第 08 章 读懂数学证明与符号
这套教材的底本里,有几本是用「定义—定理—证明」的格式写的:《Matrix Analysis》几乎每页都有定理,《All of Statistics》和《Numerical Optimization》里也有大量证明。第一次读这类文字,难点往往不在数学本身,而在语言:\(\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0\) 怎么读,「充分条件」和「必要条件」哪个是哪个,「不失一般性」省掉了什么,一个证明为什么从「假设结论不成立」开始。
本章不教新的数学内容,只教读法。目标是:遇到一条定理,你能说清它在什么条件下断言了什么;遇到一段证明,你能跟上每一步的理由;遇到一个陌生符号,你能在本章末的速查表里查到它的意思。
你在审计和 CFA 里其实已经练过类似的思维。审计里「抽查 100 张凭证没发现问题」不能证明「所有凭证都没问题」,但发现一张有问题就足以推翻「所有凭证都没问题」。这就是本章要讲的全称命题和反例。
学习目标
- 会读逻辑符号 \(\neg,\wedge,\vee,\Rightarrow,\iff\) 和量词 \(\forall,\exists\),会写出带量词命题的否定。
- 分清充分条件、必要条件、充要条件,知道「不相关」与「独立」的关系为什么只有一个方向。
- 知道原命题与逆否命题等价、与逆命题不等价,能识别「肯定后件」的推理错误。
- 认识五种常见证明方法:直接证明、反证法、逆否证明、数学归纳法、构造法,以及用反例推翻命题。
- 会按「条件—结论—为什么需要每个条件」的方式读定理,会逐行检查证明的依据。
- 熟悉「不失一般性」「几乎必然」「充分大」等常用说法,记住希腊字母读音和全书常用记号。
8.1 命题与逻辑连接词
8.1.1 命题
定义。 命题是一个可以判断真假的陈述句。
- 「平价债券的票息率等于到期收益率」是命题,而且为真。
- 「若 \(g\ge r\),Gordon 模型给出有限的股价」是命题,为假(第 04 章)。
- 「这只股票会涨吗?」不是命题,它是问句。
- 「\(x>0\)」单独看不是命题,因为不知道 \(x\) 是多少。加上量词(「对所有 \(x\)」或「存在 \(x\)」)或给定 \(x\) 的值后才是命题。
8.1.2 五个连接词
| 符号 | 读法 | 含义 | 何时为真 |
|---|---|---|---|
| \(\neg P\) | 非 \(P\) | 否定 | \(P\) 为假时 |
| \(P\wedge Q\) | \(P\) 且 \(Q\) | 合取 | 两者都真时 |
| \(P\vee Q\) | \(P\) 或 \(Q\) | 析取 | 至少一个为真时 |
| \(P\Rightarrow Q\) | 若 \(P\) 则 \(Q\);\(P\) 蕴含 \(Q\) | 蕴含 | 除「\(P\) 真而 \(Q\) 假」外都为真 |
| \(P\iff Q\) | \(P\) 当且仅当 \(Q\) | 等价 | 两者同真或同假时 |
两点和日常用语不同,需要特别注意。
「或」是可兼的。 数学里「\(P\) 或 \(Q\)」包括两者都成立的情形。「组合的波动率下降或收益上升」在两者同时发生时也为真。日常中文的「或」有时是「二选一」,数学里不是。
「若 \(P\) 则 \(Q\)」在 \(P\) 为假时自动为真。 这一点最反直觉。看 \(P\Rightarrow Q\) 的真值表:
| \(P\) | \(Q\) | \(P\Rightarrow Q\) |
|---|---|---|
| 真 | 真 | 真 |
| 真 | 假 | 假 |
| 假 | 真 | 真 |
| 假 | 假 | 真 |
用合同条款来理解:「若股价跌破 80 元,则追加保证金」。只有一种情况算违约:股价跌破了 80 元,却没有追加保证金。股价没跌破时,追加或不追加都不违约。所以前提为假时,蕴含命题为真。这种情况叫「空真」(vacuous truth)。
这在读定理时有实际意义。比如「若 \(\Sigma\) 正定,则最小方差组合唯一」。当 \(\Sigma\) 不正定时,这条定理什么也没说,既不保证唯一,也不说一定不唯一。
8.1.3 否定的规则(德摩根律)
数值例。 风控规则「单票权重不超过 5% 且行业权重不超过 20%」。它的否定是「单票权重超过 5%,或行业权重超过 20%」,任一条违规就算违规。「若 \(P\) 则 \(Q\)」的否定不是「若 \(P\) 则非 \(Q\)」,而是「\(P\) 成立但 \(Q\) 不成立」,也就是找到一个反例。
8.2 量词 \(\forall\) 与 \(\exists\)
8.2.1 两个量词
| 符号 | 读法 | 含义 |
|---|---|---|
| \(\forall x\) | 对所有 \(x\),对任意 \(x\) | 全称量词(A 倒过来,取自 All) |
| \(\exists x\) | 存在 \(x\),至少有一个 \(x\) | 存在量词(E 反过来,取自 Exists) |
| \(\exists!\,x\) | 存在唯一的 \(x\) | 恰好一个 |
金融例子。
- 协方差矩阵半正定:\(\forall w\in\mathbb R^n,\ w^\top\Sigma w\ge0\)。读作「对任意权重向量 \(w\),组合方差非负」。
- 存在套利机会:\(\exists\) 一个组合,初始成本 \(\le0\),未来收益恒 \(\ge0\) 且以正概率 \(>0\)。
- 最小方差组合存在且唯一:\(\exists!\,w^*\) 使 \(w^{*\top}\Sigma w^*=\min_{\mathbf 1^\top w=1}w^\top\Sigma w\)。
8.2.2 量词的顺序不能随便换
比较两句话:
- (A) \(\forall\) 股票 \(i\),\(\exists\) 一个因子 \(f\),使 \(f\) 能解释 \(i\) 的收益。
- (B) \(\exists\) 一个因子 \(f\),\(\forall\) 股票 \(i\),\(f\) 能解释 \(i\) 的收益。
(A) 说每只股票都有自己的解释因子,可以各不相同;(B) 说有一个因子能解释所有股票。(B) 比 (A) 强得多:(B) 能推出 (A),反过来不行。
最典型的例子是极限定义(第 01 章):
\(\exists N\) 写在 \(\forall\varepsilon\) 之后,意思是 \(N\) 可以依赖 \(\varepsilon\):误差要求越严格,\(N\) 可以越大。如果改成「\(\exists N,\forall\varepsilon\)」,就成了「存在一个位置,之后所有项与 \(L\) 的距离小于任何正数」,即之后全都等于 \(L\),这是完全不同的意思。
读法技巧:从左往右读,把它当成一个对话游戏。\(\forall\) 是对手出招(他可以任选),\(\exists\) 是你应招(你可以根据对手的招来选)。「对手任给 \(\varepsilon\),你找一个 \(N\),然后对手任选 \(n>N\),你要保证 \(|a_n-L|<\varepsilon\)。」你能保证每局都赢,命题就成立。
「一致」的含义。 教材里常见「一致收敛」「一致连续」。区别就在量词顺序:「对每个 \(x\),存在 \(N\)」是逐点的,\(N\) 可以随 \(x\) 变;「存在 \(N\),对所有 \(x\)」是一致的,同一个 \(N\) 对所有 \(x\) 都管用。
8.2.3 带量词命题的否定
规则:\(\forall\) 和 \(\exists\) 互换,最后把里面的命题否定掉。
例 1。 「所有基金都跑赢了基准」的否定是「至少有一只基金没跑赢基准」,而不是「所有基金都没跑赢」。
