Chapitre 2 Résultats sur le modèle de Gates-W est ott 29
2.7 Théorème de peigne pour β 2 < β 0
Pourla onditionpériodique,onsaitdéjà quesi
β2 < β0
,leproldeXn
esttransitoire. Ce i est valable aussi pour la ondition zéro ar la preuve de la deuxième assertion du théorème 8 donnée dans [20 ℄ fon tionne aussi sous la ondition zéro. Ce n'est pas une surprise puisque ette ondition dit que les pi s roissent plus vite que les trous. Notre but dans ette se tion est de dé rire plus pré isément le omportement asymptotique du pro essusXn
sous ette hypothèse.Notre théorème 11 dit quepresque sûrement le prol nitparadopteruneformedepeigne.Laformeexa tedupeignedépenden l'o uren e de lapositionrelative de
β1
par rapport àl'intervalle[β2, β0]
,par onséquent on établittrois résultatsanaloguesdont les preuvesdièrent légèrement.t−1Xtn
pour le ve teurt−1Xtn(1), . . . , t−1Xtn(n)
. Pour deux ve teurs
a = (a1, . . . ak)
etb = (b1, . . . bℓ)
on dénitleve teur(a, b) := (a1, . . . ak, b1, . . . bℓ).
Ondésignera par
(−)
le ve teur vide.SoitE1
l'ensemble desn
-upletsde laforme(a1, β2, a2, . . . , ak−1, β2, ak),
(2.18) oùk∈ N
,etpour1≤ i ≤ k
,ai
estunve teurquivautsoit(β0)
,soit(v2, v2)
.ai
peutainsi être unélément deR
ou deR2
.Ondénit demême
E2
ommel'ensembledesn
-upletsde laforme(βi1, . . . βin),
(2.19)où
ij ∈ {0, 1, 2}
,ij 6= ij+1
pour1≤ j ≤ n − 1
eti1, in6= 2
.Soit
Hn,∞
le prol de Gates-West ott ave la ondition inni au bord. Con ernant le pro essusH2,∞
,onremarqueque elui- iestidentiqueaupro essusH2
,ave
β0
rempla é parβ1
,etβ1
parβ2
.La preuve de la proposition 11 s'applique don aussi àH2,∞
etpar onséquent elui- iest ergodique si
β2> β1
,ave une vitesseasymptotiquev2,∞= 2 β1β2
β1+ β2.
Ondénit alors
E3
ommel'ensembledesn
-uplets delaforme(eL, β0, a1, β0, a2, . . . , ak−1, β0, ak, β0, eR),
(2.20) oùk∈ N
,ai = (β2)
ou(v2,∞, v2,∞)
pour1≤ i ≤ k
,eteL, eR= (β1)
ou(−)
.Théorème 11. Soient
n≥ 1
etx∈ Nn
. Onse pla e sous la onditionzéro. (i) Si
β2 < β0 ≤ β1
alorst−1Xtn
onvergePx
-p.s.etPx
lim
t→∞t−1Xtn∈ E1
= 1.
(ii) Si
β2< β1 < β0
alorst−1Xtn
onvergePx
-p.s.etPx
lim
t→∞t−1Xtn∈ E2
= 1.
(iii) Si
β1≤ β2 < β0
alorst−1Xtn
onvergePx
-p.s.etPx
lim
t→∞t−1Xtn∈ E3
= 1.
Pourillustrer e i lagure2.7présentetroisréalisationsde
Xtn
pourn = 100
,t = 1000
ettroisparamètres diérents orrespondant respe tivementauxassertions(iii),(ii)et(i). Remarque.Il estvraisemblable quela onvergen e presquesûre duve teur
t−1Xtn
ait lieu même sans l'hypothèseβ2 < β0
.Par exemple lorsqueβ0 < β2 < β1
notre onje ture, motivéeparl'intuitionetlessimulations, estquelesn
sitesnissenttoujoursparsediviserFigure 2.7
Xtn
pourn = 100
,t = 1000
, et (a)β = (3, 1, 2)
(b)β = (3, 2, 1)
( )β = (2, 3, 1)
diverseslargeurs, séparés par destrous de largeur
1
, ha un de es blo s étant ergodique enprol.Si e iestvraialors haquesiteadmetunevitesseasymptotiquequiestsoitvk
,k
étantlalargeurdublo ontenantlesite,soit
β2
silesitedevientuntrou.Malheureusement nousn'avonspaspu montrer untel résultat.La preuve du théorème11 utilise lerésultat te hnique suivant.
