Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Théorèmes limites pour une marche Markovienne conditionnée à rester positive Ronan LAUVERGNAT Université de Bretagne Sud 1/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique 1 Introduction Positionnement du problème Les modèles résolus La récursion stochastique 2 Existence d’une fonction harmonique Motivation Idées de la preuve Positivité de la fonction harmonique 3 Les théorèmes limites L’exemple brownien Couplage Les théorèmes limites 2/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Théorèmes limites pour une marche Markovienne conditionnée à rester positive On se propose d’étudier l’évolution d’une population. Soit y > 0 la population initiale. Soit Xn la variable aléatoire réelle représentant l’accroissement de la population l’année n. La population l’année n est alors notée y + Sn := y + X1 + · · · + Xn−1 + Xn = y + Sn−1 + Xn . 3/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Théorèmes limites pour une marche Markovienne conditionnée à rester positive Puisque l’on souhaite décrire une population qui ne s’éteint pas, on considère le temps d’arrêt τy := min {k ∈ N∗ , y + Sk 6 0} . Le fait que la population ait survécu jusqu’à l’instant n s’écrit {y + S1 > 0, y + S2 > 0, . . . , y + Sn > 0} = {τy > n} . 4/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Théorèmes limites pour une marche Markovienne conditionnée à rester positive On souhaite déterminer d’une part la probabilité que la population survive : P (τy > n) −→ ???, n→+∞ et d’autre part la loi du nombre de grenouilles sachant que la population a survécue : y + Sn √ τy > n L −→ ???. n→+∞ σ n 5/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Théorèmes limites pour une marche Markovienne conditionnée à rester positive, cas indépendant On suppose les accroissements (Xn )n>1 i.i.d. avec un moment d’ordre 2 : 0 < σ 2 = E X12 < +∞. On suppose également la marche sans dérive : E(X1 ) = 0. 6/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Théorèmes limites pour une marche Markovienne conditionnée à rester positive, cas indépendant On suppose les accroissements (Xn )n>1 i.i.d. avec un moment d’ordre 2 : 0 < σ 2 = E X12 < +∞. On suppose également la marche sans dérive : E(X1 ) = 0. Théorème (temps de sortie) [Spitzer, 1960] Pour tout y > 0, il existe une constante V (y ) > 0 telle que 2V (y ) √ P(τy > n) ∼ n+∞ σ 2πn Théorème (loi limite de la marche conditionnée) [Iglehart, 1974] Pour tout y > 0 et t > 0, t2 y + Sn √ 6 t τy > n = 1 − e − 2 lim P n+∞ σ n (loi de Rayleigh). 6/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Les autres modèles indépendants La sortie d’un cône de Rd , Denisov, D. and Wachtel, V. (2015). Random walks in cones. The Annals of Probability. La sortie de la chambre de Weyl, W = {x = (x (1) , . . . , x (d) ) ∈ Rd , x (1) < · · · < x (d) }, Eichelsbacher, P. and König, W. (2008). Ordered random walks. Electronic Journal of Probability. 7/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Les modèles Markoviens Les sommes itérées, pour tout n > 1, Xn = x + ξ1 + · · · + ξn = Xn−1 + ξn , où x ∈ R et les (ξn )n>1 sont i.i.d. Alors, y + Sn = y + nx + nξ1 + · · · + ξn . Denisov, D. and Wachtel, V. (2015). Exit times for integrated random walks. Annales de l’IHP. Le cas des matrices aléatoires, où (Xn )n>1 est une chaîne de Markov pour laquelle on peut borner les moments de Xn indépendamment de l’état initial, Grama, I., Le Page, É. and Peigné, M. (à paraître). Conditional limit theorems for products of random matrices. 