Random coefficients bifurcating autoregressive processes

This paper presents a model of asymmetric bifurcating autoregressive process with random coefficients. We couple this model with a Galton Watson tree to take into account possibly missing observations. We propose least-squares estimators for the various parameters of the model and prove their consistency with a convergence rate, and their asymptotic normality. We use both the bifurcating Markov chain and martingale approaches and derive new important general results in both these frameworks

Viral processes by random walks on random regular graphs

We study the SIR epidemic model with infections carried by $k$ particles making independent random walks on a random regular graph. Here we assume $k\leq n^{\epsilon}$, where $n$ is the number of vertices in the random graph, and $\epsilon$ is some sufficiently small constant. We give an edge-weighted graph reduction of the dynamics of the process that allows us to apply standard results of Erd\H{o}s-R\'{e}nyi random graphs on the particle set. In particular, we show how the parameters of the model give two thresholds: In the subcritical regime, $O(\ln k)$ particles are infected. In the supercritical regime, for a constant $\beta\in(0,1)$ determined by the parameters of the model, $\beta k$ get infected with probability $\beta$, and $O(\ln k)$ get infected with probability $(1-\beta)$. Finally, there is a regime in which all $k$ particles are infected. Furthermore, the edge weights give information about when a particle becomes infected. We exploit this to give a completion time of the process for the SI case.Comment: Published in at http://dx.doi.org/10.1214/13-AAP1000 the Annals of Applied Probability (http://www.imstat.org/aap/) by the Institute of Mathematical Statistics (http://www.imstat.org

Branching processes in random environment

In der folgenden Arbeit werden Eigenschaften von Verzweigungsprozessen in zufälliger Umgebung (engl. branching processes in random environment, kurz BPREs) untersucht. Das Modell geht auf Smith (1969) und Athreya (1971) zurück. Ein BPRE ist ein einfaches mathematisches Modell für die Entwicklung einer Population von apomiktischen (d.h. sich ungeschlechtlich fortpflanzenden) Individuen in diskreter Zeit, wobei die Umgebungsbedingungen einen Einfluß auf den Fortpflanzungserfolg der Individuen haben. Dabei wird angenommen, dass die Umgebungsbedingungen in den einzelnen Generationen zufällig sind, und zwar unabhängig und identisch verteilt von Generation zu Generation. Man denke z.B. an eine Population von Pflanzen mit einem einjährigen Zyklus, die in jedem Jahr anderen Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, wobei angenommen wird, dass diese sich unabhängig und identisch verteilt ändern. In Kapitel 1 wird eines der wichtigsten Hilfsmittel zur Beschreibung von BPREs, die sogenannte zugehörige Irrfahrt, eingeführt und die Klassifizierung von BPREs beschrieben. In Kapitel 2 werden bekannte Resultate, insbesondere zu kritischen, schwach subkritischen und stark subkritischen Verzweigungsprozessen, wiederholt. In Kapitel 3 wird der sogenannte intermediär subkritische Fall behandelt. Mithilfe von funktionalen Grenzwertsätzen für bedingte Irrfahrten wird die genaue Asymptotik der Überlebenswahrscheinlichkeit des Prozesses, die bereits in Vatutin (2004) bewiesen wurde, unter etwas allgemeineren Voraussetzungen gezeigt. Anschließend wird untersucht, wie häufig der Prozess, bedingt auf Überleben, nur noch aus einem Individuum besteht. Im letzten Teil des Kapitels wird ein funktionaler Grenzwertsatz für die zugehörige Irrfahrt, bedingt aufs Überleben des Prozesses, gezeigt. Diese konvergiert, richtig skaliert, gegen einen Levy-Prozess, der darauf bedingt ist, sein Minimum am Ende anzunehmen. In Kapitel 4 werden große Abweichungen von BPREs untersucht. Die Ratenfunktion des BPRE wird sowohl für den Fall mindestens geometrisch schnell abfallender Tails, als auch für den Fall von Nachkommenverteilungen mit schweren Tails bestimmt. Wie sich herausstellt, hängt die Ratenfunktion von der Ratenfunktion der zugehörigen Irrfahrt, der exponentiellen Abfallrate der Überlebenswahrscheinlichkeit sowie, bei Nachkommenverteilungen mit schweren Tails, auch von den Tails derselben ab. In der Ratenfunktion spiegeln sich die wahrscheinlichsten Wege, um Ereignisse der großen Abweichungen zu realisieren, wider, was in Kapitel 4.3 beschrieben wird. In Kapitel 4.4 wird im speziellen Fall von Nachkommenverteilungen mit gebrochen-linearer Erzeugendenfunktion die Ratenfunktion für Ereignisse bestimmt, bei denen ein superkritischer BPRE überlebt, aber klein im Vergleich zum Erwartungswert bleibt. In Kapitel 4.5 werden die großen Abweichungen, bedingt auf die Umgebung untersucht (engl. quenched). In diesem Fall können unwahrscheinliche Ereignisse nur über den Verzweigungsmechanismus und nicht mehr über eine außergewöhnliche Umgebung realisiert werden. Zum Abschluss der Dissertation werden Verzweigungsprozesse in zufälliger Umgebung, bedingt auf Überle-ben, simuliert. Dazu wird eine Konstruktion nach Geiger (1999) angewendet. Diese erlaubt es, Galton-Watson Bäume in variierender Umgebung, bedingt auf Überleben, entlang einer Ahnenlinie zu konstruieren. Der Fall geometrischer Nachkommenverteilungen, auf den wir uns in Kapitel 5 beschränken, erlaubt die explizite Berechnung der benötigten Verteilungen. Als Anwendung des Grenzwertsatzes aus Kapitel 3.1 können nun intermediär subkritische Verzweigungsprozesse, bedingt auf Überleben, wie folgt simuliert werden: Zunächst wird die Umgebung zufällig bestimmt, und zwar als Irrfahrt, bedingt darauf ihr Minimum am Ende anzunehmen. Anschließend wird, der Geiger-Konstruktion folgend, ein Verzweigungsprozess in dieser Umgebung, bedingt auf Überleben, simuliert. Zum Abschluss wird in einem kurzen Ausblick auf aktuelle Forschung verwiesen. Im Anhang befinden sich einige technische Resultate

Filtering Random Graph Processes Over Random Time-Varying Graphs

Graph filters play a key role in processing the graph spectra of signals supported on the vertices of a graph. However, despite their widespread use, graph filters have been analyzed only in the deterministic setting, ignoring the impact of stochastic- ity in both the graph topology as well as the signal itself. To bridge this gap, we examine the statistical behavior of the two key filter types, finite impulse response (FIR) and autoregressive moving average (ARMA) graph filters, when operating on random time- varying graph signals (or random graph processes) over random time-varying graphs. Our analysis shows that (i) in expectation, the filters behave as the same deterministic filters operating on a deterministic graph, being the expected graph, having as input signal a deterministic signal, being the expected signal, and (ii) there are meaningful upper bounds for the variance of the filter output. We conclude the paper by proposing two novel ways of exploiting randomness to improve (joint graph-time) noise cancellation, as well as to reduce the computational complexity of graph filtering. As demonstrated by numerical results, these methods outperform the disjoint average and denoise algorithm, and yield a (up to) four times complexity redution, with very little difference from the optimal solution