Lemme 3. Soit
(Zt, t≥ 0)
un pro essus markovien de saut sur unensemble dénombrableE
, etA ⊂ E
. Pour un sous-ensembleF ⊂ E
on dénit le temps d'entréeTF := inf{t ≥
0 : Zt ∈ F }
. On suppose qu'il existep > 0, N ∈ N
et des sous-ensemblesB1, . . . , BN
etC1, . . . , CN
deE
tels que(a) pourtout
x /∈ (A ∪ B)
, oùB =∪N
i=1Bi
, on ait(b) pourtout
i∈ {1, . . . , N}
, etx∈ Bi\A
,Px(TCi∪A < +∞) = 1,
etPx(ZTCi∪A ∈ A) ≥ p.
Alorspourx ∈ Ac
, on aPx(TA< +∞) = 1
.Démonstration. On onsidèrelapartition
(B1′, . . . BN′ )
del'ensembleB
dénieparB1′ = B1
et
Bk′ = Bk\∪ki=1−1Bi
, 2≤ k ≤ N.
On ommen e par dénir par ré urren e une suite roissante de temps d'arrêt. Pour que ette suite soit bien dénie, on est obligé d'adjoindre un élément
∂
à l'ensembleE
et d'utiliser les onventionsinf ∅ =∞
etZ∞= ∂
.Soit
x /∈ A
.Onposeτ1:= inf{t ≥ 0 : Zt∈ B},
eton dénit
i1
l'indi e tel queZτ1 ∈ B′
i1,
puisτ1′ :=
(
inf{t ≥ τ1 : Zt∈ Ci1 ∪ A},
siZτ1 ∈ A,/
∞,
sinon.
Pourn≥ 2
,on poseτn:=
(
inf{t ≥ τ′
n−1 : Zt∈ B},
siZτ′
n−1 ∈ A ∪ {∂},/
∞,
sinon, ,
eton dénit
in
l'indi e telqueZτn ∈ B′
in
siτn<∞
,etτn′ :=
(
inf{t ≥ τn: Zt∈ Cin∪ A},
siZτn ∈ A ∪ {∂},/
∞,
sinon.
Dans ette onstru tion lasuite
(Zτ1, Zτ′
1, . . . , Zτn, Zτ′
n, . . . )
est telle queZτ1 ∈ A, Z/ τ1′ ∈/
A, Zτ2 ∈ A . . ./
jusqu'à e qu'un de ses termes appartienne àA
, alors tous les termes suivants sont égaux à∂
.En pro édant par ré urren e, la propriété deMarkov forteet les hypothèses(a)et(b)donnent :∀n ≥ 1, Px(Zτ1 ∈ A, Z/ τ′
1 ∈ A, . . . Z/ τn ∈ A, Z/ τ′
n ∈ A) ≤ (1 − p)/ n.
En faisant
n→ ∞
dans ette inégalité, onobtientPx(∀t ≥ 0, Zt∈ A) = 0/
. Preuve du théorème 11 . Pourtout prolh
eti < j
,on noteladiéren e dehauteur entre lessites
i
etj
.Onva onsidérer les sous-ensembles suivants deZn−1
. Pour simplier les notations, dans les a olades
x
désignera n'importe quelle ongurationde prolh
.Bi :={h ∈ Zn−1: h(i) = 0}, 1 ≤ i ≤ n − 1,
Ai :={h ∈ Zn−1: h(i− 1) ≥ 0, h(i) ≤ 0}, 2 ≤ i ≤ n − 1,
A :=∪ni=2−1Ai,
B :=∪n−1i=1Bi,
C1 :={h ∈ Zn−1: min(x(1), x(2)) = x(3)},
Ci :={h ∈ Zn−1: min(x(i), x(i + 1)) = max(x(i− 1), x(i + 2))}, 1 ≤ i ≤ n − 2,
Cn−1 :={h ∈ Zn−1: min(x(n− 1), x(n)) = x(n − 2)}.
