在数学中,在试图将一个度量μ映射到序列Mn时就产生了矩问题。
关于矩问题
在概率论中,已知分布函数为,对于连续随机变量的k阶原点矩。假设已知它的若干阶
原点矩,能否求出其分布函数呢?在物理学中,若有一根长为l的细棒,其线密度为,绕一端点旋转,则分别表示该细棒的质量、
静力矩、
转动惯量等一系列量。我们考虑其逆问题,即若已知细棒的质量、静力矩、转动惯量等一系列量,能否确定其
密度函数?实际上这就是矩问题给一个矩量序列,在区间找到一个正的有界非减函数使之满足:
这个问题Stieltjes于1894-1895年提出并得到了解决。
矩问题是一个从世纪开始研究的古典问题,但是基于研究的重要性现在被越来越多的人所重新认识。目前,矩问题的研究把算子理论、概率论、矩阵论结合起来,同时又与其他的研究方向相联系。
矩问题的产生
在数学中,在试图将一个度量μ映射到序列Mn求结果时就产生了矩问题。Mn表示为:
更一般地,对任意函数序列Mn可以表示为:
介绍
在经典设置中,μ是实线上的度量,M是序列{xn:n = 0,1,2,...}。 在这种形式中,问题出现在概率论中,询问是否存在具有指定均值,
方差等的概率测度,以及它是否是唯一的。
有三个经典时刻问题:可以将μ的支持作为整个实线的汉堡时刻问题; 对于[0,+∞],Stieltjes矩问题; 并且一个有界区间的Hausdorff时刻问题,而不失一般性可能被认为是[0,1]。
存在性
数字序列mn是当且仅当满足某个正定条件时测量μ的矩的序列;即Hankel矩阵Hn,
应该是正半定的。这是因为正半定律汉克尔矩阵对应于线性函数,使得,并且。假设可以扩展到R[x*]。在单变量情况下,非负多项式总是写为平方和。因此,在单变量情况下,线性函数对于所有非负多项式都是正的。通过Haviland定理,线性函数具有度量形式,即:
对于给定间隔[a,b]支持的度量mu的存在,类似形式的条件是必需的和足够的。
证明这些结果的一种方法是考虑将多项式的线性函数:
代入到:
如果是[a,b]上μ支持的矩阵,那么显然:
对于[a,b]上非负数的任何多项式P,φ(P)≥0。
唯一性
Hausdorff矩问题中的μ的唯一性来自于Weierstrass逼近定理,其中说明在[0,1]的连续函数的空间中,多项式在均匀范数内是密集的。 对于无限间隔的问题,唯一性是一个更微妙的问题。
矩问题的求解
用逼近方法来求解随机
最优化问题,核心之一就是广义矩问题的求解。如逼近法使用的逼近概率测度是一些矩约束下的极值概率测度,根据随机变量的部分矩信息计算期望函数的上下界的问题等,归结起来都是解广义矩问题。故通过分析广义矩问题及其对偶问题的关系,提出了通过对偶问题来解广义矩问题的一种新方法。