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关于Markov过程理论的研究,历来有概率方法和分析方法。近年来,数学家们以算子半群理论作为工具来研究Markov过程理论,并取得了丰富的成果。本文着力于使用分析的方法,以算子半群理论为工具,研究弱星连续半群及其在参数连续Markov链中的应用。
由Anderson[1]知道转移函数P(t)是l1空间上正的强连续压缩半群,但P(t)一般来说不足l∞空间上的强连续半群,而P(t)足l∞上强连续半群的充要条件是q-矩阵Q是l∞上的一致有界q-矩阵。这是一种平凡的情形,实际生活中所遇到的参数连续Markov链所对应的q-矩阵通常都不满足此性质。Anderson[1]认为l∞空问太大了,不可能在其上得到一些有用的结果。因此,当我们在l∞空问上考虑时,强连续半群并不是研究参数连续Markov链的一个好工具。一个自然的问题是:是否能找到一个新的半群工具来研究Markov链呢?
本文引入了一类新的半群——弱星连续半群,给出了弱星连续半群及其弱星生成元的定义。而注意到,一个定义在空间X上的强连续半群T(t)的对偶半群就是定义在X*上的弱星连续半群。因此,在本文第二章中我们讨论了此类弱星连续半群(线性算子对偶半群)的弱星生成元的性质。
在第三章中我们讨论了序列Banach空间(c0空间,l1空间)上的对偶半群。由文献我们知道,如果X是一自反Banach空间,那么X上强连续半群T(t)的对偶半群T(t)*也是X*上的强连续半群,并且其无穷小生成元为半群T(t)的无穷小生成元的对偶。对于一般的Banach空间,这并不成立。序列空间c0空间、l1空间都不是自反空间,那么定义在其上的强连续半群的对偶半群是否为强连续半群呢?或者说其对偶半群为强连续半群的条件是什么呢?在第三章我们得到如下结果:
定理3.2.1若T(t)为定义在c0空间上的正的强连续半群,其无穷小生成元为A,则其对偶半群T(t)*为定义在l1空间上的强连续半群并且其无穷小生成元为A*(A的对偶算子)。
定理3.2.2若T(t)为定义在l1空间上的强连续半群,其无穷小生成元为A,则其对偶半群T(t)*为定义在l∞空间上的强连续半群的充要条件是A∈B(l1)。
我们引入弱星连续半群的目的就是为了以此为工具来研究参数连续Markov链,那么到底弱星连续半群与Markov链的联系是什么呢?由参数连续Markov链理论知道,参数连续Markov链与转移函数是一一对应的,即给定一个Markov链,存在与之相对应的转移函数;反之,给定一个转移函数,我们能构造一个Markov过程,使得此转移函数就是该Markov过程相对应的转移函数。因此,我们要研究参数连续Markov链可通过研究其对应的转移函数来完成。并且从已有成果来看,Anderson[1]得到转移函数P(t)与l1空间上的正的强连续压缩半群是一一对应的;Y.RLi[3]得到转移函数与l∞空间上的正的一次强压缩积分半群(我们称作Markov积分算子半群)是一一对应的;从而搭起了半群与Markov链之间的桥梁。可见,半群是与转移函数直接联系的。以此为启示,我们自然会问:弱星连续半群与转移函数之间是否也有某种对应关系呢?在本文第四章我们得到很好的结果:
定理4.1.1P(t)=(pij(t)),t≥0为l∞空间上正的弱星连续压缩半群当且仅当P(t)=(pij(t))为一转移函数。
此定理便给出了转移函数与正的弱星连续压缩矩阵半群(这里所讨论的半群中每个有界算子都为矩阵算子,所以为叙述方便我们称此类半群为矩阵半群)之间的一一对应关系。
进一步地,我们还得到正的弱星连续压缩矩阵半群的一个生成定理:
定理4.2.4线性算子Ω在l∞空间上生成一正的弱星连续压缩半群P(t)=(Pij(t))的充要条件是:
(1)Ω是耗散的,且(0,+∞)()ρ(Ω);
(2)对(A)λ>0,R(λ,Ω)是正的矩阵算子;
(3)对(A)j∈E,ω*-λlimλ→+∞λR(λ,Ω)ej=ej。
在实际的Markov过程中,我们预先知道的通常是q-矩阵Q而非转移函数,而给定一个q-矩阵Q,可能存在无穷多个转移函数,从而在l∞空间上可能有无穷多个正的弱星连续压缩半群与之对应,而每个正的弱星连续压缩半群有且只有一个弱星生成元,对于一个半群,我们通常把握性质最多的也是其生成元,人们自然会提出如下问题:q-矩阵Q与这些弱星生成元之间有什么关系呢?在第四章的第三部分我们进行了讨论,并得到如下结果:
定理4.3.1下面三条等价:
(1)对(A)i,j∈E,t≥0,后项方程Pij(t)=∑k∈Eqikpkj(t)总成立;
(2)span{ei}()D(Ω1);
(3)Ω足Q∞的限制,即Ω()Q∞。
定理4.3.2若对(A)i,j∈E,t≥0,前项方程pij(t)=∑kpik(t)qkj成立,则有Q1*()Ω;反之,若Q1*()Ω且Q是列有界的,即(A)j∈E,supi∈qij<+∞,则对(A)i,j∈E,t≥0,前项方程pij(t)=∑kpik(t)qkj总成立。
定理4.3.3设F(t)为矩阵Q的最小Q-函数,Ω为F(t)作为l∞空间上弱星连续半群的弱星生成元,则:
(1)Q1*()Ω()Q∞;
(2)Ω=Q∞当且仅当Q是零出的,即对某个(从而对所有的)λ>0,λI-Q∞是单射。
定理4.3.5P(t)=(pij(t))是转移函数,Ω是其弱星生成元,若对(A)j∈E,ej∈-D(Ω)则q-矩阵Q是稳定的。
定理4.3.6设Q是一个稳定的q-矩阵,则Q1*在l∞空间上生成一个正的弱星连续压缩半群G(t)=(gij(t))的充要条件是对(A)λ>0,λI-Q1在l1上是单射。