8/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites La récursion stochastique On se munit d’une suite de couples de réels (ai , bi )i>1 . Alors l’accroissement de l’année n + 1 est obtenu par transformation affine de celui de l’année n : Xn+1 = an+1 Xn + bn+1 , ∀n > 0. La suite (Xn )n∈N est une chaîne de Markov y + Sn = y + X1 + · · · + Xn est alors une marche Markovienne. On notera x ∈ R le point de départ de cette chaîne de Markov et Px (resp. Ex ) la probabilité (resp. l’espérance) sachant X0 = x p.s. 9/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Existence d’une unique probabilité invariante Condition 1 (contraction de la dépendance et centrage) α α Il existe α > 2 tel que E (|a1 | ) < 1 et E (|b1 | ) < +∞. De plus E(b1 ) = 0 et P(b1 = 0) 6= 1. Sous la condition 1, la chaîne de Markov (Xn )n>1 admet une unique mesure invariante ν centrée avec des moments d’ordre α, p Eν (X1 ) = 0 et Eν |X1 | < +∞, ∀p ∈ [0, α]. De plus, σ 2 := Varν (X1 ) + 2 +∞ X k=2 Covν (X1 , Xk ) = E(b 2 ) 1 + E(a) > 0. 1 − E(a2 ) 1 − E(a) 10/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites La marche Markovienne non conditionnée Condition 1 (contraction de la dépendance et centrage) α α Il existe α > 2 tel que E (|a1 | ) < 1 et E (|b1 | ) < +∞. De plus E(b1 ) = 0 et P(b1 = 0) 6= 1. Théorème (loi limite de la marche) [Guivarc’h, Le Page, 2008] La marche Markovienne issue de la récursion stochastique renormalisée converge en loi vers la loi normale centrée réduite : il existe σ > 0 telle que pour tout x ∈ R, y ∈ R et t ∈ R, Z t 2 y + Sn 1 √ 6t = √ lim Px e −s /2 ds. n→+∞ σ n 2π −∞ Guivarc’h, Y. and Le Page, E. (2008). On spectral properties of a family of transfer operators and convergence to stable laws for affine random walks. Ergodic Theory and Dynamical Systems. 11/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Décroissance exponentielle de la dépendance des moments Condition 1 (contraction de la dépendance et centrage) α α Il existe α > 2 tel que E (|a1 | ) < 1 et E (|b1 | ) < +∞. De plus E(b1 ) = 0 et P(b1 = 0) 6= 1. Lemme 1 (moments de Xn ) Pour tout p ∈ [2, α], il existe cp > 0 telle que pour tout x ∈ R et n > 1, p |Xn | E1/p x 6 cp + e−cp n |x | . Preuve. Par récurrence, Xn+1 = n Y i=1 ai x + n X k=1 bk n Y ai . i=k+1 12/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique 1 Introduction Positionnement du problème Les modèles résolus La récursion stochastique 2 Existence d’une fonction harmonique Motivation Idées de la preuve Positivité de la fonction harmonique 3 Les théorèmes limites L’exemple brownien Couplage Les théorèmes limites 13/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Le noyau Markovien tronqué aux trajectoires positives la marche (y + Sn )n>1 n’est pas une chaîne de Markov. La suite (Xn , y + Sn )n>0 est une chaîne de Markov. Notons Q(x , y , .) son noyau : ∀(x , y ) ∈ R × R et ∀A ∈ B(R2 ), Q(x , y , A) = Px ((X1 , y + S1 ) ∈ A) . 14/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Le noyau Markovien tronqué aux trajectoires positives la marche (y + Sn )n>1 n’est pas une chaîne de Markov. La suite (Xn , y + Sn )n>0 est une chaîne de Markov. Notons Q(x , y , .) son noyau : ∀(x , y ) ∈ R × R et ∀A ∈ B(R2 ), Q(x , y , A) = Px ((X1 , y + S1 ) ∈ A) . Afin de ne considérer que les trajectoires positives, on définit la restriction de Q(x , y , .) aux ensembles mesurables de R × R∗+ Q+ (x , y , .) := Q(x , y , .) . R×R∗ + Cette mesure n’étant plus une probabilité, Q+ (x , y , R × R∗+ ) < 1, on souhaite renormaliser Q+ . 