확률론에서 위너 공간(Wiener空間, 영어: Wiener space) 또는 추상 위너 공간(抽象Wiener空間, 영어: abstract Wiener space)은 일종의 “정규 분포”에 해당하는 확률 측도를 갖춘, 무한 차원일 수 있는 바나흐 공간이다.[1]:§1.1[2] 일반적으로, 르베그 측도의 일반화는 무한 차원에서 존재하지 않으며, 또한 힐베르트 공간 위의 가우스 분포 역시 무한 차원에서는 존재하지 않는다. (이러한 “측도”는 유한 가법 측도로 구성할 수 있으나, 가산 무한 가법성이 일반적으로 성립하지 않는다.) 그러나 힐베르트 공간을 내적과 다른 어떤 특별한 노름으로 완비화하면, 이렇게 하여 얻는 바나흐 공간 위에 가우스 분포의 확률 측도를 정의할 수 있으며, 위너 공간은 이러한 구성이 가능한 바나흐 공간을 일컫는다.

정의 편집

위너 공간의 개념은 두 가지로 정의될 수 있다.

  • 위너 공간은 그 측도의 푸리에 변환이 가우스 함수를 이룬다는 조건으로 추상적으로 정의할 수 있다.
  • 위너 공간은 힐베르트 공간으로부터 구체적으로 정의할 수 있다.

이 두 정의는 서로 동치이다.

푸리에 변환을 통한 정의 편집

다음과 같은 데이터가 주어졌다고 하자.

그렇다면,  이므로

 

이며,   조밀 집합을 이룬다. (여기서  연속 쌍대 공간을 뜻한다.)

만약

 

라면,  위너 공간이라고 한다.

구체적 정의 편집

위너 공간의 개념은 힐베르트 공간으로부터 보다 구체적으로 정의될 수 있다.

분해 가능 실수 힐베르트 공간   위의 기둥 집합의 족   위에, 다음과 같은 유한 가법 측도를 정의할 수 있다.

 
 

특히,

 
 

이다. 그러나 이는 가산 무한 가법성을 충족시키지 못해, 측도를 이루지 못한다. 즉, 이는   위의 (가산 가법) 측도의 제한이 아니다. 이를   위의 기둥 집합 측도(영어: cylinder-set measure)라고 한다.

  위의 (내적 노름과 다를 수 있는) 노름  이 주어졌다고 하자. 만약 다음 조건을 만족시키는 유한 차원 부분 공간들의 열

 

이 존재한다면, 이를 가측 노름(영어: measurable norm)이라고 한다.

임의의 유한 차원 부분 공간  에 대하여, 만약  이라면,  이다.

 의, 어떤 가측 노름  에 대한 완비화인 바나흐 공간

 

가 주어졌다고 하자.  이므로,

 

이다.

그렇다면,  기둥 집합의 족   위에 다음과 같은 측도를 정의할 수 있다.

 
 

이는  로 생성되는 시그마 대수

 

위에 가산 가법으로 유일하게 확장될 수 있다. 즉, 이는 가측 공간   위의 확률 측도를 이룬다. 그렇다면,  위너 공간이라고 한다.

성질 편집

위너 공간  가 주어졌다고 하자. 임의의 유계 범함수  에 대하여,   위의 측도  의 분포 함수는 평균이 0인   위의 정규 분포에 비례한다. 즉, 다음과 같은 꼴이다.

 

또한, 만약  라면,  이다.

존재 편집

임의의 분해 가능 바나흐 공간  에 대하여, 그 위의 위너 공간 구조  가 적어도 하나 이상 존재한다.:Theorem 4.47

페일리-위너 적분 편집

위너 공간  이 주어졌다고 하자. 그렇다면,

 

가 성립한다. 또한,

 

임을 보일 수 있으며, 다음이 성립한다.

 

다시 말해, 등거리 변환선형 변환

 

이 존재한다.   조밀 집합이므로, 이를   전체로 확장할 수 있다. 즉, 등거리 변환단사 선형 변환

 

이 존재한다. 이를 페일리-위너 사상(영어: Paley–Wiener map)이라고 한다. 이에 따라서, 임의의   에 대하여

 

를 정의할 수 있다. 이를 페일리-위너 적분(영어: Paley–Wiener integral)이라고 한다.

캐머런-마틴 정리 편집

위너 공간   에 대하여, 다음을 정의하자.