例 2:数列不收敛到 \(L\)。 对极限定义逐层否定:
读作:存在某个误差 \(\varepsilon\),无论走多远(任意 \(N\)),后面总还有某一项与 \(L\) 的距离至少是 \(\varepsilon\)。以 \(a_n=(-1)^n\)、\(L=1\) 为例,取 \(\varepsilon=1\),任意 \(N\) 之后总有奇数项 \(a_n=-1\),与 1 的距离是 \(2\ge1\),所以不收敛到 1。
例 3:无套利。 「市场无套利」是「不存在套利组合」,即 \(\neg\exists\),等价于「\(\forall\) 组合,若未来收益恒 \(\ge0\) 且以正概率 \(>0\),则初始成本 \(>0\)」。第 08 册第 28 章的鞅定价从这个全称形式出发。
8.3 充分条件与必要条件
8.3.1 定义
若 \(P\Rightarrow Q\) 为真:
- \(P\) 是 \(Q\) 的充分条件:有 \(P\) 就够了,\(Q\) 一定成立。
- \(Q\) 是 \(P\) 的必要条件:没有 \(Q\),\(P\) 就不可能成立。
若 \(P\iff Q\),则 \(P\) 是 \(Q\) 的充要条件(充分必要条件),常写作「当且仅当」(if and only if,缩写 iff)。
记忆方法:箭头从充分指向必要。\(P\Rightarrow Q\) 中,\(P\) 在箭尾(充分),\(Q\) 在箭头(必要)。
「当且仅当」拆开读。 「\(P\) 当且仅当 \(Q\)」= 「\(P\) 当 \(Q\)」(\(Q\Rightarrow P\),if)+ 「\(P\) 仅当 \(Q\)」(\(P\Rightarrow Q\),only if)。「仅当」那一半是必要条件。
8.3.2 金融里的例子
| 命题 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
| 无套利 \(\Rightarrow\) 看跌看涨平价成立 | 平价是无套利的必要条件 | 平价被违反,就一定有套利 |
| 级数收敛 \(\Rightarrow\) 通项趋于 0 | 通项趋于 0 是必要条件 | 不充分:调和级数(第 04 章) |
| \(\lvert q\rvert<1\iff\sum q^k\) 收敛 | 充要 | 几何级数 |
| 独立 \(\Rightarrow\) 不相关 | 不相关是独立的必要条件 | 不充分,见下例 |
| \(\Sigma\) 正定 \(\Rightarrow\Sigma\) 可逆 | 正定是可逆的充分条件 | 不必要:\(\mathrm{diag}(1,-1)\) 可逆但不正定 |
| \(\nabla f(x^*)=0\) 且 \(H\) 正定 \(\Rightarrow x^*\) 是严格局部极小 | 充分 | 不必要:\(x^4\) 在 0 点 \(f''=0\) 但仍是极小 |
| \(x^*\) 是内点极小 \(\Rightarrow\nabla f(x^*)=0\) | 梯度为零是必要条件 | 不充分:鞍点(第 05 章) |
8.3.3 例:不相关不等于独立
命题。 若 \(X,Y\) 独立,则 \(\operatorname{Cov}(X,Y)=0\)。反之不成立。
反例。 \(X\sim N(0,1)\),\(Y=X^2\)。\(Y\) 完全由 \(X\) 决定,显然不独立。但
第一项为零是因为标准正态关于 0 对称,奇数阶矩都为零。
import numpy as np
rng = np.random.default_rng(0)
X = rng.standard_normal(1_000_000)
Y = X**2
print(f"corr(X, Y) = {np.corrcoef(X, Y)[0, 1]:+.4f}")
print(f"P(Y > 1) = {np.mean(Y > 1):.4f}")
print(f"P(Y > 1 | |X| > 1) = {np.mean(Y[np.abs(X) > 1] > 1):.4f}")
输出:
corr(X, Y) = +0.0005
P(Y > 1) = 0.3177
P(Y > 1 | |X| > 1) = 1.0000
样本相关系数几乎为零,但知道 \(|X|>1\) 后,\(Y>1\) 的概率从 31.8% 跳到 100%。相关系数只度量线性关系。金融里的例子是:日收益与次日的收益平方(波动率聚集)几乎不相关,却明显相依。GARCH 模型正是建立在「收益不相关但不独立」之上(第 06 册第 03a 章)。
例外:若 \((X,Y)\) 联合正态,不相关与独立等价。这条定理的条件「联合正态」不能省,两个边缘分布各自正态是不够的。
8.4 原命题、逆命题、否命题、逆否命题
8.4.1 四种形式
以「若市场有效,则不存在持续的超额收益」为例,记 \(P\)=「市场有效」,\(Q\)=「不存在持续的超额收益」:
| 名称 | 形式 | 例子 | 与原命题的关系 |
|---|---|---|---|
| 原命题 | \(P\Rightarrow Q\) | 若市场有效,则不存在持续超额收益 | |
| 逆命题 | \(Q\Rightarrow P\) | 若不存在持续超额收益,则市场有效 | 不等价 |
| 否命题 | \(\neg P\Rightarrow\neg Q\) | 若市场无效,则存在持续超额收益 | 不等价(与逆命题等价) |
| 逆否命题 | \(\neg Q\Rightarrow\neg P\) | 若存在持续超额收益,则市场无效 | 等价 |
为什么逆否命题等价。 \(P\Rightarrow Q\) 唯一为假的情况是「\(P\) 真且 \(Q\) 假」。\(\neg Q\Rightarrow\neg P\) 唯一为假的情况是「\(\neg Q\) 真且 \(\neg P\) 假」,也就是「\(Q\) 假且 \(P\) 真」。两者为假的情况完全相同,所以真值永远相同。
8.4.2 两种常见推理错误
- 肯定后件:由 \(P\Rightarrow Q\) 和 \(Q\) 推出 \(P\)。例:「若策略有效,回测夏普会很高;回测夏普很高,所以策略有效」。错。过拟合的策略也能有高回测夏普(第 03 册第 10b 章)。
- 否定前件:由 \(P\Rightarrow Q\) 和 \(\neg P\) 推出 \(\neg Q\)。例:「若数据服从正态分布,则 \(t\) 检验有效;数据不服从正态分布,所以 \(t\) 检验无效」。错。大样本下由中心极限定理,\(t\) 检验仍近似有效。
正确的推理只有两种:由 \(P\Rightarrow Q\) 和 \(P\) 推出 \(Q\)(肯定前件);由 \(P\Rightarrow Q\) 和 \(\neg Q\) 推出 \(\neg P\)(否定后件)。
8.4.3 假设检验的逻辑
假设检验就是「否定后件」的概率版本:
- 若 \(H_0\) 为真,则检验统计量大概率落在某个范围内(\(P\Rightarrow Q\),「大概率」意义下)。
- 观察到统计量落在范围外(\(\neg Q\))。
- 所以有理由拒绝 \(H_0\)(\(\neg P\))。
反过来,统计量落在范围内(\(Q\))时,不能推出 \(H_0\) 为真(那是肯定后件)。这就是为什么规范的说法是「不能拒绝 \(H_0\)」,而不是「接受 \(H_0\)」。
8.5 常见的证明方法
8.5.1 直接证明
从已知条件出发,每一步用定义、已证定理或代数运算,直到推出结论。
例:协方差矩阵半正定。 要证 \(\forall w\),\(w^\top\Sigma w\ge0\)。