14/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Les fonctions harmoniques Pour une fonction f : R × R∗+ → R, on définit Q+ f par, pour tout x ∈ R et tout y > 0, Z Q+ f (x , y ) = f (x 0 , y 0 )Q+ (x , y , dx 0 × dy 0 ) R×R∗ + Z = f (x 0 , y 0 )Px (X1 ∈ dx 0 , y + S1 ∈ dy 0 , y + S1 > 0) R×R∗ + = Ex (f (X1 , y + S1 ) ; τy > 1) . Définition (Harmonique) On dit qu’une fonction V : R × R∗+ → R est harmonique si, Q+ V (x , y ) = V (x , y ), ∀(x , y ) ∈ R × R∗+ . 15/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Le noyau de la marche conditionnée Définition (Harmonique) On dit qu’une fonction V : R × R∗+ → R est harmonique si, Q+ V (x , y ) = V (x , y ), ∀(x , y ) ∈ R × R∗+ . On suppose de plus que V (x , y ) > 0, ∀(x , y ) ∈ R × R∗+ , alors, pour tout (x , y ) ∈ R × R∗+ , on définit Q+ (x , y , .) par, pour tout B Borélien de R × R∗+ , 1 (Q+ V )(x , y , B) Q+ (x , y , B) := V (x , y ) Z 1 V (x 0 , y 0 )Q+ (x , y , dx 0 × dy 0 ) = V (x , y ) B 1 = Ex V (X1 , y + S1 ) 1{(X1 ,y +S1 )∈B} . V (x , y ) 16/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Le noyau de la marche conditionnée Définition (Harmonique) On dit qu’une fonction V : R × R∗+ → R est harmonique si, Q+ V (x , y ) = V (x , y ), ∀(x , y ) ∈ R × R∗+ . On suppose de plus que V (x , y ) > 0, ∀(x , y ) ∈ R × R∗+ . L’opérateur Q+ est alors bien un noyau Markovien, Q+ (x , y , R × R∗+ ) = 1 (Q+ V )(x , y ) = 1. V (x , y ) 17/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Construction d’une fonction harmonique Considérons Vn (x , y ) := Ex (y + Sn ; τy > n) . Par la propriété de Markov, on a Vn+1 (x , y ) = Ex (Ex (y + Sn+1 ; τy > n + 1 | F 1 )) = Ex (Vn (X1 , y + S1 ) ; τy > 1) . 18/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Construction d’une fonction harmonique Considérons Vn (x , y ) := Ex (y + Sn ; τy > n) . Par la propriété de Markov, on a Vn+1 (x , y ) = Ex (Ex (y + Sn+1 ; τy > n + 1 | F 1 )) = Ex (Vn (X1 , y + S1 ) ; τy > 1) . Théorème (Existence d’une fonction harmonique) 1 Pour tout x ∈ R et tout y > 0, la limite suivante existe et est finie, V (x , y ) := lim Ex (y + Sn ; τy > n) . n→+∞ 2 La fonction V est Q+ -harmonique. 18/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 1 : approximation par une martingale On pose, pour tout n > 1, ξn = Alors Mn := Xn − E(a)Xn−1 , 1 − E(a) n X ξk = Sn + k=1 (Xn = an Xn−1 + bn−1 ) . E(a) (Xn − x ) 1 − E(a) est une martingale centrée. En notant z := y + E(a) 1−E(a) x , on obtient z + Mn = y + Sn + E(a) Xn . 1 − E(a) 19/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 1 : approximation par une martingale 1/2 2 Notons que, puisque τy < +∞ p.s. et que Ex |Xn | 6 c (1 + |x |), 2 Ex (|Xn | ; τy > n) 6 E1/2 |Xn | P1/2 x x (τy > n) −→ 0. n→+∞ Ainsi, sous réserve que l’une de deux limites existe, lim Ex (y + Sn ; τy > n) = lim Ex (z + Mn ; τy > n) n→+∞ n→+∞ Problème : τy est le temps de sortie de la marche et non celui de la martingale. Tz := inf{k > 1, z + Mk 6 0}. E(a) > 0 E(a) < 0 Tz 6 τy Tz > τy 20/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 1 : approximation par une martingale Xn+1 = an+1 Xn + bn+1 , y + Sn = y + X1 + · · · + Xn , z + Mn = y + Sn + E(a) Xn . 