Fn=max(∑i=0k-1f∘Ti,1≤k≤n) |
| (9.6) |
Zauważmy że
|
Fn+1x-FnTx=fx-min0,FnTx |
| (9.7) |
Wynika stąd po pierwsze że ciąg Fn+1x-FnTx jest nierosnący, a po drugie- że dla x∈A mamy
a stąd:
|
0≤∫AFn+1-Fndμ=∫AFn+1-Fn∘T→∫Afdμ |
| (9.9) |
Równość wynika stąd że z niezmienniczości miary μ mamy ∫f-1AFn∘T=∫AFn, a dzięki temu że zbiór A jest niezmienniczy ( A (f-1A=A), możemy następnie f-1A zastąpić przez A.
Ostatnie przejscie do granicy jest uprawnione, bo ciąg funkcji Fn+1-Fn∘T jest nierosnący, i zbieżny na zbiorze A do całkowalnej funkcji f.
Formuła LABEL:max kończy dowód Maksymalnego Twierdzenia Ergodycznego.
∎
Założmy teraz że E(f|G)<0 prawie wszędzie.
Skoro A jest niezmienniczy, to oczywiście A∈G, zatem
Zatem: jeśli E(f|G)<0 prawie wszędzie, to z Maksymalnego Twierdzenia Ergodycznego wynika że μA=0.
Poza zbiorem A mamy zaś oczywiście:
|
lim sup1n∑k=0n-1f∘Tk≤0 |
| (9.10) |
Zastosujemy tę obserwację do funkcji
(ε jest tu dowolną liczbą dodatnią).
Oczywiście E(f|G)=-ε<0
Mamy zatem
|
lim sup1n∑k=0n-1(ϕ-E(ϕ|G)-ε)∘Tk≤0 |
| (9.11) |
Stwierdzenie refniezm pozwala teraz zauważyć że funkcja E(ϕ|G) jest T- niezmiennicza, zatem nierówność 9.11 możemy (prawie wszędzie) przepisac:
|
lim sup1n∑k=0n-1(ϕ∘Tk)≤E(ϕ|G)+ε |
| (9.12) |
Dla zakończenia dowodu wystarczy teraz zauważyć że ε jest dowolne, zatem
|
lim sup1n∑k=0n-1(ϕ∘Tk)≤E(ϕ|G) |
|
prawie wszędzie (wystarczy wybrać ciąg epsylonów zbieżny do zera), zaś zamieniając ϕ na -ϕ otrzymujemy:
|
lim inf1n∑k=0n-1(ϕ∘Tk)≥E(ϕ|G) |
|
Pozostaje do sprawdzenia że zbieżność jest także w L1
∎
Sformułujemy teraz kilka warunków równoważnych ergodyczności; pozostawimy je jako zadanie:
Ćwiczenie 9.1 (Warunki równoważne ergodyczności)
Niech T:X→X będzie przekształceniem zachowującym miarę μ.
Wykazać równoważność następujących warunków:
-
-
2.
każda funkcja f∈L1(μ, T- niezmiennicza jest stała prawie wszędzie.
-
2'.
każda funkcja f∈L2(μ, T- niezmiennicza jest stała prawie wszędzie.
-
3.
dla każdej funkcji ϕ∈L1μ mamy
-
3'.
dla każdego zbioru A∈F mamy
|
limn→∞1ncardi≤n:Tix∈A→μA |
|
μ- prawie wszędzie.
-
4.
dla dowolnych zbiorów A,B∈F
|
1n∑k=0n-1μA∩T-kB→μAμB |
|
Następne ćwiczenie pokazuje że dla tego samego przekształcenia miary ergodyczne niezmiennicze są dla siebie ”wzajemnie niewidoczne”.
Ćwiczenie 9.2
NIech T:X→X będzie przekształceniem mierzalnym względem σ-ciała F.
Wykazać że jeśli μ1, μ2 są dwiema różnymi miarami określonymi na F, to μ1, μ2 są wzajemnie singularne.
Wskazówka:
Skoro miary są rózne, to istnieje A∈F taki że μ1A≠μ2A. Skorzystać z własności 3′ z poprzedniego zadania.