9.1 关于鞅的随机积分的构造
令
本节的目标是:对鞅
先回顾 Riemann–Stieltjes 积分:
其中
能否用完全相同的方法定义
一般不能。由注 7.43,若
更重要的是,在随机积分中,区间取样点的位置会改变极限。一般有
左端点、右端点和中点取样会产生不同的随机积分理论。因此,必须先明确采用哪一种离散和极限规则。
在区间
它们分别对应:
- 左端点
:Itô 积分; - 中点
:Fisk–Stratonovich 积分; - 右端点
:后向 Itô 积分。
在金融学中主要采用左端点规则,即 Itô 积分。这是因为
9.1.1 简单过程
记号 9.1 定义
为所有有界可预见简单过程组成的集合。也就是说,
其中
并且每个
定义 9.2 对
例 9.3 令
为标准一维 Brownian 运动。
- 若
则
- 若
则
- 若
则
命题 9.4 若
此外,若
并且
证明 先取
则
由于
因此
一般的
再利用
因为
都是鞅,
所以
证毕。
记号 9.5 对 $a
引理 9.6 若
引理 9.7 若
则
并且
9.1.2 平方可积过程
定理 9.8 设
则存在一列简单过程
对每个
这一定理表明,满足 (9.1) 的逐步可测过程可以在相应的
记号 9.9 对 $0
为所有满足 (9.1) 的有界逐步可测过程组成的类,并定义
在平方可积框架中,“有界”条件可以通过截断进一步放宽;这里先保留它以简化构造。
注 9.10 对任意
当
是
定义 9.11 设
定义
其中极限按
注 9.12
- 定义 9.11 与逼近序列的选择无关。设还有另一列简单过程
按 (9.2) 收敛到 。定义交错序列
则
在
- 如果对
-几乎所有 ,映射
绝对连续,那么当
定义良好。
命题 9.13 设
则:
- 若
关于 适应,则过程
是平方可积鞅。
- 随机积分具有线性:
- Itô 等距成立:
- 对
,
- 随机积分的二次变差为
证明
- 若
是满足 (9.2) 的简单过程,则
又因为
所以
对任意
按
由 Cauchy–Schwarz 不等式和 (9.2),
右端当
这对所有
命题的 (2)、(3) 可用相同的简单过程逼近方法证明。
- 对
,
因此
- 由 (1) 和 (4),
所以过程
是鞅。
这正说明其可预见二次变差为
证毕。
推论 9.14 若
是 Brownian 运动,则
原文随后写为
定理 9.15 设
则:
- 对停时
,
- 对停时
,
- 对停时
,
特别地,若
- 若
即对所有
并且
则
而且随机积分的结合规则为
原文的编号从 (4) 直接跳到 (6),没有给出独立的第 (5) 项。
- 若
则
等价地,
特别地,若
命题 9.16(Kunita–Watanabe 不等式) 若
则
若把定理 9.8 的平方可积条件 (9.1) 放宽为路径上的局部条件
仍然可以通过局部化定义随机积分,但所得过程一般只是局部鞅。
注 9.17 在条件 (9.4) 下,存在一列简单过程
依概率收敛。
但是,过程
一般不是鞅,而只是局部鞅。局部鞅只能在一列递增停时之前表现为真正的鞅。
9.2 关于局部鞅的随机积分
本节利用局部化,把上一节关于平方可积鞅的构造推广到连续局部鞅。
定义 9.18 设
取一列非减停时
是鞅,并且
在事件
不同
定理 9.19 设
则:
1.
是连续局部鞅。
- 对所有
,
3.
- 对停时
,
注 9.20 若
则下列命题一般不成立:
1.
是真鞅;
2.
3.