 
 

그렇다면,   위의 보렐 확률 측도

 

를 정의할 수 있다. 이 경우, 라돈-니코딤 도함수

 

는 다음과 같다.

 

여기서  는 페일리-위너 적분이다. 이를 캐머런-마틴 정리(영어: Cameron–Martin theorem)라고 한다.

연산 편집

두 위너 공간  ,  가 주어졌을 때,   위에 다음 조건으로 결정되는 위너 공간 구조가 존재한다.

 

편집

만약  유클리드 공간(즉, 유한 차원 힐베르트 공간)이며,  라고 하자. 이 경우,   위의 위너 공간 구조의 개념은   위의, 평균이 0인 정규 분포와 같다.

고전 위너 공간 편집

다음과 같은 바나흐 공간을 생각하자.

 
 

그렇다면, 그 속에 다음과 같은 부분 공간을 정의할 수 있다.

 

여기서  소볼레프 공간이다. 즉, 이 부분 공간의 원소는 거의 어디서나 1차 도함수를 가지며, 그 1차 도함수는 르베그 공간  의 원소이다. (도함수의 L2 노름의 제곱은 에너지라고 하며, 따라서  의 원소는 유한 에너지 경로(영어: finite-energy path)라고 한다.) 이는 조밀 집합이며, 그 위에 다음과 같은 힐베르트 공간 구조를 줄 수 있다.

 

이제, 임의의 확률 공간  위너 과정

 

을 생각하자.  의 궤적은 거의 확실하게 연속 함수이므로, 그 궤적들의 확률 분포는   위의 측도를 정의한다. 즉, 임의의 보렐 집합  에 대하여,

 

로 놓는다.

그렇다면,  는 위너 공간을 이룬다. 이를 고전 위너 공간(古典Wiener空間, 영어: classical Wiener space)이라고 한다.

브라운 다리 편집

원을

 

로 정의하자.

L 노름을 가진, 초가 값이 주어진 주기 함수들의 바나흐 공간

 

을 생각하자. 이 위에, 부분 공간

 

을 생각하자. 이는 내적

 

에 의하여 힐베르트 공간을 이룬다.

  위에, 확률 과정

 

의 법칙으로 주어지는 확률 측도를 부여하자. 여기서  위너 과정이다. 그렇다면,  는 위너 공간을 이룬다.:§4.4

힐베르트 공간 위의 위너 공간 구조 편집

분해 가능 힐베르트 공간   및 에르미트 양의 정부호 힐베르트-슈미트 작용소  가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 노름

 

을 정의할 수 있다. 이는 가측 노름임을 보일 수 있으며, 이렇게 하여 정의된 위너 공간  에서   역시 힐베르트 공간을 이룬다.:Corollary 4.62 반대로, 임의의 위너 공간  에서  가 힐베르트 공간이라면, 이는 항상 위와 같은 꼴로 표현된다.:Corollary 4.62

역사 편집

고전 위너 공간은 노버트 위너가 최초로 구성하였다. 이후 레너드 그로스(영어: Leonard Gross)가 (추상적) 위너 공간의 개념을 도입하였다.[3]

페일리-위너 적분은 레이먼드 에드워드 앨런 크리스토퍼 페일리(영어: Raymond Edward Alan Christopher Paley, 1907〜1933)와 노버트 위너의 이름을 땄다.

캐머런-마틴 정리는 로버트 호턴 캐머런(영어: Robert Horton Cameron, 1908〜1989)과 윌리엄 테드 마틴(영어: William Ted Martin, 1911〜2004)이 증명하였다.

참고 문헌 편집

  1. Bell, Denis R. (1987). 《The Malliavin calculus》. Pitman Monographs and Surveys in Pure and Applied Mathematics (영어) 34. John Wiley. ISBN 0-582-99486-1. MR 2250060. 
  2. Eldredge, Nathan (2016). “Analysis and probability on infinite-dimensional spaces”. arXiv:1607.03591. 
  3. Gross, Leonard (1967). 〈Abstract Wiener spaces〉 (PDF). Le Cam, Lucien M.; Neyman, Jerzy. 《Proceedings of the Fifth Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability. Volume Ⅱ. Part Ⅰ. Contributions to probability theory》 (영어). University of California Press. 31–42쪽. MR 212152. [깨진 링크(과거 내용 찾기)]

외부 링크 편집