- 设收益向量 \(r\) 的协方差矩阵为 \(\Sigma\),任取权重 \(w\)。(全称命题的标准开头:「任取」一个,不对它做额外假设。)
- 组合收益 \(r_p=w^\top r\) 是一个随机变量,它的方差 \(\operatorname{Var}(r_p)=w^\top\Sigma w\)。(依据:方差的二次型公式,第 06、07 章。)
- 任何随机变量的方差都 \(\ge0\),因为它是平方的期望。(依据:方差定义。)
- 所以 \(w^\top\Sigma w\ge0\)。由于 \(w\) 是任取的,结论对所有 \(w\) 成立。\(\square\)
第 4 步的「由于 \(w\) 是任取的」是证明全称命题的关键:如果对一个没有任何特殊性质的 \(w\) 证明了结论,那么它对所有 \(w\) 都成立。
8.5.2 反证法
结构。 要证 \(Q\),先假设 \(\neg Q\),推出一个矛盾(与已知条件、已证定理或常识相悖),所以 \(\neg Q\) 不成立,\(Q\) 成立。
例:看跌看涨平价(欧式、无股息)。 要证 \(C-P=S_0-Ke^{-rT}\)。
- 假设不成立,比如 \(C-P>S_0-Ke^{-rT}\)。
- 构造组合:卖出看涨、买入看跌、买入股票、借入 \(Ke^{-rT}\)。初始现金流为 \(C-P-S_0+Ke^{-rT}>0\),即期初净收入。
- 到期时,无论 \(S_T\) 是多少,股票加看跌减看涨的价值恰好是 \(K\)(分 \(S_T>K\) 和 \(S_T\le K\) 两种情况验证),正好还清借款 \(K\)。到期净现金流为 0。
- 期初拿钱、期末不付钱,这是套利,与无套利假设矛盾。
- 同理 \(C-P<S_0-Ke^{-rT}\) 也矛盾(把组合反过来)。所以等号成立。\(\square\)
你在 CFA 里学的「套利论证」都是反证法:假设价格偏离,构造套利,与无套利矛盾。
数值例。 \(S_0=100\),\(K=100\),\(r=5\%\),\(T=1\),则 \(S_0-Ke^{-rT}=100-95.12=4.88\)。若市场上 \(C=10.45\),\(P=5.00\),\(C-P=5.45>4.88\)。按上面的组合操作,期初净收入 \(0.57\),期末净现金流 0。
例:最优组合中持仓资产的边际方差相等。 第 05 章用拉格朗日乘子推出了这个结论。反证法给出直觉:假设两只持仓资产的边际方差不等,比如 \((2\Sigma w)_1<(2\Sigma w)_2\),那么从资产 2 挪 \(\epsilon\) 权重到资产 1,方差的一阶变化是 \(\epsilon[(2\Sigma w)_1-(2\Sigma w)_2]<0\),方差下降,与「\(w\) 是最优」矛盾。
8.5.3 逆否证明
要证 \(P\Rightarrow Q\),改证等价的 \(\neg Q\Rightarrow\neg P\)。当「\(\neg Q\)」比「\(P\)」更容易下手时,这样做更方便。
例。 证明:若 \(n^2\) 是偶数,则 \(n\) 是偶数。
直接证不好下手(从 \(n^2\) 偶推 \(n\) 要开方)。改证逆否命题:若 \(n\) 是奇数,则 \(n^2\) 是奇数。设 \(n=2k+1\),则 \(n^2=4k^2+4k+1=2(2k^2+2k)+1\),是奇数。\(\square\)
与反证法的区别。 逆否证明是从 \(\neg Q\) 出发,目标是推出 \(\neg P\);反证法是同时假设 \(P\) 和 \(\neg Q\),目标是推出任意一个矛盾。逆否证明可以看作反证法的特例。读证明时,看到「假设……不成立」开头,就知道是这两种之一。
8.5.4 数学归纳法
用途。 证明「对所有正整数 \(n\),\(P(n)\) 成立」。
结构。
- 基础步:证明 \(P(1)\) 成立。
- 归纳步:假设 \(P(k)\) 成立(归纳假设),证明 \(P(k+1)\) 成立。
- 结论:\(P(n)\) 对所有 \(n\ge1\) 成立。
直觉。 多米诺骨牌:第一块会倒(基础步),每一块倒下都会推倒下一块(归纳步),所以全部会倒。
例 1:等比求和公式。 证明 \(q\ne1\) 时 \(\sum_{j=0}^{n-1}q^j=\dfrac{1-q^n}{1-q}\)。
- 基础步 \(n=1\):左边 \(=q^0=1\),右边 \(=\frac{1-q}{1-q}=1\)。成立。
- 归纳步:假设 \(n=k\) 时成立。则
\[\sum_{j=0}^{k}q^j=\underbrace{\sum_{j=0}^{k-1}q^j}_{\text{用归纳假设}}+q^k=\frac{1-q^k}{1-q}+\frac{q^k(1-q)}{1-q}=\frac{1-q^k+q^k-q^{k+1}}{1-q}=\frac{1-q^{k+1}}{1-q}.\]这正是 \(n=k+1\) 时的公式。\(\square\)
例 2:复利不低于单利(伯努利不等式)。 证明 \(r>-1\) 时,对所有 \(n\ge1\),\((1+r)^n\ge1+nr\)。
- 基础步 \(n=1\):\(1+r\ge1+r\),成立。
- 归纳步:假设 \((1+r)^k\ge1+kr\)。两边乘正数 \(1+r\)(这里用到 \(r>-1\)):
\[(1+r)^{k+1}\ge(1+kr)(1+r)=1+(k+1)r+kr^2\ge1+(k+1)r.\]最后一步因为 \(kr^2\ge0\)。\(\square\)
数值例。 \(r=5\%\),\(n=10\):\(1.05^{10}=1.6289\ge1.5\)。差额 \(0.1289\) 就是「利滚利」。
常见误解:验证很多个 \(n\) 不等于证明。 下面的经典例子说明为什么必须有归纳步。
# 「验证了很多个 n」不等于证明:n^2 + n + 41 对 n=0..39 都是素数
def is_prime(m):
return m > 1 and all(m % d for d in range(2, int(m**0.5) + 1))
first_fail = next(n for n in range(1000) if not is_prime(n * n + n + 41))
print("前 40 个值全为素数:", all(is_prime(n * n + n + 41) for n in range(40)))
print(f"第一个反例 n = {first_fail}, 值 = {first_fail**2 + first_fail + 41} = 41 x {(first_fail**2 + first_fail + 41)//41}")
# 归纳法证明过的公式:1 + q + ... + q^(n-1) = (1 - q^n)/(1 - q),用分数精确检验
from fractions import Fraction
q = Fraction(1, 1) / Fraction(105, 100)
ok = all(sum(q**k for k in range(n)) == (1 - q**n) / (1 - q) for n in range(1, 200))
print("n = 1..199 精确相等:", ok)
输出:
前 40 个值全为素数: True
第一个反例 n = 40, 值 = 1681 = 41 x 41
n = 1..199 精确相等: True
\(n^2+n+41\) 连续 40 个值都是素数,第 41 个就失败了。回测也是一样:一个规律在过去 40 个月成立,不代表它是一条定理。等比求和公式的数值检验只是一个合理性检查,真正保证它对所有 \(n\) 成立的是上面的归纳证明。