局部鞅框架本身不保证相应的无条件期望或条件期望有限,因此不能直接使用平方可积情形的等距关系。若要恢复这些结论,需要加入适当的可积性条件。
9.3 关于半鞅的随机积分
回顾:适应过程
称为半鞅,如果它具有分解
其中
是满足
是适应、càdlàg 且具有有界变差的过程。也就是说,存在递增适应过程
一般来说,这个分解不唯一。随机积分可以分别对局部鞅部分采用 Itô 积分、对有限变差部分采用 Riemann–Stieltjes 积分,再把两者相加。
注 9.21 若
则
其中第一项是随机积分,第二项是 Riemann–Stieltjes 积分。
为了得到 Itô 公式,需要把第 7 章中关于连续鞅的二次变差和交叉变差推广到一般 càdlàg 半鞅。
设
定义 9.22
- 半鞅
的二次变差定义为
- 半鞅
的交叉变差或二次协变差定义为
注 9.23 如果
且
定理 9.24 设
其中
原文定理开头写作“连续半鞅”,但其右端保留跳跃和,且下一条注释才专门讨论连续情形;这里按公式的标准一般半鞅表述翻译。
注 9.25 若
推论 9.26 若
9.4 Itô 公式
回顾普通微积分中的链式法则。若
即
因此
随机积分的链式法则多出一个由二次变差产生的二阶项,这正是 Itô 公式与普通链式法则的根本区别。
定理 9.27(一维连续型 Itô 公式) 设
是
是连续半鞅,其分解为
其中
注 9.28 式 (9.5) 的微分形式为
其中
是局部鞅,而
具有有界变差。因此,如果
定理 9.27 的证明 对分割点
其中
由随机积分和 Riemann–Stieltjes 积分的定义,
当分割网格趋于 0 时,余项满足
其中
注 9.29 若
于是
特别地,若
例 9.30
- 令
为标准 Brownian 运动,并取
则
也就是说,
- 设
是标准 Brownian 运动, 。考虑指数过程
令
则
对
有
因此
由于
得到
所以
即
换言之,(9.6) 给出的
特别地,若
则
满足
第 10 章将进一步讨论如何利用 Itô 公式求解随机微分方程。
定理 9.31(多维连续局部鞅的 Itô 公式) 设
是
是
这里,例如
表示先对函数
处取值。
例 9.32 设
是
称为 Bessel 过程。令
则
由定理 9.31,
因为
所以
即
定理 9.33(一般形式的 Itô 公式) 设
是
其中
是
9.5 分部积分
回顾普通微积分中的分部积分公式:
随机分析中的乘积公式需要额外加入二次协变差项。
例 9.34 计算
令
则
由 Itô 公式,
所以
即
定理 9.35 假设对几乎每个
连续且具有有界变差。则
定理 9.36(分部积分) 设
证明 在多维 Itô 公式中取
即可。证毕。
注 9.37 式 (9.8) 的微分形式为
这种记号便于形式计算,但必须记住,最后一项代表二次协变差。
注 9.38 若
特别地,取
9.6 鞅表示定理
回顾。 由命题 9.13(1)可知,若
是一个鞅。
问题。 若
回答。 不一定!下面给出一个相关的反例。
一个最基本的必要条件是
例 9.39 设
则
于是
这显然是矛盾。
定理 9.40(鞅表示定理) 设
译注:原页问题中的积分变量印作
,而同一句同时引入布朗运动 ,且随后反例与定理都讨论对 的积分;按上下文,此处很可能原意为 。定理结论中的常数项原页印作 ,此处均保留原页公式。
注记 9.41 “
9.7 测度变换
9.7.1 绝对连续概率测度
定义 9.42 设
(1)如果对任意
则称
(2)如果
定理 9.43(Radon–Nikodym 定理)
证明 略。证毕。
注记 9.44
定义 9.45 函数
记号 9.46 一般地,记
因此,式 (9.9) 意味着
注记 9.47 概率测度
例 9.48
(1)设
(i)考虑概率测度
那么
为什么
成立?由注记 9.47,取
在离散概率空间中,Radon–Nikodym 密度一般都可以用这种方式求出。
此外,
那么
或者,由定理 9.43,
从这个例子可以看出,通过改变概率测度,同一个随机变量的分布可能发生变化。这是测度变换的基本思想:若已知随机变量
(ii)进一步考虑
那么
但是
(2)设
具体地,
在
检验:
于是
在概率测度
这意味着在
因此,在概率测度
即
译注:若
的第二个参数表示方差,则应有 ;原页印作 ,此处保留原式。
定理 9.49 设
(1)若
且
(2)若
(3)若
并且
本定理的证明直接利用 Radon–Nikodym 定理的结论。
证明 设
(1)由积分的线性性,
由 Radon–Nikodym 定理即得所需结论。
(2)连续使用两次测度变换,得到
由 Radon–Nikodym 导数的唯一性,得到所需结果。
(3)由于
这就推出所需结果。证毕。
注记 9.50 条件期望的解释。 考虑
显然,
记
则
因此,
而且条件期望
9.7.2 条件期望
命题 9.51 假设
于 ;- 相应的密度为
证明 对
证毕。
命题 9.52 假设
且
在测度变换之后,这个公式告诉我们如何用原概率测度下的条件期望,计算新概率测度下的条件期望。
证明 对
因此,
于是得到所需结果。证毕。
9.8 Girsanov 定理
概率测度可以改变随机变量的分布。一般而言,改变测度以后,随机过程的分布也会随之改变。Girsanov 定理说明了一个十分重要的现象:经过适当的测度变换,可以把带漂移的随机过程变成布朗运动。换言之,一个过程在原概率测度下可能不是布朗运动,但在另一个等价概率测度下却可能成为布朗运动。
设
先来看例 9.48(3)的推广。
例 9.53 设
即
考虑特征函数:
由于
后续计算见下一页。
译注:原页引用写作“例 9.48(3)”,但前文例 9.48 在本节只有(1)与(2);此处保留原引用。
再利用
因此,在
并且
那么,随机过程经过测度变换以后会发生什么?
