前置
流匹配终点的高斯卷积收敛
设 (Ω,F,Q) 是真实数据的概率空间,其中
Ω=Rd,F=B(Rd),
Q 有连续密度 q,并且存在 M<∞ 使
0≤q(x)≤M,∀x∈Rd.(1)
初始先验为
x0∼P0=N(0,I).
从 Q 采样 x1,并构造条件仿射流
xt=ϕt(x0∣x1)=μt(x1)+σt(x1)x0,(2)
端点条件为
μ0(x1)μ1(x1)=0,=x1,σ0(x1)σ1(x1)=1,=σmin>0.(3)
因此
ϕ1(x0∣x1)∼N(x1,σmin2I),
其边缘终点密度为
p1(σmin)(x)=∫RdN(x;y,σmin2I)q(y)dy.(4)
固定 σmin>0 时,式 (4) 是平滑后的分布
q∗N(0,σmin2I),一般不等于 q。下面证明它在方差消失时逐点收敛到 q。
收敛定理
定理 在上述条件下,对每个固定的
x∈Rd,
σ↓0lim∫RdN(x;y,σ2I)q(y)dy=q(x).(5)
证明 记
φσ(y−x):=N(y;x,σ2I).
由高斯核的对称性与归一化,
∫N(x;y,σ2I)q(y)dy−q(x)=∫φσ(y−x)(q(y)−q(x))dy≤∫φσ(y−x)∣q(y)−q(x)∣dy.(6)
给定 c>0,把积分域分为
AcBc={y:∥y−x∥<c},={y:∥y−x∥≥c}.
将式 (6) 的右端记为 I1(σ,c)+I2(σ,c),分别对应
Ac 与 Bc。
给定任意 ε>0,由 q 在固定点
x 连续,可选 c>0 使
∥y−x∥<c⟹∣q(y)−q(x)∣<2ε.
于是
I1(σ,c)≤2ε∫Acφσ(y−x)dy≤2ε.(7)
在尾部区域,由式 (1),
∣q(y)−q(x)∣≤2M.
若 Z∼N(0,I),则
I2(σ,c)≤2M∫Bcφσ(y−x)dy=2MP(∥σZ∥≥c)≤2Mc2E∥σZ∥2=c22Mdσ2,(8)
其中倒数第二步使用 Markov 不等式(等价于对平方范数使用多维 Chebyshev 尾界)。固定上述 c,再取
σ2<4Mdεc2
(当 M=0 时结论显然),便有
I2(σ,c)<ε/2。结合式 (6)–(8),总误差小于
ε,故式 (5) 成立。□
证明中必须先对差取绝对值,再分别控制近邻误差与尾部误差;只写无绝对值的上界不能同时控制正、负偏差。这里得到的是逐点收敛。若还要求关于 x 的一致收敛,需要额外的全局条件,例如 q 一致连续。
速度场的通解
设给定密度路径 pt(x),基础速度场
vt(x) 满足连续性方程
∂tpt+∇x⋅(ptvt)=0.(9)
问题是:哪些候选场 ut 与同一密度路径相容?
概率流差
定义概率流差
wt(x):=pt(x)(ut(x)−vt(x)).(10)
充分必要条件
定理 假设对几乎每个 t,
pt(x)>0对几乎处处的 x 成立,(11)
并且 ptut,ptvt∈Lloc1(Rd;Rd),所有连续性方程均在分布意义下理解。则 pt 同时满足 ut 与 vt 的连续性方程,当且仅当存在
wt∈Lloc1 使
∇x⋅wt=0(分布意义),(12)
并且
ut(x)=vt(x)+pt(x)wt(x)几乎处处成立.(13)
证明
充分性。 假设式 (12)–(13) 成立。因为
ptut=ptvt+wt,所以
∂tpt+∇⋅(ptut)=∂tpt+∇⋅(ptvt+wt)==0∂tpt+∇⋅(ptvt)+=0∇⋅wt=0.
故 pt 也满足以 ut 为速度场的连续性方程。
必要性。 反之,若
∂tpt+∇⋅(ptut)=0
也成立,将它与式 (9) 相减,得到
∇⋅[pt(ut−vt)]=0.
定义
wt=pt(ut−vt),即得式 (12)。由
pt>0 几乎处处,可以除以 pt,从而得到式 (13)。□
因此,在正密度区域中,与给定 pt 相容的速度场通解是
vt+ptwt,∇⋅wt=0.(14)
零密度集、边界与“诱导相同边缘”
式 (13) 的正密度条件不可省略。若 pt 可以为零,精确的充分必要条件仍是
∇⋅[pt(ut−vt)]=0,(15)
但有两点变化:
- ut 在零密度集上的取值不由连续性方程确定;
- 不能任取一个散度为零的 wt 再除以 pt。还必须保证
wt=pt(ut−vt),特别是该商在所需意义下可定义并具有足够可积性。
若空间域有边界,除式 (12) 外还需保持相同的边界通量;在无流边界条件下通常要求
wt⋅n=0于边界上.
最后,上述定理严格刻画的是“同一给定 pt 同时满足两个连续性方程”。若要进一步断言从同一初始密度出发时,场
ut 唯一诱导出的边缘就是 pt,还需输运方程或对应流的适定性,例如局部 Lipschitz、全局解以及相应解类中的唯一性。缺少唯一性时,“满足同一 PDE”本身不足以排除其他弱解。