变体。 强归纳法:归纳步假设 \(P(1),\dots,P(k)\) 全部成立,再证 \(P(k+1)\)。算法分析中的递归式(第 09 册第 04b 章「代入法」)常用强归纳。
8.5.5 构造法
用途。 证明「存在某个对象」时,直接把它造出来。
例:单步二叉树中期权价格的存在性。 股价 \(S_0=100\),一期后变为 120 或 90,无风险利率每期 0(简化)。看涨期权行权价 100,到期支付 20 或 0。要证「存在一个由股票和债券组成的组合,在两种状态下都复制期权支付」。
构造:持有 \(\Delta\) 股股票和 \(B\) 元债券,要求
相减得 \(30\Delta=20\),\(\Delta=2/3\);代回得 \(B=-60\)。组合成本 \(100\times\frac23-60=6.67\)。复制组合造出来了,无套利条件下期权价格就是 6.67。这是一个构造性证明:它不仅说「存在」,还告诉你那个对象是什么。
与之对照,有些存在性证明是非构造的,比如「连续函数在闭区间上一定取到最大值」,它保证最大值点存在,但不告诉你在哪里。数值优化要解决的正是「存在但不知道在哪」的问题。
8.5.6 反例
用途。 推翻全称命题。「\(\forall x,P(x)\)」只要找到一个 \(x\) 使 \(P(x)\) 不成立,就被推翻了。
本章已经出现过几个反例:\(Y=X^2\) 推翻「不相关 ⇒ 独立」;调和级数推翻「通项趋于 0 ⇒ 收敛」;\(n=40\) 推翻「\(n^2+n+41\) 总是素数」。
反例越简单越好。读教材时,看到一个定理有好几个条件,问一问「去掉这个条件会怎样」,书上通常会给出相应的反例。这是理解定理的最快方法。
8.6 定义、定理、引理、推论的读法
8.6.1 各自是什么
| 名称 | 作用 | 读的时候 |
|---|---|---|
| 定义(Definition) | 给一个概念命名,规定它的含义 | 逐字读,举一个例子和一个反例 |
| 定理(Theorem) | 重要的结论 | 分清条件和结论,理解每个条件为何需要 |
| 命题(Proposition) | 次要一些的结论 | 同定理 |
| 引理(Lemma) | 为证明定理准备的辅助结论 | 先看它被用在哪里,再回来读 |
| 推论(Corollary) | 由定理直接推出的结论 | 通常是定理的特例,代入即可 |
| 注(Remark) | 解释、提醒、推广 | 常含有反例或直觉,别跳过 |
| 例(Example) | 具体计算 | 自己先算一遍 |
定义里的「若」其实是「当且仅当」。 「若 \(\forall w\ne0\),\(w^\top Aw>0\),则称 \(A\) 正定。」定义是双向的:满足条件就叫正定,叫正定就满足条件。这是数学写作的惯例。
「良定义」(well-defined)。 定义一个量时,要保证它不依赖于无关的选择。例如第 01 册说「本原矩阵函数 \(f(A)=Sf(\Lambda)S^{-1}\) 与 \(S\) 的选取无关」,就是在说它是良定义的:对角化 \(A\) 的方式不唯一,但结果一样。
8.6.2 读定理的四个问题
以「若 \(\Sigma\) 正定,则最小方差组合存在唯一,为 \(w^*=\Sigma^{-1}\mathbf 1/(\mathbf 1^\top\Sigma^{-1}\mathbf 1)\)」为例。
- 条件是什么? \(\Sigma\) 正定。(隐含条件:只有满仓约束 \(\mathbf 1^\top w=1\),允许卖空。)
- 结论是什么? 存在、唯一、具体表达式,三件事。
- 每个条件为什么需要? 去掉正定:若 \(\Sigma\) 只是半正定,比如两只资产完全正相关且波动率相同,\(\Sigma^{-1}\) 不存在,公式失效;此时任何权重组合方差都相同,最优解不唯一。
- 能不能举个数值例子? 第 05 章的三资产例子:\(w^*=(0.6616,0.2228,0.1156)\)。
把这四个问题写在定理旁边,比反复读定理本身有效得多。
8.6.3 读证明的方法
- 先看结构。 是直接证明、反证、归纳,还是构造?第一句通常会告诉你(「假设……不成立」「对 \(n\) 归纳」「令……」)。
- 逐行问依据。 每个等号、不等号、「因此」后面都应该能说出依据:定义、前面的引理、某个不等式、代数运算。说不出来的那一步就是你要停下来想的地方。
- 用具体数字走一遍。 把一般的 \(n\) 换成 2,把一般的矩阵换成 \(2\times2\) 的具体矩阵,看每一步是否成立。
- 允许暂时跳过。 第一遍读不懂的证明,先接受结论,把定理用起来,回头再读。很多证明的技巧性部分对应用无关紧要。本书的目标是读懂推导,不是成为数学家。
8.7 常用说法
| 说法 | 英文 | 意思与读法 |
|---|---|---|
| 不失一般性(WLOG) | without loss of generality | 只证一种情况,其余情况同理或可化归。例:「不失一般性,设 \(x\le y\)」,因为 \(x>y\) 时交换两者名字即可。读时要确认「其余情况」确实能化归 |
| 显然、易见、容易验证 | clearly, obviously, it is easy to see | 作者认为不需要写。对读者未必显然,自己补出来 |
| 充分大、充分小 | sufficiently large/small | 存在某个阈值,超过(低于)它就成立。例:「\(n\) 充分大时 \(\lvert r/n\rvert<1\)」 |
| 任意、任给 | arbitrary, for any | 全称量词。「任给 \(\varepsilon>0\)」= \(\forall\varepsilon>0\) |
| 至多、至少 | at most, at least | \(\le\)、\(\ge\) |
| 恰好 | exactly | \(=\),而且是唯一的 |
| 当且仅当 | if and only if, iff | \(\iff\) |
| 记、令、定义为 | let, denote, define | 引入新符号,常写作 \(:=\) |
| 满足……的 | such that, s.t. | 带条件的对象;优化中 s.t. 后面是约束 |
| 即 | i.e. | 换一种说法 |
| 例如 | e.g. | 举一个例子 |
| 平凡的、非平凡的 | trivial, nontrivial | 平凡解通常指零解或显而易见的解 |
| 几乎必然、以概率 1 | almost surely, a.s. | 不成立的事件概率为零,可能发生但概率为 0 |
| 几乎处处 | almost everywhere, a.e. | 测度论版本的「几乎必然」:例外点集的测度为 0 |
| 一致地 | uniformly | 对所有参数用同一个阈值,见 8.2.2 |
| 在……意义下 | in the sense of | 指明所用的定义,例如「依概率收敛意义下」 |
| 唯一到……为止 | unique up to | 除了某种变换外唯一。例:特征向量「唯一到倍数为止」 |
| 证毕 | QED, \(\square\), \(\blacksquare\) | 证明结束 |
8.8 希腊字母读音表
读音给出常见中文读法和英文名,中文读法各地略有差异,能交流即可。
| 小写 | 大写 | 英文名 | 中文读法 | 本书中的常见用途 |
|---|---|---|---|---|
| \(\alpha\) | \(A\) | alpha | 阿尔法 | 超额收益 alpha;显著性水平;GARCH 的 ARCH 系数 |
| \(\beta\) | \(B\) | beta | 贝塔 | 市场 beta;回归系数;GARCH 系数 |
