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A Little Book of Martingales

  • 2024
  • Buch

Über dieses Buch

Dieses prägnante Lehrbuch, das nach dem Lehrplan für Master und Ph.D. gestaltet wurde Programme, behandelt grundlegende Ergebnisse über diskrete Martyrien und Anwendungen. Es enthält zusätzliche interessante und nützliche Themen, die die Möglichkeit bieten, darüber hinauszugehen. Entsprechende Details sind mit Übungen im Text und am Ende der Kapitel versehen. Zu den grundlegenden Ergebnissen zählen Doobs optionales Sampling-Theorem, Wald-Identitäten, Doobs maximale Ungleichheit, Upcrossing-Lemma, zeitlich umgekehrte Martyrien, eine Vielzahl von Konvergenzergebnissen und eine begrenzte Diskussion der Burkholder-Ungleichheiten. Zu den Anwendungsgebieten zählen die 0-1-Gesetze von Kolmogorov und Hewitt-Savage, die strengen Gesetze für U-Statistiken und austauschbare Sequenzen, De Finettis Satz für austauschbare Sequenzen und Kakutanis Satz für Produkt-Martingale. Ein einfacher zentraler Grenzensatz für Märtyrer wird erprobt und auf ein grundlegendes Urnenmodell angewendet, die Spur einer zufälligen Matrix und Markov-Ketten. Weitere Themen sind die vorwärts gerichtete Darstellung von Märtyrern für U-Statistiken, das bedingte Borel-Cantelli-Lemma, die Azuma-Hoeffding-Ungleichheit, das bedingte Drei-Reihen-Theorem, das starke Gesetz für Märtyrer und das Kesten-Stigum-Theorem für einen einfachen Verzweigungsprozess. Voraussetzung für diesen Kurs ist ein erster Kurs zur Messung der theoretischen Wahrscheinlichkeit. Das Buch erinnert sich an seine wesentlichen Konzepte und Ergebnisse, größtenteils ohne Beweise, aber für das Radon-Nikodym-Theorem und das Konzept der bedingten Erwartung wurden vollständige Einzelheiten vorgelegt.

Inhaltsverzeichnis

  1. Frontmatter

  2. Chapter 1. Measure

    Arup Bose, Arijit Chakrabarty, Rajat Subhra Hazra
    Abstract
    We recollect the essential concepts and results from Measure Theory, mostly without proofs. We state the Monotone class theorem, Carathéodory’s extension theorem, and the Borel–Cantelli lemma. Essential results on integration, such as Fatou’s lemma, Monotone convergence theorem, Dominated convergence theorem, Fubini’s theorem, and some standard inequalities are given without proof. Some of the more important results such as the construction of Lebesgue–Stieltjes measures on \(\mathbb {R}^n\), Jordan-Hahn decomposition, Radon–Nikodym theorem and the Lebesgue decomposition theorem are developed in details. The construction of the Lebesgue–Stieltjes measures is given in some details. Readers who need more details, can refer to one of many well-known books available.
  3. Chapter 2. Signed Measure

    Arup Bose, Arijit Chakrabarty, Rajat Subhra Hazra
    Abstract
    This chapter is on signed measures. The Jordan–Hahn theorem decomposes a signed measure into the difference of two measures in a unique way. This result is crucial to prove the Radon–Nikodym theorem which generalizes the concepts of the derivative and the indefinite integral, to measures. It leads to the Lebesgue decomposition theorem which decomposes any measure on the Borel σ-field into sum of three measures. The three component measures being respectively, (i) absolutely continuous with respect to the Lebesgue measure, (ii) purely discrete, and (iii) singular with respect to the Lebesgue measure but without any discrete component.
  4. Chapter 3. Conditional Expectation

    Arup Bose, Arijit Chakrabarty, Rajat Subhra Hazra
    Abstract
    We introduce the notion of conditional expectation which is based on the Radon–Nikodym theorem. We establish its basic properties, including Jensen’s inequality. We also show the existence of a regular conditional probability distribution. The useful notion of uniform integrability is also a part of this chapter.
  5. Chapter 4. Martingales

    Arup Bose, Arijit Chakrabarty, Rajat Subhra Hazra
    Abstract
    We introduce martingales, sub- and super-martingales. We define stopping times, which is fundamental in martingale theory, and prove Doob’s Optional Sampling Theorem. This result essentially says that no legitimate strategy can alter the nature (that is, from fair to one sided) of a two-person game. The famous identities of Wald follow from this theorem. Doob’s maximal inequality shows how the maximum of a sub-martingale is controlled by the last point of the sequence probabilistically.
  6. Chapter 5. Almost Sure and  Convergence

    Arup Bose, Arijit Chakrabarty, Rajat Subhra Hazra
    Abstract
    This chapter is on convergence of martingales. We state and prove \(L^p\) and almost sure convergence results for martingales, sub-martingales and super-martingales. The crucial tool in developing these results is the Upcrossing lemma. It gives a bound for the expectation of the number of upcrossings of any interval by a sub-martingale, in terms of the expectation of the end point of the sequence and the end points of the interval. There are numerous results on the convergence of martingales, and we provide a sampling of these. The notion of reverse martingale (time-reversed martingales) is also introduced.
  7. Chapter 6. Application of Convergence Theorems

    Arup Bose, Arijit Chakrabarty, Rajat Subhra Hazra
    Abstract
    We present some applications of the results from Chap. 5. We show how Kolmogorov 0-1 law and Hewitt-Savage 0-1 law follow from the reverse martingale convergence theorem. The strong law of large numbers for average of independent and identically distributed (iid) random variables, as well as for U-statistics, are proved by using reverse martingales. The strong law for exchangeable sequences is also established. We also state and prove de-Finetti’s theorem for exchangeable random variables, which says that every such sequence is iid, conditional on an appropriate \(\sigma \)-field. The final topic in this chapter is Kakutani’s theorem for product martingales, which has application in statistics.
  8. Chapter 7. Central Limit Theorem

    Arup Bose, Arijit Chakrabarty, Rajat Subhra Hazra
    Abstract
    This chapter is on the central limit theorem (CLT) for martingales, which is very useful, since it can be used in numerous dependent models. We state and prove one of the simplest versions of CLT for martingales. As simple illustrations, we apply it to a simple urn model, to the trace of a random matrix, and to Markov chains.
  9. Chapter 8. Additional Topics

    Arup Bose, Arijit Chakrabarty, Rajat Subhra Hazra
    Abstract
    We cover some additional topics such as forward martingale representation for U-statistics, extended/conditional Borel-Cantelli lemma, Azuma-Hoeffding inequality, conditional three series theorem, strong law for martingales, and the Kesten-Stigum theorem for a simple branching process. The so called Burkholder inequalities are also covered in this chapter.
  10. Backmatter

Titel
A Little Book of Martingales
Verfasst von
Arup Bose
Arijit Chakrabarty
Rajat Subhra Hazra
Copyright-Jahr
2024
Verlag
Springer Nature Singapore
Electronic ISBN
978-981-9744-72-5
Print ISBN
978-981-9744-71-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-981-97-4472-5

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