Ci
estl'ensembledesprolsdanslesquelslesite leplus basdublo{i, i + 1}
estaumême niveau que le site le plus haut parmi les sites voisins de e blo (il y a en général deux voisins ex eptésii = 1
ousii = n− 1
). Remarquonsque sih∈ (A ∪ B)c
alors
h
est dela formeh(1) < 0, . . . , h(i0− 1) < 0, h(i0) > 0, . . . , h(n− 1) > 0,
pour un
i0
qui estdon l'unique site de hauteur maximale.Ce i serautilisé plusieurs fois dans ette preuve.Quelquesnotationsdoivent maintenant êtreintroduites. Si
1≤ a ≤ b ≤ n
etx0 ∈ Nb−a+1
, on note
(Xa:b,x0,t0
t , t≥ 0)
(2.22)lepro essusdeGates-West ottave
b−a+1
siteset onditionzéro,partantdex0
,etdéni selonla onstru tion(2.11) maisenutilisantlespro essusdePoissonNk,j(t0+·), a ≤ j ≤
b, 0≤ k ≤ 2.
Lorsquet0 = 0
et exposant sera abandonné pour alléger lesnotations. Par ailleurspourtout ve teurx∈ Rn
,on dénit
x(a : b) := (x(a), x(a + 1), . . . , x(b)).
On ommen e par la preuve de (i), en pro édant par ré urren e sur
n
.Le asn = 1
est trivial. Le asn = 2
est une onséquen e de la proposition 11 siβ1 > β0
, et du fait que siβ1 = β0
alorsXt2(1)
etXt2(2)
sont des pro essus de Poisson d'intensitéβ1
. On prend maintenantn ≥ 3
et on suppose que(i) est vériée pour toutk < n
.PourY ⊂ Zn−1
on noteraTY := inf{t ≥ 0 : Hn
t ∈ Y }
,etonutilise aussiles notationssuivantes:EY(t) :={∀s ≥ t, Hsn∈ Y },
et
FY :=∪t≥0EY(t).
Soit
i∈ {2, . . . , n − 1}
.Sur l'évènementEAi(t)
,à partir de l'instantt
lavaleur deXtn(i)
augmented'uneunité auxinstantsde sautde
N2,i
,etuniquement à esinstants. Eneet, pours≥ t
,sià lafoisHsn(i− 1) > 0
etHsn(i) < 0
alorsVi(Hsn) = 2
,et par ontre si l'undes deux est nul alors tout saut du site
i
est prohibé par l'évènementEAi(t)
. On a par onséquentEAi(t)⊂ {∀s ≥ t, Xsn(i) = Xtn(i) + N2,i(s)− N2,i(t)},
etpar suite,pour tout
x∈ Zn
,
Px
-p.s.,FAi ⊂ {lim t−1Xtn(i) = β2}.
(2.23) OnutilisemaintenantlefaitquetantqueHtn∈ Ai
,lesve teursXtn(1 : i−1)
etXtn(i+1 : n)
évoluent omme deux opies indépendantes du pro essus de Gates-West ott ave
i− 1
(respe tivement
n− i
)sites. Plus pré isément surl'évènementEAi(t0)∩ {Xn
t0 = x0}
,on a -Xn
t0+t(1 : i− 1) = X1:i−1,xℓ0,t0
t
,oùxℓ
0= x0(1 : i− 1)
,et -Xtn0+t(i + 1 : n) = Xi+1:n,xr0,t0
t
,oùxr0 = x0(i + 1 : n)
. Par onséquent l'hypothèse de ré urren e assurequePx
-p.s.,FAi ⊂t−1Xtn(1 : i− 1)
ett−1Xtn(i + 1 : n)
onvergent etleurs limitessont de laforme (2.18).
(2.24)Grâ eà (2.23) età(2.24) il sutde montrer que
Ph(∪ni=2−1FAi) = 1
(2.25) poura heverlapreuve.Onprouved'abordl'existen ed'une onstanter > 0
tellequepour touth∈ Ai
,Ph(EAi(0))≥ r.