| \(\gamma\) | \(\Gamma\) | gamma | 伽马 | 期权 Gamma;风险厌恶系数;\(\Gamma\) 函数 |
| \(\delta\) | \(\Delta\) | delta | 德尔塔 | 期权 Delta;\(\Delta\) 表示变化量;\(\delta\) 表示小量或股息率 |
| \(\epsilon,\varepsilon\) | \(E\) | epsilon | 艾普西隆 | 误差项;任意小的正数 |
| \(\zeta\) | \(Z\) | zeta | 泽塔 | 较少用;有时表示辅助变量 |
| \(\eta\) | \(H\) | eta | 伊塔 | 学习率;弹性 |
| \(\theta,\vartheta\) | \(\Theta\) | theta | 西塔 | 待估参数;期权 Theta;角度 |
| \(\iota\) | \(I\) | iota | 约塔 | 全 1 向量(部分计量教材) |
| \(\kappa\) | \(K\) | kappa | 卡帕 | 均值回复速度;条件数 \(\kappa(A)\);峰度 |
| \(\lambda\) | \(\Lambda\) | lambda | 兰姆达 | 特征值;拉格朗日乘子;泊松强度;违约强度 |
| \(\mu\) | \(M\) | mu | 缪 | 均值;漂移率;KKT 乘子 |
| \(\nu\) | \(N\) | nu | 纽 | 自由度;测度 |
| \(\xi\) | \(\Xi\) | xi | 克西 | 随机变量;尾部指数 |
| \(o\) | \(O\) | omicron | 奥密克戎 | 不作字母用;\(o,O\) 是渐近记号(见 8.9) |
| \(\pi\) | \(\Pi\) | pi | 派 | 圆周率;组合或策略;\(\Pi\) 连乘 |
| \(\rho\) | \(P\) | rho | 柔 | 相关系数;期权 Rho;谱半径 \(\rho(A)\) |
| \(\sigma\) | \(\Sigma\) | sigma | 西格玛 | 波动率、标准差;\(\Sigma\) 协方差矩阵或求和 |
| \(\tau\) | \(T\) | tau | 陶 | 剩余期限;停时;Kendall 秩相关 |
| \(\upsilon\) | \(\Upsilon\) | upsilon | 宇普西隆 | 少用 |
| \(\phi,\varphi\) | \(\Phi\) | phi | 斐 | \(\phi\) 标准正态密度;\(\Phi\) 标准正态分布函数;AR 系数 |
| \(\chi\) | \(X\) | chi | 卡伊 | \(\chi^2\) 卡方分布 |
| \(\psi\) | \(\Psi\) | psi | 普西 | MA(\(\infty\)) 系数;特征函数 |
| \(\omega\) | \(\Omega\) | omega | 欧米伽 | 样本点 \(\omega\);样本空间 \(\Omega\);GARCH 常数项;权重 |
几个容易混淆的:\(\nu\)(nu)与英文 v,\(\rho\)(rho)与英文 p,\(\omega\)(omega)与英文 w,\(\kappa\) 与 k,\(\chi\) 与 x。大写的 \(A,B,E,Z,H,I,K,M,N,O,P,T,X\) 与拉丁字母同形,所以几乎不单独使用。
8.9 全书常用记号速查表
8.9.1 逻辑与集合
| 记号 | 读法 | 含义 | 例子 |
|---|---|---|---|
| \(\forall\) | 对所有 | 全称量词 | \(\forall w,\ w^\top\Sigma w\ge0\) |
| \(\exists\),\(\exists!\) | 存在,存在唯一 | 存在量词 | \(\exists N\) 使 \(n>N\) 时… |
| \(\Rightarrow\) | 推出,蕴含 | 若…则… | 独立 \(\Rightarrow\) 不相关 |
| \(\iff\) | 当且仅当 | 等价 | \(\lvert q\rvert<1\iff\sum q^k\) 收敛 |
| \(:=\),\(\triangleq\) | 定义为 | 引入新记号 | \(\sigma_p:=\sqrt{w^\top\Sigma w}\) |
| \(\equiv\) | 恒等于 | 对所有自变量相等;或同余 | \(f\equiv0\) |
| \(\in\),\(\notin\) | 属于,不属于 | 元素与集合 | \(x\in\mathbb R^n\) |
| \(\subset\),\(\subseteq\) | 包含于 | 子集 | \(A\subseteq\Omega\) |
| \(\cup\),\(\cap\) | 并,交 | 集合运算 | \(A\cap B\) 两事件同时发生 |
| \(A^c\),\(\bar A\) | 补集 | 不在 \(A\) 中 | \(P(A^c)=1-P(A)\) |
| \(\emptyset\) | 空集 | 没有元素 | 不可能事件 |
| \(\{x:P(x)\}\) | 满足 \(P\) 的 \(x\) 组成的集合 | 集合描述 | \(\{w:\mathbf 1^\top w=1\}\) |
| \(\mathbb N,\mathbb Z,\mathbb R\) | 自然数,整数,实数 | 数集 | |
| \(\mathbb R^n\),\(\mathbb R^{m\times n}\) | \(n\) 维实向量空间,\(m\times n\) 实矩阵 | \(\Sigma\in\mathbb R^{n\times n}\) | |
| \([a,b]\),\((a,b)\) | 闭区间,开区间 | 方括号含端点 | \(\theta\in[0,1]\) |
| \(f:A\to B\) | \(f\) 从 \(A\) 映到 \(B\) | 函数的定义域与取值范围 | \(f:\mathbb R^n\to\mathbb R\) |
| \(x\mapsto f(x)\) | \(x\) 映为 \(f(x)\) | 描述函数规则 | \(x\mapsto x^2\) |
| \(f\circ g\) | 复合 | \(f(g(x))\) | 链式法则 |
| \(\mathbb 1_A\),\(\mathbf 1\{A\}\) | 示性函数 | \(A\) 发生取 1,否则取 0 | \(E[\mathbb 1_A]=P(A)\) |
8.9.2 分析与微积分
| 记号 | 读法 | 含义 | 例子 |
|---|---|---|---|
| \(\lim\) | 极限 | 第 01 章 | \(\lim_{n\to\infty}(1+r/n)^n=e^r\) |
| \(\sup\),\(\inf\) | 上确界,下确界 | 最小上界、最大下界,可能取不到 | \(\sup_{x>0}(1-e^{-x})=1\) |
| \(\max\),\(\min\) | 最大值,最小值 | 必须取得到 | |
| \(\arg\min\),\(\arg\max\) | 使…最小(大)的自变量 | 返回位置而非值 | \(w^*=\arg\min_ww^\top\Sigma w\) |
| \(f'\),\(\dfrac{df}{dx}\),\(\dot x\) | 导数 | \(\dot x\) 多指对时间求导 | 第 02 章 |
| \(\partial f/\partial x\) | 偏导数 | 其他变量固定 | Delta \(=\partial V/\partial S\) |
| \(\nabla f\) | 梯度(nabla) | 偏导数组成的向量 | 第 05 章 |