设
定义
由例 9.30(2),
这意味着
注意这里对
命题 9.54 若可测、关于
则式 (9.10) 定义的
注记 9.55 关于这一条件,有如下几点说明。
(1)如何检验
(2)在上一节中,如果
是鞅。但为什么这里还需要更强的条件呢?原因是
真正需要保证存在并具有鞅性质的是右端含
例如,比较条件
与
由 Jensen 不等式,条件 (9.13) 蕴含条件 (9.12),但反向一般不成立;因此 (9.13) 是更强的可积性条件。
在
注意,只有当
类似地,可以定义
注记 9.56 如果
(1)
(2)由鞅性质,对所有
定理 9.57(Girsanov 定理) 假设式 (9.10) 定义的
是鞅。定义过程
那么,对每个固定的
是概率空间
这个定理在金融数学中的应用非常重要,特别是它与无套利理论密切相关。回顾离散时间模型:一个无套利金融模型存在风险中性概率测度,也就是等价鞅测度;在该测度下,贴现股票价格是鞅。连续时间模型中的思路相同,但问题更复杂。一个随机过程在某个概率测度下可能不是布朗运动;Girsanov 定理告诉我们,通过适当的等价测度变换,可以使它成为布朗运动,从而构造等价鞅测度。
推论 9.58 在定理 9.57 的相同假设下,假设
则
即
译注:原页最后一式右端印作
,遗漏了函数 ;根据紧邻的积分等式,此处还原为 。
上述推论刻画了测度变换后的分布。
例 9.59
(1)假设
其中
是鞅。因此,随机过程
关于由
给出的概率测度
(2)考虑
则
由命题 9.54,
关于概率测度
注记 9.60 考虑概率空间
那么,对所有 $0\le t
这意味着,对
即
特别地,
也就是说,
9.9 局部时间
本节介绍另一个重要概念:局部时间。局部时间主要有两方面用途:
- 描述布朗运动路径在某一水平附近停留的时间;
- 建立函数
所对应的 Itô 公式。
下面先给出基本定义。
设
它表示对固定样本路径,
其中
换言之,布朗运动路径虽然可能无穷多次经过水平
定义 9.61 对每个固定的 Borel 集
注意,
注记 9.62 随机过程
是适应且连续的。
定义 9.63 定义布朗运动在水平
这个定义表示:考察布朗运动
注记 9.64 局部时间应当充当占有时间关于 Lebesgue 测度的密度函数,即
注记 9.65 文献中对于究竟把
不同的局部时间定义可能相差一个常数,因此阅读不同文献时要特别注意其归一化约定。
定理 9.66 布朗运动的局部时间存在;更准确地说,布朗运动的连续局部时间存在。
下面讨论重要的 Tanaka 公式。Tanaka 公式可以看成函数
所对应的 Itô 公式。但由于
给定
见图 9.1。原文称
以及
图 9.1 函数
横轴上标出
译注:按上述分段定义,
在 连续,但 在这两点发生跳跃;严格来说,原页“ ”以及二阶导数在端点处的表述需要按广义 Itô 公式或光滑逼近理解。原页的一阶导数首个条件在 OCR 文本中还原成了 ,但结合第三个分支应为 ,此处据函数定义恢复。
由 Itô 公式,
容易看出,
并且
显然,当
此外,由鞅性质,对所有
再由 Itô 等距,
利用 Fubini 定理以及
得到
当
当
因此,当
于是,在
中令
以及
因此得到下面的结果。
命题 9.67(Tanaka 公式)
推论 9.68 对固定的
注记 9.69 对每个 Borel 可测函数
都有占有时间公式
注记 9.70 半鞅局部时间可以类似地定义。设
是一个半鞅,则半鞅局部时间
相应的 Tanaka–Meyer 公式为