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a∈Nlet Ta= min{n >0|Sn=a} be the first time that the particle hits levela

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Academic year: 2022

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TU Darmstadt Fachbereich Mathematik

Wilhelm Stannat

WS 2007/08 21.11.07 Probability Theory

7. Aufgabenblatt Gruppen¨ubungen

The following model of a random walk onZwill be considered in G21, H19 and H21:

Let Ω == (x1, . . . , xN|xi∈ {−1,1}}and letP be the uniform distribution on Ω andXi(ω) =xi. Consider the random walk

Sn=X1+. . .+Xn (n= 0,1, . . . , N) of a particle onZwith starting point 0. For 0< a∈Nlet

Ta= min{n >0|Sn=a}

be the first time that the particle hits levela.

Aufgabe G21 (Reflection principle):

Prove that

P[Sn =a−c, Ta ≤n] =P[Sn=a+c]

for every c∈N.

Aufgabe G22 (Arcsin-law):

LetSn(n= 1,2. . . ,2N) be the random walk from above, T0(ω) = min{n >0|Sn(ω) = 0}

be the first time that the particle returns to 0 and

L(ω) = max{0≤n6= 2N|Sn(ω) = 0}

be the last time, the particle visits 0. For the distribution of L we then have that

P[L= 2n] =P[S2n= 0]·P[S2N−2n = 0] = 2−2N µ2n

n

¶µ2N2n N−n

(see H20).

Show that this implies that the distribution µN of 2NL for N ↑ ∞ converges weakly to the distribution with density

f(x) = 1

πp

x(1−x) (0< x <1) and distribution function

F(x) = 2

πarcsin x.

1

(2)

Haus¨ubungen Aufgabe H19:

Prove the following two identities for the distribution ofTa: P[Ta≤n] =P[Sn∈/ [−a, a1]],

P[Ta=n] = 1

2(P[Sn−1=a−1]−P[Sn−1=a+ 1]) = a

nP[Sn=a]

Aufgabe H20:

With the notation of G22 show that

P[T0>2n] =P[S2n = 0]

and

P[L= 2n] =P[S2n= 0]·P[S2N−2n = 0] = 2−2N µ2n

n

¶µ2N2n N−n

(”discrete arcsin-distribution”).

Aufgabe H21:

Given the random walkSn,n∈N, onZ. Prove that lim sup

n↑∞ Sn= +∞, lim inf

n↑∞ Sn=−∞ P-a.s.

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