1 − E(a) 21/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 2 : un premier majorant Condition 2 On supposera dans toute la suite que E(a) > 0. Lemme 2 (majorant d’ordre n1/2−2 ) Il existe 0 > 0 tel que pour tout ∈]0; 0 [, x ∈ R, y > 0 et n ∈ N, Ex (z + Mn ; τy > n) 6 z + c |x | + cn1/2−2 . Idée de la preuve : Par un petit calcul, en utilisant la propriété de martingale, on se ramène au temps de sortie τy : Ex (z + Mn ; τy > n) = Ex (z + Mn ) − Ex (z + Mn ; τy 6 n) = z − Ex E z + Mn ; τy 6 n Fτy = z − Ex z + Mτy ; τy 6 n . 22/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 2 : un premier majorant Au temps τy , nous avons, E(a) Xτ < 0 1 − E(a) y 1 1 = y + Sτy −1 + Xτ > Xτ . 1 − E(a) y 1 − E(a) y z + Mτy = y + Sτy + 23/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 2 : un premier majorant Condition 2 On supposera dans toute la suite que E(a) > 0. Lemme 2 (majorant d’ordre n1/2−2 ) Il existe 0 > 0 tel que pour tout ∈]0; 0 [, x ∈ R, y > 0 et n ∈ N, Ex (z + Mn ; τy > n) 6 z + c |x | + cn1/2−2 . Idée de la preuve : Par un petit calcul, en utilisant la propriété de martingale, on se ramène au temps de sortie τy : Ex (z + Mn ; τy > n) = Ex (z + Mn ) − Ex (z + Mn ; τy 6 n) = z − Ex E z + Mn ; τy 6 n Fτy = z − Ex z + Mτy ; τy 6 n 6 z + cEx Xτy ; τy 6 n . 24/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme Lemme 2 (majorant d’ordre n1/2−2 ) Il existe 0 > 0 tel que pour tout ∈]0; 0 [, x ∈ R, y > 0 et n ∈ N, Ex (z + Mn ; τy > n) 6 z + c |x | + cn1/2−2 . Si z = y + E(a) 1−E(a) x > n1/2− , alors immédiatement, Ex (z + Mn ; τy > n) 6 2z + c |x | . Si z 6 n1/2− on attend que z + Mn devienne plus grand que n1/2− . Définition (temps d’atteinte des grandes valeurs) Pour tout x ∈ R, y > 0, > 0 et n > 1, n o νn := inf k > 1, |y + Sk | > n1/2− . 25/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme Définition (temps d’atteinte des grandes valeurs) Pour tout x ∈ R, y > 0, > 0 et n > 1, n o νn := inf k > 1, |y + Sk | > n1/2− . Lemme 3 (Concentration de νn ) Pour tout p ∈ (2, α), il existe 0 > 0 tel que pour tout ∈ (0, 0 ), δ > 0, x ∈ R, y > 0 et n > 1, 1−2 cp,,δ p Px νn > δ n1− 6 p/2−p + e−cp,,δ n |x | . n 26/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme Lemme 3 (majorant uniforme) Pour tout p ∈]2; α[, x ∈ R, y > 0 et n ∈ N, on a p−1 Ex (z + Mn ; τy > n) 6 cp (1 + y + |x |) (1 + |x |) Idée de preuve : (concentration de νn ) . Ex (z + Mn ; τy > n) Cp, (x , y ) Ex z + Mn ; τy > n , νn 6 n1− + n 1/2− (majorant d’ordre n ) cp 6 1 + Ex z + Mνn + c |Xνn | ; τy > νn , νn 6 n1− n Cp, (x , y ) + n (sous-martingale) cp 6 1 + Ex z + Mbn1− c ; τy > n1− , νn 6 n1− n Cp, (x , y ) . + cEx |Xνn | ; τy > νn , νn 6 n1− + n 27/45 6 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme 28/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme 29/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme 30/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme 31/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme 32/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Étape 3 : un majorant uniforme 33/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Existence d’une fonction harmonique Lemme 3 (majorant uniforme) Pour tout p ∈]2; α[, x ∈ R, y > 0 et n ∈ N, on a p−1 Ex (z + Mn ; τy > n) 6 cp (1 + y + |x |) (1 + |x |) . Théorème (Existence d’une fonction harmonique) 1 Pour tout x ∈ R et tout y > 0, la limite suivante existe et est finie, V (x , y ) := lim Ex (z + Mn ; τy > n) = −Ex Mτy n→+∞ = lim Ex (y + Sn ; τy > n) . n→+∞ 2 La fonction V est Q+ -harmonique. Rappel : en notant Vn (x , y ) := Ex (y + Sn ; τy > n), on a Vn+1 (x , y ) = Ex (Vn (X1 , y + S1 ) ; τy > 1) . 