當前位置: 華文星空 > 知識

數學中有哪些最復雜的領域或最抽象的領域,復雜或抽象到什麽程度?

2019-11-12知識

來寫一個機率論版本的例子。當然機率論復雜度和抽象度都遠無法和範疇相比(範疇學得頭禿),但其復雜程度,在普通人日常生活中最經常使用的「買菜用數學」中,大約還是首屈一指的。

一開始,我們只有頻數。我們擲骰子100次,51面向上,頻率0.51. 由此我們抽象出了機率——讓一個事件反復發生,我們猜測它的機率是 p 。當然這件事情的嚴格證明是大數定律的事情了,至少我們的直觀感受是這樣的。

既然有了機率測度,我們當然想要用它做一些事情。於是有了古典概型(事件數有限,點集測度)和幾何概型(事件數無限)。隨後又很自然的推廣到了無窮維空間(當然此時理解這件事情需要測度論)——是為隨機過程。

連續時間隨機過程裏,單個事件是一個從時間 t \in \mathbb{R} 到某個空間 V 的函式,並有某些規則約束我們考察的狀態空間。(你可能會問,為什麽不考察單個函式出現的機率?因為這可是幾何概型呀,單個事件發生機率為0)

最簡單的連續時間隨機過程是一維布朗運動(維納過程)W_t 。一個典型的維納過程滿足以下4個條件:

  • W_0=0 ,
  • W 幾乎處處對 t 連續,
  • W 滿足獨立增量條件,
  • W 的在時間 t 內的增量是一個期望0變異數 t 的高斯分布。
  • 這樣4個條件可以唯一確定一個隨機過程,維納過程。你可能會期待維納過程有像高中學過的機率那樣簡單易懂——但是在隨機過程裏,這麽美好的事情顯然是無法存在的。無論如何,我們還是很容易想象這個過程的;給定一個區域(比如說要求在某些 t 的時候必須在某個區間),我們也很容易(相對來說)精確的計算這個機率。

    Well,既然維納過程連續,我們可以形式上對它做微元(感謝評論區兩位大大更正),亦即對於一階可導函式 f(t) ,我們總可以計算 \lim_P \sum_P f \Delta W_t (其中P取遍所有劃分),並將其形式上記為\int f \text{d} W_t (分析手段進入了隨機過程)。( @Owen Chen 指出,當 f 是 W_t 和 t 的函式的時候,只需考慮左值求和就好。)同時我們也有

    \int_0^t (\text d W_t)^n = \begin{cases} W_t & \text{if } n = 1, \\ t & \text{if } n = 2, \\ 0 & \text{if } n \geq 3. \end{cases}

    從而我們可以考察一個含有維納過程的隨機微分方程式(伊藤過程)

    \text d X = a(X,t) \text d W_t + b(X,t) \text d t .

    伊藤定理指出,對於任意一個關於 X 和 t 的二階連續函式 f(X,t) ,恒有下式成立:

    \text d f = f_2 \text d t + (f_1 \text d X + \frac{f_{11}}{2} a^2 \text d t) .

    Somehow這個展開很類似於泰勒展開,不過我沒有學伊藤定理的證明,所以不敢妄言。

    機率最好玩的事情大概就是,(至少我學到現在,)無論我們走了多遠,最後都可以回到買菜的這件事上去。這樣我們就形成了一個巧妙的對比:高等數學在買菜生活中的實際套用。所以雖然我自身學的是代數,我還是很喜歡和別人講機率的故事。以下故事具體可以參見這個連結,這裏只是簡單描述。

    Well,現在我們有一只股票的歷史價格 X (大家買菜一般還是不會那麽較真,不過你把這個價格函式當成大米的售價也是一樣思考的)。我們假定股票的波動率 \frac{\text d X}{X} 滿足如下維納方程式:

    \frac{\text d X}{X} = \mu \text d t + \sigma \text d W_t ,則我們可以解得 \ln \frac{X_t}{X_0} \sim N((\mu-\frac{\sigma^2}{2})t,\sigma^2 t) (具體證明見上文)。無論如何,我們如果已知了 \mu 和 \sigma ,我們總可以計算出若幹時間後的價格期望。從而我們可以對未來某個時間的股票價格進行買賣——期權與期貨。期權與期貨都是平抑遠期風險的重要方法,在日常生活中有大量運用。

    (當然對於普通玩家而言,能做的大概就是,知難而退,遠離股票,尤其是當你還在用「追漲殺跌」的原始方法的時候。)

    另外,作為一個現在剛剛本科畢業的蒟蒻,就來給這位巨巨寫個前傳好了w

    最開始,我們從「兩個‘一個蘋果’是兩個蘋果」抽象出了「1+1=2」;隨後對乘法逆封閉得到所有有理數,再有戴德金分割得到全體實數,在此不表。

    我們將某些分配問題抽象成了方程式,比如說一元二次函式的經典例子「銷量是售價的一次函式,求售價使總銷售額最大化」。由於整數的優美性質,我們著重考察那些整系數多項式方程式。很經典的問題是,什麽時候這些方程式會有根式解?

    透過考察一個方程式所有根構成的置換群(伽羅瓦群),伽羅瓦對這個問題作出了完美的解答——不僅僅是得出了一般的高次方程式不存在根式解,更是知道了一個方程式有根式解的充要條件。由此,一個新的數學物件——群,出現了。(誰能想到,我們發明群,一開始只是想在做一個問題的時候,偷個懶呢?)