\documentclass[全部作业]{subfiles} \input{mysubpreamble} \begin{document} \setcounter{chapter}{6} \section{反射原理与极值分布} \subsection{练习题\thesection} \begin{enumerate} \questionandanswerSolution[1]{ 求$B(t)=x$条件下$B^{*}(t)$的分布函数与概率密度函数。 }{ $(B^{*}(t),B(t))$的联合密度函数为$h(z,x) = \displaystyle \frac{2(2z-x)}{\sqrt{2 \pi t^{3}}} e^{- \frac{(2z - x)^{2}}{2t}}$($z\geqslant x, x\leqslant z$),$B(t)$的边际密度函数为$p(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi t}} e^{- \frac{x^{2}}{2t}} (x \in \mathbb{R})$,所以在$B(t)=t$的条件下,$B^{*}(t)$的条件密度函数为 $$ p_{B^{*}(t)|B(t)} (z|x) = \frac{h(z,x)}{p(x)} = \frac{2(2z-x)}{t} e^{- \frac{2(z^{2}-xz)}{t}} (z\geqslant x \lor 0) $$ 所以$B^{*}(t)$的条件分布函数为 $$ F_{B^{*}(t)|B(t)}(z|x)=\begin{cases} \left. -e^{-\frac{2(u^{2}-xu)}{t}} \right|_{u=x \lor 0}^{z}=1-e^{- \frac{2(z^{2}-xz)}{t}},\quad & 当z\geqslant x\lor 0时 \\ 0,\quad & 当z < x \lor 0 时 \\ \end{cases} $$ } \questionandanswerSolution[2]{ 求$B^{*}(t)-B(t)$的概率密度函数。 }{ 因为$B^{*}(t)-B(t) = \displaystyle \max_{0\leqslant u\leqslant t} [B(t-u)-B(t)]$,且$\{ B(t-u)-B(t)\ ;\ u \in [0,t] \}$为标准布朗运动,所以 $$ B^{*}(t) - B(t) \xlongequal{d} \max_{0\leqslant u\leqslant t} B(u) = B^{*}(t) \xlongequal{d} [B(t)] $$ 从而$B^{*}(t)-B(t)$的概率密度函数为$ \displaystyle \sqrt{\frac{2}{\pi t}}e^{- \frac{u^{2}}{2t}} (u\geqslant 0)$。 } \questionandanswerSolution[3]{ 求$P(B(1)\leqslant x | B(u)\geqslant 0, 0\leqslant u\leqslant 1)$。 }{ 根据对称性, $$ \begin{aligned} P(B(1)\leqslant x|B(u)\geqslant 0, 0\leqslant u\leqslant 1) & = P(B(1)\geqslant x |B(u)\leqslant 0, 0\leqslant u\leqslant 1) \\ & = P(B(1)\geqslant -x | B^{*}(1)=0) \\ \end{aligned} $$ \\ $(B^{*}(1),B(1))$的联合密度函数为 $$ h(z,x)=\frac{2(2z-x)}{\sqrt{2 \pi}} e^{- \frac{(2z-x)^{2}}{2}}\quad (z\geqslant x \lor 0) $$ $B^{*}(1)$的边际密度函数为 $\displaystyle p(z) = \sqrt{\frac{2}{\pi}} e^{- \frac{x^{2}}{2}} (z\geqslant 0)$,所以 $$ \text{原式}=\begin{cases} - \int_{-x}^{0} u e^{- \frac{u^{2}}{2}} \mathrm{d}u = 1-e^{- \frac{x^{2}}{2}},\quad & 当 x\geqslant 0 时 \\ 0,\quad & 当 x<0 时 \\ \end{cases} $$ } \questionandanswerProof[4]{ 证明对任意$z\geqslant 0$,$\tau_z$与$\tau_{-z}$同分布。 }{ 对任意$t\geqslant 0$,有 $$ P(\tau_{-z}> t) = P(B(u)>-z, 0\leqslant u\leqslant t) \xlongequal{对称性}P(B(u)t) $$ 即$\tau_z$与$\tau_{-z}$同分布。 } \questionandanswerProof[6]{ 证明当$00$和$z>0$有 $$ 0\leqslant P(\tau_z\leqslant t) = \int_{0}^{t} \frac{z}{\sqrt{2 \pi s^{3}}} e^{- \frac{z^{2}}{2s}} \mathrm{d}s \xlongequal{\text{令} s=\frac{z^{2}}{u^{2}}} \sqrt{\frac{2}{\pi}} \int_{\frac{z}{\sqrt{t}}}^{+\infty} e^{- \frac{u^{2}}{s}} \mathrm{d}u \xrightarrow{z \to +\infty} 0 $$ 所以 $\displaystyle \lim_{z \to +\infty} P(\tau_z\leqslant t)=0 (\forall t>0)$,又因为$\tau_z$关于$z$单调增,所以事件$\{ \tau_z\leqslant t \}$关于$z$单调减,从而对任意$t >0$有 $$ 0 = \lim_{n \to \infty} P(\tau_n\leqslant t) = P\left( \bigcap_{n = 1} ^{\infty} \{ \tau_n\leqslant t \} \right) =P\left( \lim_{n \to \infty} \tau_n\leqslant t \right) =P\left( \lim_{z \to +\infty} \tau_z\leqslant t \right) $$ 进而由 $$ 0\leqslant P\left( \lim_{n \to +\infty} \tau_z<+\infty \right) =P\left( \bigcup_{m=1} ^{\infty} \left\{ \lim_{z \to +\infty} \tau_z\leqslant m \right\} \right) \leqslant \sum_{m=1}^{\infty} P \left( \lim_{z \to +\infty} \tau_z\leqslant m \right) =0 $$ 知$\displaystyle P\left( \lim_{z \to +\infty} \tau_z = +\infty \right) =1$,于是当$z \to +\infty$时有$\tau_z \xrightarrow{a.s.} +\infty$。 } \end{enumerate} \end{document}