34/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Positivité de la fonction harmonique V Propriétés de la fonction harmonique Pour tout x ∈ R et tout y > 0, V (x , y ) > 0. Pour tout x ∈ R, lim y →+∞ V (x , y ) = 1. y 35/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Positivité de la fonction harmonique V Propriétés de la fonction harmonique Pour tout x ∈ R et tout y > 0, V (x , y ) > 0. Pour tout x ∈ R, lim y →+∞ V (x , y ) = 1. y Condition 3 On suppose que pour tout x ∈ R et tout y > 0, Px (τy > 1) = Px (y + X1 > 0) = P (ax + b > 0) > 0. Positivité de V Pour tout x ∈ R et tout y > 0, V (x , y ) > 0. 35/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Positivité de la fonction harmonique V Condition 3 On suppose que pour tout x ∈ R et tout y > 0, Px (τy > 1) = Px (y + X1 > 0) = P (a1 x + b1 > −y ) > 0. Condition 3bis La loi du couple (a1 , b1 ) est telle que pour tout C > 0, P (b1 > C |a1 |) > 0. b1 0 a1 36/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Tracé de la fonction harmonique a ∼ N (0.5, 0.8) et b ∼ N (0, 1) 37/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Tracé de la fonction harmonique a ∼ U ([0, 1]) et b ∼ L (0, 1/2) 38/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique 1 Introduction Positionnement du problème Les modèles résolus La récursion stochastique 2 Existence d’une fonction harmonique Motivation Idées de la preuve Positivité de la fonction harmonique 3 Les théorèmes limites L’exemple brownien Couplage Les théorèmes limites 39/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites L’exemple brownien Définition (temps de sortie du mouvement Brownien τybm := min{t > 0, y + σBt 6 0}, Proposition [Lévy, 1954] Pour tout y > 0 et n > 1, Z y t2 2 bm P τy > n = √ e − 2nσ2 dt 2πnσ 0 ∼ n→+∞ √ 2y . 2πnσ Pour tout y > 0, n > 1 et t > 0, Z t √n (s+y )2 (s−y )2 y + σBn 1 bm √ P 6 t ; τy > n = √ e − 2nσ2 − e − 2nσ2 ds. n 2πnσ 0 Notamment, P t2 y + σBn √ 6 t τybm > n −→ 1 − e− 2σ2 . n→+∞ n 40/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Approximation de la marche par le mouvement Brownien Théorème [Grama, Le Page, Peigné, 2014] Pour tout p ∈]2; α[, il existe 0 > 0 tel que pour tout ∈]0, 0 [, x ∈ R et n > 1, ! p cp, 1 + |x | 1/2− Px sup S[nt] − σBnt > n . 6 n t∈[0,1] Grama, I. and Le Page, É. and Peigné, M. (2014). On the rate of convergence in the weak invariance principle for dependent random variables with application to Markov chains. Colloquium Mathematicum. A nouveau lorsque le point de départ y > n1/2− , on est capable d’approcher la marche par le Brownien. Lorsque y est quelconque, on se place au temps νn . 41/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Les théorèmes limites Théorème (temps de sortie) Il existe σ > 0 tel que pour tout x ∈ R et tout y > 0, 2V (x , y ) √ Px (τy > n) ∼ . n+∞ σ 2πn Théorème (loi limite de la marche conditionnée) Pour tout x ∈ R, tout y > 0 et tout t > 0, t2 y + Sn √ 6 t τy > n = 1 − e − 2 lim Px n+∞ σ n (loi de Rayleigh). 42/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites La densité de Rayleigh 43/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Perspectives Généraliser à toute chaîne de Markov ayant un trou spectral Les chaînes de Markov à espace d’états finis. Les matrices aléatoires Xn+1 = An+1 Xn + Bn+1 . Théorème fonctionnel, type Donsker : l’interpolation de la marche, conditionnée à rester positive, ramenée à l’intervalle [0, 1], y +S[nt] √ Sn (t) = σ n τy > n , converge en loi vers le méandre brownien. 44/45 Introduction Existence d’une fonction harmonique Les théorèmes limites Merci ! 45/45