| \(\nabla^2f\),\(H\) | Hessian | 二阶偏导数矩阵 | 组合方差 \(H=2\Sigma\) |
| \(J\),\(\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\) | 雅可比矩阵 | 向量函数的一阶导数 | 极坐标 \(\det J=r\) |
| \(\sum_{i=1}^n\) | 求和 | \(a_1+\cdots+a_n\) | \(\sum_iw_i=1\) |
| \(\prod_{i=1}^n\) | 连乘 | \(a_1\times\cdots\times a_n\) | 累计净值 \(\prod(1+R_t)\) |
| \(\int_a^bf(x)\,dx\) | 积分 | 第 03 章 | \(\int\phi(x)dx=1\) |
| \(\iint\) | 二重积分 | 第 05 章 | |
| \(n!\) | \(n\) 的阶乘 | \(1\times2\times\cdots\times n\) | \(4!=24\) |
| \(\binom nk\) | 组合数 | \(\frac{n!}{k!(n-k)!}\) | \(\binom{10}{3}=120\) |
| \(\lfloor x\rfloor\),\(\lceil x\rceil\) | 向下取整,向上取整 | \(\lfloor2.7\rfloor=2\) | |
| \(\lvert x\rvert\) | 绝对值;集合元素个数 | ||
| \(x^+\),\(\max(x,0)\) | 正部 | 期权支付 | \((S_T-K)^+\) |
| \(\ln\),\(\log\),\(\exp\) | 自然对数,对数,指数 | 金融和统计中 \(\log\) 通常就是 \(\ln\);算法书中 \(\log\) 常指 \(\log_2\) | \(\exp(x)=e^x\) |
| \(\approx\) | 约等于 | 数值近似 | \(\ln1.05\approx0.05\) |
| \(\sim\) | 渐近等价;服从 | 两种含义,看上下文:\(a_n\sim b_n\) 指 \(a_n/b_n\to1\);\(X\sim N(0,1)\) 指服从分布 | \(\sum_{k\le n}1/k\sim\ln n\) |
| \(\propto\) | 正比于 | 差一个常数因子 | 后验 \(\propto\) 似然 \(\times\) 先验 |
| \(\ll\),\(\gg\) | 远小于,远大于 | \(\Delta t\ll1\) | |
| \(O(\cdot)\) | 大 O | 同阶或更小:\(f=O(g)\) 指 \(\lvert f/g\rvert\) 有界 | 泰勒余项 \(O(h^3)\);算法 \(O(n\log n)\) |
| \(o(\cdot)\) | 小 o | 比…高阶的无穷小:\(f=o(g)\) 指 \(f/g\to0\) | \(\ln(1+x)=x+o(x)\) |
| \(\Theta(\cdot)\) | 大 Theta | 同阶(上下都控制) | 第 09 册第 03 章 |
8.9.3 线性代数
| 记号 | 读法 | 含义 | 例子 |
|---|---|---|---|
| \(x^\top\),\(A^\top\) | 转置 | 行列互换;列向量变行向量 | \(w^\top r\) 组合收益 |
| \(A^{-1}\) | 逆矩阵 | \(AA^{-1}=I\) | \(\Sigma^{-1}\mathbf 1\) |
| \(I\),\(I_n\) | 单位矩阵 | 对角线为 1 | |
| \(\mathbf 1\),\(\iota\) | 全 1 向量 | \(\mathbf 1^\top w=1\) 满仓 | |
| \(e_i\) | 第 \(i\) 个标准基向量 | 第 \(i\) 个分量为 1 | |
| \(\langle x,y\rangle\),\(x\cdot y\) | 内积 | \(x^\top y=\sum x_iy_i\) | |
| \(\lVert x\rVert\) | 范数 | 默认是欧氏长度 \(\sqrt{x^\top x}\) | \(\lVert x\rVert_1=\sum\lvert x_i\rvert\) 换手率 |
| \(\det A\),\(\lvert A\rvert\) | 行列式 | 第 06 章 | |
| \(\operatorname{tr}A\) | 迹 | 对角线元素之和 | \(\operatorname{tr}\Sigma\) = 各资产方差之和 |
| \(\operatorname{rank}A\) | 秩 | 线性无关的列数 | |
| \(\operatorname{diag}(a_1,\dots,a_n)\) | 对角矩阵 | \(\operatorname{diag}(\sigma_1^2,\sigma_2^2)\) | |
| \(A\succ0\),\(A\succeq0\) | 正定,半正定 | \(\forall x\ne0\),\(x^\top Ax>0\)(\(\ge0\)) | \(\Sigma\succeq0\) |
| \(\lambda_i(A)\),\(\rho(A)\) | 特征值,谱半径 | \(\rho(A)=\max\lvert\lambda_i\rvert\) | VAR 平稳 \(\iff\rho(A)<1\) |
| \(\otimes\) | Kronecker 积(张量积) | \(A\otimes B\) 把 \(A\) 的每个元素替换为 \(a_{ij}B\) | 多元 GARCH、向量化公式 |
| \(\circ\),\(\odot\) | Hadamard 积 | 逐元素相乘 | 第 01 册第 07c 章 |
| \(\operatorname{vec}(A)\) | 向量化 | 按列把矩阵排成长向量 | |
| \(\perp\) | 正交、垂直 | \(x^\top y=0\) | 残差 \(\perp\) 回归元 |
8.9.4 概率与统计
| 记号 | 读法 | 含义 | 例子 |
|---|---|---|---|
| \(P(A)\),\(\Pr(A)\) | 概率 | ||
| \(P(A\mid B)\) | 条件概率 | 已知 \(B\) 时 \(A\) 的概率 | |
| \(\mathbb E[X]\),\(E(X)\) | 期望 | 均值 | \(\mathbb E[w^\top r]=w^\top\mu\) |
| \(\mathbb E[X\mid\mathcal F_t]\) | 条件期望 | 给定 \(t\) 时刻信息 | 鞅 |
| \(\operatorname{Var}(X)\) | 方差 | \(\operatorname{Var}(w^\top r)=w^\top\Sigma w\) | |
| \(\operatorname{Cov}(X,Y)\),\(\operatorname{Corr}\) | 协方差,相关系数 | ||
| \(X\sim F\) | \(X\) 服从 \(F\) | \(X\sim N(\mu,\sigma^2)\) | |
| \(\overset{\text{i.i.d.}}{\sim}\) | 独立同分布 | \(X_i\overset{\text{iid}}{\sim}N(0,1)\) | |
| \(N(\mu,\sigma^2)\),\(N(\mu,\Sigma)\) | 正态分布 | 第二个参数是方差,不是标准差 | |