(2.26) D'unepart, enpartant d'unprolh∈ Ai
,unsautdessitesi− 1
eti + 1
susentà rendre lesitei
stri tementplusbasquesesdeuxvoisins,don ilexister1 > 0
telquepourh∈ Ai
,Ph ∀t ≤ 1, Htn∈ Ai; H1n(i− 1) > 0
etH1n(i) < 0
≥ r1.
(2.27) D'autrepartsih′
estunproltelqueh′(i−1) > 0
eth′(i) < 0
,alorsonaPh′
-p.s.l'in lusion{∀t ≥ 0, N2,i(t)≤ min(N0,i−1(t), N0,i+1(t))} ⊂ EAi(0)
(on rappelle queles sauts de
N0,j
sont aussides sauts deN1,j
puisqueβ1 ≥ β0
). Puisqueβ2 < β0
,on peuttrouver une onstanter2 > 0
telleque pourh′
ommeplus haut,on aitPh′(EAi(0))≥ r2.
(2.28) Par onséquent(2.26) aver = r1r2
dé oule de(2.27) etde(2.28). Finalement (2.25) sera une onséquen ede (2.26),delapropriétéde Markovforteetdufaitquepour touth /∈ A
,Ph(TA< +∞) = 1,
(2.29)ette dernière propriété restant maintenant à montrer. Pour ela on va vérier que les hypothèses(a)et(b)du lemme3 sont satisfaites.
Pour (a)on prend
h /∈ (A ∪ B)
.Soiti
l'unique site de hauteur maximale dansleprolh
. Sii > 2
alorsh(i− 2), h(i − 1) < 0
(etsii = 2
'est aussile aspar onvention), desortequesurl'évènement
{TB> t}
, omme esdeuxinégalitésrestent vériéesjusqu'àl'instantt
,on aHtn(i− 1) = h(i − 1) + N1,i−1(t)− N0,i(t), Ph
-p.s. Ondéduit de ette égalité quePh(TB = +∞) ≤ Ph(∀t ≥ 0, h(i − 1) + N1,i−1(t)− N0,i(t) < 0) = 0.
Par la symétrie du pro essus, le as
i = 1
peut être traité de manière analogue au asi = n
.On passe maintenant à (b), en onsidérant don un prol initial
h ∈ Bi\A
. Pour un tel prolh
,ilexiste un indi ei∈ {2, . . . n − 1}
tel queh(1) < 0, . . . , h(i− 1) < 0, h(i) = 0, h(i + 1) > 0, . . . , h(n − 1) > 0.
(2.30) Notons quesur l'évènement{TCi∪A > t}
, toutes lesinégalités stri tesdans (2.30) doivent être préservées jusqu'à l'instantt
, ainsi{TCi∪A > t} ⊂ {∀s ∈ [0, t], Vi−1(Hn
s) = 1}
. Par onséquent on a,pourtoute ongurationx
dont leprolesth
:Px
-p.s., {TCi∪A> t} ⊂ {Xtn(i− 1) = x(i − 1) + N1,i−1(t)}.
Par un argument analogue ona aussi:
Px
-p.s., {TCi∪A> t} ⊂ { Xtn(i), Xtn(i + 1)
= Xti:i+1,(0,0)},
et en ombinant es deux in lusions on obtient
{TCi∪A > t} ⊂ {Htn(i− 1) = h(i − 1) +
N1,i−1(t)− Xti:i+1,(0,0)(1)}, Px
-p.s. Enlaissantt→ ∞
ona alorsPh(TCi∪A= +∞) ≤ P(∀t ≥ 0, h(i − 1) + N1,i−1(t)− Xti:i+1,(0,0)(1) < 0).
