第 8 章 布朗运动
布朗运动的发展经历了以下几个重要阶段:
- 1828 年,R. Brown 观察到悬浮在液体中的花粉微粒所做的不规则运动。
- 1905 年,A. Einstein 首次提出了布朗运动的数学理论。
- 1906 年,M. von Smoluchowski 提出了与 Einstein 相同的模型。
- 1923 年,N. Wiener 将布朗运动纳入测度论框架。
8.1 缩放随机游走
为了构造布朗运动,我们从对称随机游走出发。
对称随机游走的构造
连续投掷一枚均匀硬币,假定
其中
连续投掷所得的结果记为
其中
令
并假定随机变量序列
定义 8.1
定义
以及
过程
命题 8.2
随机游走具有独立增量。也就是说,对任意
随机游走的增量
相互独立。
证明。 这是随机变量
注 8.3
随机变量
的期望为
证明。 因为
并且
所以
且
最后一个等式来自命题 8.2。
定理 8.4
证明。 因为
因此结论成立。
定义 8.5
固定一个正整数
当
其中
换言之,缩放随机游走把原随机游走的空间步长缩放为
图 8.1:
图 8.2:
图 8.3:
命题 8.6
缩放对称随机游走具有独立增量。
证明。 若
满足对所有
相互独立。对于某些
定理 8.7(中心极限定理)
固定
8.2 布朗运动
设
定义 8.8
若随机过程
满足下列条件,则称它为标准布朗运动:
, -几乎处处; 具有独立增量,即对任意 随机变量
相互独立;
对 $0\le s
注 8.9
对所有
注 8.10
布朗运动
缩放随机游走具有自然时间步长
,并且在相邻时间网格点之间为线性函数。 对每个固定的
,缩放随机游走 的分布只是在 较大时近似正态分布,而布朗运动 的分布严格为正态分布。
引理 8.11
对
证明。 因为
所以
其中使用了布朗运动的独立增量性质。
命题 8.12
布朗运动的
的矩母函数为
证明。 这里只证明
由于
相互独立,所以
定义 8.13
布朗运动的一个滤过,也称布朗滤过,是满足下列条件的一族
信息累积: 对所有
, 适应性: 对每个
, 关于 可测; 与未来增量独立: 对
,随机变量 与 相互独立。
例 8.14
布朗运动的自然滤过
是布朗滤过。
定理 8.15
布朗运动是鞅。
证明。 对 $0\le s
练习
设
是一维标准布朗运动。判断下列过程 是否为关于 的鞅: (a)
(b)
(c)
(d)
其中
和 是两个相互独立的布朗运动。 设
是一维标准布朗运动。 (a)固定
,证明 是布朗运动。
(b)设
为常数,证明也是布朗运动。
(c)设
为常数。证明对 $0\le s
8.3 布朗运动的样本路径
定理 8.16
布朗运动存在一个连续版本。[^1]
对几乎所有
,布朗运动的样本路径 处处不可微。对几乎所有
,布朗运动的样本路径 在任何区间上都不是单调的。对几乎所有
,布朗运动样本路径 的局部极大值点集合在 中可数且稠密,并且所有局部极大值都是严格局部极大值。
[^1]: 从这里开始,若无特别说明,布朗运动均指具有连续样本路径的版本。定义 8.8 本身并未直接要求样本路径连续。
定理 8.17(重对数律)
对几乎所有
当
时,当
时,
重对数律描述了布朗运动样本路径在
当
图 8.4 和图 8.5 分别画出了相应的正边界函数。
定理 8.18
标准布朗运动的二次变差为
图 8.4:当
图 8.5:当
证明。 下面用两种方法说明布朗运动的二次变差。
方法一。 设
是区间
那么
并且
当
相互独立,所以
因此,
由于
所以
当
因而
也就是说,
再由子列收敛定理,可以从中选出一个几乎处处收敛的子列。
方法二。 断言
由杜布—迈耶分解,
注 8.19
设
是区间
以及
此外,
因此,可以非严格地写成如下微分乘法规则:
8.4 指数鞅
在金融数学中,我们常希望以布朗运动为基础构造始终为正的价格过程。布朗运动本身可以取负值,不能直接保持价格的正性。一个自然的办法是对布朗运动作指数变换。为了说明指数形式的来源,先回顾二项式模型。
图 8.6:二项式模型。 初始价格为
假设利率
并令
其中
假定
以及
这与投掷一枚均匀硬币相同。因此,可以把这个
令
并令
显然,
因此,
这说明时刻
定理 8.20
当
的分布,其中
证明。 先证明
由泰勒展开,
由定理 8.7,最后一个表达式依分布收敛于
因此
定义 8.21
设
这是几何布朗运动的一个特殊情形。
定理 8.22
证明。 对
因为
所以
8.5 维布朗运动
定义 8.23
若一个
满足:每个坐标过程
相互独立,则称
注 8.24
定理 8.25(Lévy 定理)
设
是关于
若
则
注 8.26
“连续性”这一条件十分重要。例如,补偿泊松过程可以是满足相应二次变差条件的鞅,但它具有跳跃,因而不是布朗运动。
定理 8.27
设
并且
对每个
则
注 8.28
设
若
,则 会无穷多次到达 。若
,则 在时刻 之后不会再次恰好到达原点,但它会到达每一个以原点为中心的开球。若
,则当 时,
练习
定义:强度为
的泊松过程,是一个适应的、取整数值的 càdlàg 过程其中 càdlàg 表示右连续且左极限存在,并且该过程满足:
初始条件:
几 乎 处 处 对
, 与 相互独立; 服从均值为 的泊松分布。
给定强度为
的泊松过程 ,定义补偿泊松过程(a)证明
是鞅。(b)判断泊松过程
是鞅、下鞅还是上鞅。
(c)证明补偿泊松过程
的二次变差为设
是从原点出发的 维布朗运动, 是常数正交矩阵,即证明
也是布朗运动。