| \(\phi\),\(\Phi\) | 标准正态密度,分布函数 | \(N(d_1)\) 在 Hull 中即 \(\Phi(d_1)\) | |
| \(\chi^2_k\),\(t_k\),\(F_{m,n}\) | 卡方、\(t\)、\(F\) 分布 | 下标是自由度 | |
| \(X\perp\!\!\!\perp Y\),\(X\amalg Y\) | \(X\) 与 \(Y\) 独立 | 第 03 册用 \(\amalg\) | |
| \(\xrightarrow{p}\),\(\xrightarrow{d}\),\(\xrightarrow{\text{a.s.}}\) | 依概率、依分布、几乎必然收敛 | 第 07 章 | \(\bar X_n\xrightarrow{p}\mu\) |
| \(\hat\theta\),\(\bar X\) | 估计量,样本均值 | 帽子表示估计值 | \(\hat\beta\) |
| \(\Omega\),\(\omega\),\(\mathcal F\) | 样本空间,样本点,事件域(\(\sigma\)-代数) | 测度论语言 | |
| \(\mathcal F_t\) | 信息流(滤子) | 到时刻 \(t\) 为止的全部信息 | 第 08 册第 28 章 |
| \(W_t\),\(B_t\),\(dW_t\) | 布朗运动及其增量 | 第 08 册第 14 章 | \(dS=\mu S\,dt+\sigma S\,dW\) |
| \(\mathbb Q\),\(\mathbb P\) | 风险中性测度,真实测度 | \(\mathbb E^{\mathbb Q}\) |
8.10 示范:逐行读一个完整的证明
定理。 对任意方差有限且为正的随机变量 \(X,Y\),\(-1\le\operatorname{Corr}(X,Y)\le1\)。
证明(原文)。 记 \(\sigma_X,\sigma_Y\) 为标准差,\(\rho=\operatorname{Corr}(X,Y)\)。由于方差非负,
故 \(\rho\ge-1\)。同理考虑 \(\operatorname{Var}(X/\sigma_X-Y/\sigma_Y)=2(1-\rho)\ge0\) 得 \(\rho\le1\)。\(\square\)
逐行解读。
- 条件:方差有限且为正。为正是因为要除以 \(\sigma_X,\sigma_Y\);有限是为了方差、协方差有意义。
- 结构:直接证明。核心想法是「构造一个随机变量,利用其方差 \(\ge0\)」,这是概率论里证明不等式的常用技巧。
- 第一个等号:方差的运算法则 \(\operatorname{Var}(aX+bY)=a^2\operatorname{Var}X+b^2\operatorname{Var}Y+2ab\operatorname{Cov}(X,Y)\),这里 \(a=1/\sigma_X\),\(b=1/\sigma_Y\)(第 07 章)。你在 CFA 里用它算两资产组合方差。
- 第二个等号:\(\operatorname{Var}X/\sigma_X^2=1\),\(\operatorname{Var}Y/\sigma_Y^2=1\),\(\operatorname{Cov}(X,Y)/(\sigma_X\sigma_Y)=\rho\)(相关系数的定义)。
- 「同理」:作者省掉了把加号换成减号的重复计算。自己补一遍:\(\operatorname{Var}(X/\sigma_X-Y/\sigma_Y)=1+1-2\rho\)。
- 金融解读:\(X/\sigma_X+Y/\sigma_Y\) 是两只资产按波动率倒数加权的组合。「组合方差不能为负」就是相关系数不能小于 \(-1\) 的原因。
- 能否取等号:\(\rho=-1\) 当且仅当 \(\operatorname{Var}(X/\sigma_X+Y/\sigma_Y)=0\),即这个组合是常数,也就是两只资产可以完全对冲。第 05 章练习 5 的 \(\rho=-1\) 情形正是如此。
用这种方式读完一个证明,你得到的不只是「相信结论」,还有一个可复用的技巧(用方差非负证明不等式)和一个金融解释。Cauchy–Schwarz 不等式(第 07 章)用的是同一个技巧。
本章小结
| 内容 | 规则 | 备注 |
|---|---|---|
| 蕴含 | \(P\Rightarrow Q\) 仅在 \(P\) 真 \(Q\) 假时为假 | 前提假时空真 |
| 德摩根律 | \(\neg(P\wedge Q)\iff\neg P\vee\neg Q\);\(\neg(P\vee Q)\iff\neg P\wedge\neg Q\) | |
| 蕴含的否定 | \(\neg(P\Rightarrow Q)\iff P\wedge\neg Q\) | 即找到反例 |
| 量词否定 | \(\neg\forall x\,P\iff\exists x\,\neg P\);\(\neg\exists x\,P\iff\forall x\,\neg P\) | 量词互换,内层取否 |
| 量词顺序 | \(\exists y\,\forall x\Rightarrow\forall x\,\exists y\),反之不成立 | 一致 vs 逐点 |
| 充分与必要 | \(P\Rightarrow Q\):\(P\) 充分,\(Q\) 必要 | 箭尾充分,箭头必要 |
| 逆否等价 | \((P\Rightarrow Q)\iff(\neg Q\Rightarrow\neg P)\) | 逆命题、否命题不等价 |
| 有效推理 | 肯定前件、否定后件 | 肯定后件、否定前件是错误 |
| 反证法 | 假设 \(\neg Q\),推出矛盾 | 套利论证 |
| 数学归纳法 | 基础步 + 归纳步 | 有限次验证不是证明 |
| 构造法 | 直接造出对象 | 复制组合 |
| 反例 | 一个反例推翻全称命题 | \(Y=X^2\) |
| 读定理 | 条件、结论、每个条件为何需要、数值例 |
练习
1. 写出下列命题的否定:(a)所有因子的 IC 都大于 0.02;(b)存在一个组合,其夏普比率超过 2;(c)对任意 \(\varepsilon>0\),存在 \(\delta>0\),使得 \(|x-a|<\delta\) 时 \(|f(x)-f(a)|<\varepsilon\)。
答:(a)存在一个因子,其 IC 不大于 0.02。(b)所有组合的夏普比率都不超过 2。(c)存在 \(\varepsilon>0\),对任意 \(\delta>0\),都存在 \(x\) 满足 \(|x-a|<\delta\) 但 \(|f(x)-f(a)|\ge\varepsilon\)。这是「\(f\) 在 \(a\) 处不连续」的定义。
2. 判断真假并说明:「若 \(1>2\),则 \(\sqrt2\) 是有理数。」
答:真。前提为假,蕴含命题空真。
3. 指出下列每对命题中,前者是后者的充分条件、必要条件、充要条件还是都不是:(a)\(X,Y\) 独立;\(\operatorname{Cov}(X,Y)=0\)。(b)\(\sum a_k\) 收敛;\(a_k\to0\)。(c)\(\Sigma\) 正定;\(\Sigma\) 的所有特征值都为正(\(\Sigma\) 对称)。(d)一只股票上涨;它的 beta 为正。
答:(a)充分不必要。(b)充分不必要。(c)充要。(d)都不是:上涨可能来自特质收益,beta 为正也可能下跌。
4. 写出「若一个策略的 \(t\) 统计量大于 3,则它不是数据挖掘的产物」的逆命题、否命题和逆否命题。哪一个与原命题等价?原命题本身合理吗?