(2.31) Siβ1 > β0
laprobabilitédans(2.31) est nulle puisquep.s.,lim1
t h(i− 1) + N1,i−1(t)− Xti:i+1,(0,0)(1)
= β1− v2 > 0,
oùladernièreinégalité estune onséquen e dire tede ladénitionde
v2
.Si
β1 = β0
ette probabilité est aussinulle puisqueh(i− 1) + Xti:i+1,(0,0)(1)− N1,i−1(t)
n'est alors rien de plus qu'une mar he aléatoire symétrique surZ
. Maintenant par symétrie le asi = 1
se traitede lamême façon quele asi = n− 1
.Finalement,laloidupro essus
(X2
t, t≥ 0)
étant é hangeable(permuterles2 oordonnées deXt2
ne modiepassaloi), ona quePh(HTn
Ci∪A ∈ Ci∩ A) ≥ Ph(HTn
Ci∪A ∈ Ci∩ Ac).
En parti ulier,
Ph(HTn
Ci∪A ∈ A) ≥ 1/2
, e qui on lutla preuve de (i).Les preuves de (ii) et (iii) sont basées sur les mêmes idées. Attaquons-nous à (ii). La propriété (ii) est triviale pour
n = 1
. Pourn = 2
elle n'est pas beau oup plus dure : le pro essusHt2 ∈ Z
est une mar he aléatoire au plus pro he voisin, plus pré isément|Ht2|
augmente d'une unité au taux
β0
et dé roît d'une unité au tauxβ1
(ex epté bien sûr enCommeon l'afaitpour(i),onvautiliserlelemme3 pour montrerque
Ph(TA< +∞) = 1
pour
h /∈ A
, et on lure par ré urren e. Cependant ette fois- i ette égalité n'est vraie quesin≥ 4
,don il estné essairede traiter d'abord le asn = 3
séparément.Pour
n = 3
posonsK1 ={h ∈ Z2 : h(1)≥ 0, h(2) ≤ 0},
K2 ={h ∈ Z2 : h(1)≤ 0, h(2) ≥ 0}.
Comme dansla preuve de (i) il existe
r > 0
telquePh(EKi(0))≥ r
pour touth∈ Ki
,et une foisqu'onsait queHt3
nitpar resterdénitivement dansl'unde esdeuxensembles, 'estterminé.EnposantK = K1∪ K2
,il esten oreunefoissusant,grâ e àlapropriété deMarkov, de montrerquepourh∈ Kc
ona
Ph(TK < +∞) = 1
.Supposons parexemple queh(1), h(2) > 0
.Alorssurl'évènement{TK > t}
,onaHt3(1) = h(1) + N1,1(t)− N1,2(t)
,Ph
-p.s., donPh(TK = +∞) ≤ P(∀t ≥ 0, h(1) + N1,1(t)− N1,2(t) > 0) = 0
à ausede laré urren ede lamar he aléatoire symétriquesur
Z
.Fixonsmaintenant
n≥ 4
etvérions(a)danslelemme3.Soith /∈ (A∪B)
eti
l'uniquesite dehauteurmaximale dansleprolh
.Onpeutsupposerquei≥ 3
sanspertedegénéralité grâ eà lasymétrie.Sur l'évènement{TB> t}
,onaHtn(i− 2) = h(i − 2) + N1,i−2(t)− N1,i−1(t), Ph
-p.s.En ore une fois on obtient
Ph(TB = +∞) = 0
par la ré urren e de la mar he aléatoire symétriquesurZ
.Onvériemaintentant (b)danslelemme3.Soit
h∈ Bi\A
.Onsupposeque2≤ i ≤ n − 1
, puisquele asi = 1
estidentiqueau asi = n− 1
par symétrie.Surl'évènement{TCi∪A>
t}
,on aPh
-p.s.,Htn(i− 1), ∆i−1,i+1Htn
= h(i− 1), ∆i−1,i+1h
+ N1,i−1(t), N1,i−1(t)
− Xti:i+1,(0,0)
(lanotation
∆i−1,i+1h
est introduite dans(2.21)). Ondénitles évènementsG1(t) ={∀s ≥ t, Xsi:i+1,(0,0)(1) < Xsi:i+1,(0,0)(2)},
G2(t) ={∀s ≥ t, Xsi:i+1,(0,0)(1) > Xsi:i+1,(0,0)(2)}.
