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数学中有哪些最复杂的领域或最抽象的领域,复杂或抽象到什么程度?

2019-11-12知识

来写一个概率论版本的例子。当然概率论复杂度和抽象度都远无法和范畴相比(范畴学得头秃),但其复杂程度,在普通人日常生活中最经常使用的「买菜用数学」中,大约还是首屈一指的。

一开始,我们只有频数。我们掷骰子100次,51面向上,频率0.51. 由此我们抽象出了概率——让一个事件反复发生,我们猜测它的概率是 p 。当然这件事情的严格证明是大数定律的事情了,至少我们的直观感受是这样的。

既然有了概率测度,我们当然想要用它做一些事情。于是有了古典概型(事件数有限,点集测度)和几何概型(事件数无限)。随后又很自然的推广到了无穷维空间(当然此时理解这件事情需要测度论)——是为随机过程。

连续时间随机过程里,单个事件是一个从时间 t \in \mathbb{R} 到某个空间 V 的函数,并有某些规则约束我们考察的状态空间。(你可能会问,为什么不考察单个函数出现的概率?因为这可是几何概型呀,单个事件发生概率为0)

最简单的连续时间随机过程是一维布朗运动(维纳过程)W_t 。一个典型的维纳过程满足以下4个条件:

  • W_0=0 ,
  • W 几乎处处对 t 连续,
  • W 满足独立增量条件,
  • W 的在时间 t 内的增量是一个期望0方差 t 的高斯分布。
  • 这样4个条件可以唯一确定一个随机过程,维纳过程。你可能会期待维纳过程有像高中学过的概率那样简单易懂——但是在随机过程里,这么美好的事情显然是无法存在的。无论如何,我们还是很容易想象这个过程的;给定一个区域(比如说要求在某些 t 的时候必须在某个区间),我们也很容易(相对来说)精确的计算这个概率。

    Well,既然维纳过程连续,我们可以形式上对它做微元(感谢评论区两位大大更正),亦即对于一阶可导函数 f(t) ,我们总可以计算 \lim_P \sum_P f \Delta W_t (其中P取遍所有划分),并将其形式上记为\int f \text{d} W_t (分析手段进入了随机过程)。( @Owen Chen 指出,当 f 是 W_t 和 t 的函数的时候,只需考虑左值求和就好。)同时我们也有

    \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}

    从而我们可以考察一个含有维纳过程的随机微分方程(伊藤过程)

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

    伊藤定理指出,对于任意一个关于 X 和 t 的二阶连续函数 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这个展开很类似于泰勒展开,不过我没有学伊藤定理的证明,所以不敢妄言。

    概率最好玩的事情大概就是,(至少我学到现在,)无论我们走了多远,最后都可以回到买菜的这件事上去。这样我们就形成了一个巧妙的对比:高等数学在买菜生活中的实际应用。所以虽然我自身学的是代数,我还是很喜欢和别人讲概率的故事。以下故事具体可以参见这个链接,这里只是简单描述。

    Well,现在我们有一只股票的历史价格 X (大家买菜一般还是不会那么较真,不过你把这个价格函数当成大米的售价也是一样思考的)。我们假定股票的波动率 \frac{\text d X}{X} 满足如下维纳方程:

    \frac{\text d X}{X} = \mu \text d t + \sigma \text d W_t ,则我们可以解得 \ln \frac{X_t}{X_0} \sim N((\mu-\frac{\sigma^2}{2})t,\sigma^2 t) (具体证明见上文)。无论如何,我们如果已知了 \mu 和 \sigma ,我们总可以计算出若干时间后的价格期望。从而我们可以对未来某个时间的股票价格进行买卖——期权与期货。期权与期货都是平抑远期风险的重要方法,在日常生活中有大量运用。

    (当然对于普通玩家而言,能做的大概就是,知难而退,远离股票,尤其是当你还在用「追涨杀跌」的原始方法的时候。)

    另外,作为一个现在刚刚本科毕业的蒟蒻,就来给这位巨巨写个前传好了w

    最开始,我们从「两个‘一个苹果’是两个苹果」抽象出了「1+1=2」;随后对乘法逆封闭得到所有有理数,再有戴德金分割得到全体实数,在此不表。

    我们将某些分配问题抽象成了方程,比如说一元二次函数的经典例子「销量是售价的一次函数,求售价使总销售额最大化」。由于整数的优美性质,我们着重考察那些整系数多项式方程。很经典的问题是,什么时候这些方程会有根式解?

    通过考察一个方程所有根构成的置换群(伽罗瓦群),伽罗瓦对这个问题作出了完美的解答——不仅仅是得出了一般的高次方程不存在根式解,更是知道了一个方程有根式解的充要条件。由此,一个新的数学对象——群,出现了。(谁能想到,我们发明群,一开始只是想在做一个问题的时候,偷个懒呢?)