答:逆命题:若不是数据挖掘的产物,则 \(t\) 统计量大于 3。否命题:若 \(t\) 统计量不大于 3,则它是数据挖掘的产物。逆否命题:若是数据挖掘的产物,则 \(t\) 统计量不大于 3。只有逆否命题等价。原命题本身不成立:在大量尝试后,数据挖掘完全可以产生 \(t>3\) 的结果,这正是多重检验问题(第 03 册第 10b 章)。
5. 用数学归纳法证明 \(\sum_{k=1}^nk=\dfrac{n(n+1)}2\)。
答:\(n=1\) 时两边都是 1。假设 \(n=m\) 时成立,则 \(\sum_{k=1}^{m+1}k=\frac{m(m+1)}2+(m+1)=\frac{(m+1)(m+2)}2\),即 \(n=m+1\) 时成立。
6. 用反证法证明:若一个最小方差组合 \(w^*\) 中资产 1 和资产 2 的权重都为正,则它们的边际方差 \((2\Sigma w^*)_1\) 与 \((2\Sigma w^*)_2\) 相等。
答:假设不等,不妨设(不失一般性)\((2\Sigma w^*)_1<(2\Sigma w^*)_2\)。从资产 2 挪小量 \(\epsilon>0\) 到资产 1(资产 2 权重为正,所以可以挪),满仓约束不变,方差一阶变化 \(\epsilon[(2\Sigma w^*)_1-(2\Sigma w^*)_2]<0\),\(\epsilon\) 足够小时二阶项可忽略,方差下降,与 \(w^*\) 最优矛盾。
7. 举反例推翻:「若 \(X\) 和 \(Y\) 都服从正态分布且不相关,则 \(X\) 和 \(Y\) 独立。」
答:\(X\sim N(0,1)\),\(S\) 独立地以各 1/2 概率取 \(\pm1\),令 \(Y=SX\)。\(Y\) 也是标准正态(对称性),\(\operatorname{Cov}(X,Y)=E[S]E[X^2]=0\),但 \(|Y|=|X|\),显然不独立。\((X,Y)\) 不是联合正态,所以与「联合正态时不相关等价于独立」不矛盾。
8. 某论文写道:「不失一般性,设资产已按波动率从小到大排序。」这句话为什么可以「不失一般性」?
答:资产的编号只是名字,重新编号不改变问题的数学结构,对排序后的情形得到的结论,通过换回原编号对任意排列都成立。
9. 单步二叉树:\(S_0=50\),上涨到 60 或下跌到 40,每期无风险利率为 0。构造复制行权价 50 的看跌期权的组合,并求期权价格。
答:看跌期权到期支付 0(上涨)或 10(下跌)。\(60\Delta+B=0\),\(40\Delta+B=10\),得 \(\Delta=-0.5\),\(B=30\)。价格 \(50\times(-0.5)+30=5\)。
10. 读出下列表达式:(a)\(\hat\beta\xrightarrow{p}\beta\);(b)\(w^*=\arg\min_{\mathbf 1^\top w=1}w^\top\Sigma w\);(c)\(X_i\overset{\text{iid}}{\sim}N(0,\sigma^2)\);(d)\(f(h)=O(h^2)\),\(h\to0\);(e)\(\Sigma\succeq0\)。
答:(a)\(\beta\) 的估计量依概率收敛到 \(\beta\)(一致估计)。(b)\(w^*\) 是在满仓约束下使组合方差最小的权重向量。(c)\(X_i\) 独立同分布,服从均值 0、方差 \(\sigma^2\) 的正态分布。(d)\(h\) 趋于 0 时,\(|f(h)|\) 不超过某个常数乘 \(h^2\)。(e)\(\Sigma\) 半正定。
11. 解释为什么 \(\exists N\,\forall\varepsilon>0,\ |a_n-L|<\varepsilon\ (n>N)\) 比数列收敛的定义强得多。
答:这里 \(N\) 不能依赖 \(\varepsilon\)。\(n>N\) 时 \(|a_n-L|\) 小于任意正数,只能等于 0,即数列从第 \(N+1\) 项起恒等于 \(L\)。收敛的定义允许 \(N\) 随 \(\varepsilon\) 变大,所以 \(a_n=1/n\) 收敛到 0,但不满足这个更强的条件。
12. 下面的「证明」错在哪里?「命题:所有资产的收益率都相同。对资产个数 \(n\) 归纳。\(n=1\) 时显然成立。假设任意 \(k\) 只资产收益率都相同。对 \(k+1\) 只资产,去掉最后一只,前 \(k\) 只收益率相同;去掉第一只,后 \(k\) 只收益率相同;两组有重叠,所以全部相同。」
答:归纳步在 \(k=1\) 到 \(k+1=2\) 时失效:去掉最后一只剩 {资产 1},去掉第一只剩 {资产 2},两组没有重叠,无法传递。归纳步必须对每一个 \(k\ge1\) 都成立,这个「证明」只对 \(k\ge2\) 成立。
在全书中用到的地方
- 第 01 册全册(线性代数与矩阵分析):Horn & Johnson 是标准的定义—定理—证明体例,第 07a 章正定矩阵的多种等价刻画(「以下条件等价」)、第 08a 章 Perron–Frobenius 定理的存在性证明都需要本章的读法。
- 第 02 册第 02 章(概率公理):集合运算与德摩根律;第 02 册第 07a 章:独立与不相关。
- 第 03 册第 01 章、第 10a 章、第 10b 章:\(\sup\)、依概率收敛等记号;假设检验的逻辑(否定后件);多重检验与「肯定后件」式的过拟合。
- 第 03 册第 17 章(图模型):条件独立记号 \(X\amalg Y\mid Z\) 与 \(\Rightarrow\)、\(\iff\)。
- 第 04 册第 12 章(约束优化理论):一阶必要条件、二阶充分条件的定理陈述。
- 第 05 册第 01 章:计量经济学下标与记号约定。
- 第 08 册第 11 章、第 13 章、第 28 章:期权性质的套利论证(反证法);二叉树复制组合(构造法);鞅与测度的量词表述。
- 第 09 册第 01 章、第 03 章、第 04b 章:循环不变式(归纳法的变体);渐近记号 \(O,\Omega,\Theta,o\);递归式的代入法(强归纳)。