Ona{TCi∪A= +∞} ∩ G1(t)⊂ {∀s ≥ t, Hsn(i− 1) = Htn(i− 1)+ N1,i−1(s)
−N1,i−1(t)
− N1,i(s)− N1,i(t)
}.
En ore par laré urren ede lamar he aléatoire symétriqueondéduit de e ique
Ph({TCi∪A= +∞} ∩ G1(t))≤ Ph ∀s ≥ t, Htn(i− 1) + (N1,i−1(s)− N1,i−1(t))
− (N1,i(s)− N1,i(t)) < 0
Similairement, on a
{TCi∪A= +∞} ∩ G2(t)⊂ {∀s ≥ t, ∆i−1,i+1Hsn= ∆i−1,i+1Htn+ N1,i−1(s)
−N1,i−1(t)
− N1,i+1(s)− N1,i+1(t)
},
eton déduitque
Ph({TCi∪A= +∞} ∩ G2(t)) = 0.
(2.33) Par la remarque i-dessus surlepro essusà2
sites, on obtientP
[
t≥0
G1(t)
∪
[
t≥0
G2(t)
= 1,
et par onséquent (2.32) et (2.33) impliquent que
Ph({TCi∪A = +∞}) = 0
. Le fait quePh(HTn
Ci∪A ∈ A) ≥ 1/2
dé oule del'argument de symétrie ommepour lapreuve de(i). Enn, la preuve de (iii) est analogue à elle de (i). On va montrer qu'ave probabilité 1, ertains sites deviennent (et restent dénitivement) plus hauts que leurs voisins. Quand e i survient la onguration est divisée en deux parties disjointes, mais ette fois- i des bordsinnis sont éventuellement réés et e i doit être pris en ompte. Pour ette raison il est né essaire d'étudier les trois types de onditions au bord (0, 1 ou 2 bords innis) pour faire fon tionnerla ré urren e. Ainsinotre hypothèse de ré urren e ontiendra trois propriétés. Onpose(Hn)
: pour toutx ∈ Nn
,t−1Xn
t
onvergePx
-p.s. (resp.P∞
x
-p.s. etP0,∞
x
-p.s.) vers un ve teur aléatoireG
(resp.G∞
etG0,∞
), quiest delaforme(bℓ, β0, a1, β0, a2, . . . , ak−1, β0, ak, β0, br),
(2.34) oùbℓ
etbr
sont donnéspar :- pour
G
:bℓ, br = (β1)
ou(−)
;- pour
G0,∞
:bℓ= (β1)
ou(−)
,etbr= (β2)
ou(v2,∞, v2,∞)
; - pourG∞
:bℓ, br= (β2)
ou(v2,∞, v2,∞)
.Si
w
etw′
sont deuxve teurs de laforme (2.34) alors leve teur on aténé(w, β0, w′)
est aussidelaforme(2.34).Puisque(H1)
et(H2)
sontvériées, leproblèmeesten oreréduit àmontrer quelaséparation endeuxblo ssurvient presquesûrementpourn≥ 3
.OnposeDi :={h : h(i − 1) ≥ 0, h(i) ≤ 0}, i = 1, . . . , n
(les oordonnées
h(0)
eth(n)
sont déniespar les onditionsau bord), etondoitmontrer que:Ph(∪ni=1FDi) = 1, P∞
h (∪n1i=2FDi) = 1,
etP0,∞
h (∪ni=1−1FDi) = 1.
Mais
β0
estmaintenant leparamètreleplus petit,don onobtient aisément l'analogue de (2.26),et ilreste à montrerquePh(TD < +∞) = 1, P∞h (TD∞ < +∞) = 1,
etP0,∞
h (TD0,∞ < +∞) = 1,
où
D =∪n
i=1Di
,D∞=∪n−1i=2Di
etD0,∞=∪n−1i=1Di
.Lapremièrede estroiségalitésestune onséquen e du fait que toute onguration appartient à l'ensembleD
. Pour prouver les deuxautresinégalitésonpeutsuivreexa tementlapreuvede(i),saufqueAi
estrempla é parDi
,β2
etβ0
inversent leurs rles,v2
est rempla é parv2,∞
et les ensemblesCi
sont2.8 une onditionsusante d'ergodi ité dansle domaine