iv CONTENTS
3.3.5 The Moment Problem* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4 Central Limit Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.4.1 i.i.d. Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.4.2 Triangular Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.4.3 Prime Divisors (Erd¨os-Kac)* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.4.4 Rates of Convergence (Berry-Esseen)* . . . . . . . . . . . . . . 118
3.5 Local Limit Theorems* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.6 Poisson Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.6.1 The Basic Limit Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.6.2 Two Examples with Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.6.3 Poisson Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.7 Stable Laws* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.8 Infinitely Divisible Distributions* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.9 Limit Theorems in R
d
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4 Random Walks 153
4.1 Stopping Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.2 Recurrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.3 Visits to 0, Arcsine Laws* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.4 Renewal Theory* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5 Martingales 189
5.1 Conditional Expectation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.1.1 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.1.2 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.1.3 Regular Conditional Probabilities* . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.2 Martingales, Almost Sure Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.3 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.3.1 Bounded Increments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.3.2 Polya’s Urn Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.3.3 Radon-Nikodym Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.3.4 Branching Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.4 Doob’s Inequality, Convergence in L
p
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
5.4.1 Square Integrable Martingales* . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
5.5 Uniform Integrability, Convergence in L
1
. . . . . . . . . . . . . . . . . 220
5.6 Backwards Martingales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.7 Optional Stopping Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6 Markov Chains 233
6.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.2 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.3 Extensions of the Markov Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
6.4 Recurrence and Transience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.5 Stationary Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
6.6 Asymptotic Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.7 Periodicity, Tail σ-field* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.8 General State Space* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
6.8.1 Recurrence and Transience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
6.8.2 Stationary Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
6.8.3 Convergence Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
6.8.4 GI/G/1 queue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
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