17-布朗运动


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 表示正面, 表示反面。

连续投掷所得的结果记为

其中 是第 次投掷的结果。样本空间为

并假定随机变量序列 相互独立。

定义 8.1

定义

以及

过程 称为对称随机游走

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 相互独立的直接推论。

注 8.3

随机变量

的期望为 ,方差为

证明。 因为

并且

所以

最后一个等式来自命题 8.2。

定理 8.4

是关于 的鞅。

证明。 因为 相互独立,

因此结论成立。

定义 8.5

固定一个正整数 。当 是整数时,定义缩放对称随机游走

时,用线性插值定义 ,即

其中 表示 的整数部分。

换言之,缩放随机游走把原随机游走的空间步长缩放为 ,把时间步长缩放为 ,并在相邻网格点之间作线性连接。图 8.1—图 8.3 给出了示意。

图 8.1: 的一条样本路径。 图中横轴表示离散时刻 ,纵轴表示随机游走的位置。

图 8.2: 的一条样本路径。 此时 在整数时刻与 相同,并在相邻整数时刻之间作线性插值。

图 8.3: 的一条样本路径。 此时空间步长为 ,时间步长为 ,并在相邻网格点之间作线性插值。

命题 8.6

缩放对称随机游走具有独立增量。

证明。

满足对所有 ,则

相互独立。对于某些 的情形,可利用线性插值作类似讨论;细节留作练习。

定理 8.7(中心极限定理)

固定 。当 时,缩放对称随机游走在时刻 的取值 依分布收敛于

8.2 布朗运动

是概率空间。

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

  1. -几乎处处;

  2. 具有独立增量,即对任意

    随机变量

    相互独立;

  3. 对 $0\le s

注 8.9

对所有

注 8.10

布朗运动 与缩放对称随机游走 有以下区别:

  1. 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。

  2. 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

的协方差为 。更一般地,

证明。 因为

所以 的协方差等于

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 维随机向量

的矩母函数为

证明。 这里只证明 的情形。设

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 -代数

  1. 信息累积: 对所有

  2. 适应性: 对每个 关于 可测;

  3. 与未来增量独立:,随机变量 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

  1. 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 是两个相互独立的布朗运动。

  2. 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

  1. 布朗运动存在一个连续版本。[^1]

  2. 对几乎所有 ,布朗运动的样本路径 处处不可微。

  3. 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。

  4. 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 ,有:

  1. 时,

  2. 时,

重对数律描述了布朗运动样本路径在 很小以及 很大时的振荡尺度:当 时,边界尺度为

时,边界尺度为

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 很大时,函数 的图像。

图 8.5:当 很小时,函数 的图像。

证明。 下面用两种方法说明布朗运动的二次变差。

方法一。

是区间 的一个分割。定义

那么

并且

时,由于

相互独立,所以

因此,

由于

所以

时成立,其中

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 是鞅。对

由杜布—迈耶分解,

注 8.19

是区间 的一个分割,则

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 ;一期后价格为 ;两期后价格为

假设利率

并令

其中 是正常数,称为波动率

假定 ,也就是说,截至时刻 ,该模型共有 期。一期模型中的风险中性概率为

以及

这与投掷一枚均匀硬币相同。因此,可以把这个 期模型看成连续投掷 次均匀硬币。

并令

显然,

因此,

这说明时刻 的股票价格为

定理 8.20

时, 的分布收敛于

的分布,其中

证明。 先证明 的分布收敛于 的分布,即

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 依分布收敛于

定义 8.21

是关于滤过 的布朗运动,且 。与 对应的指数鞅定义为

这是几何布朗运动的一个特殊情形。

定理 8.22

是鞅。

证明。

因为

所以

8.5  维布朗运动

定义 8.23

若一个 维随机过程

满足:每个坐标过程 都是一维布朗运动,并且

相互独立,则称 为** 维布朗运动**。

注 8.24

维布朗运动是一个 维连续鞅,其交叉变差满足

定理 8.25(Lévy 定理)

是关于 维连续局部鞅,并且

维布朗运动。

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

是关于 的实值连续局部鞅,

并且

对每个 ,定义停时

是关于 的布朗运动。

注 8.28

是从原点出发的 维布朗运动。

  1. ,则 会无穷多次到达

  2. ,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。

  3. ,则当 时,

练习

  1. 定义:强度为 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:

    1. 初始条件:

    2. 相互独立;

    3. 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

  2. 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。


文章作者: Gustavo
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