18-随机积分


9.1 关于鞅的随机积分的构造

本节的目标是:对鞅 和适当的过程 ,定义随机积分

先回顾 Riemann–Stieltjes 积分:

其中 连续, 具有有界变差,并且

能否用完全相同的方法定义

一般不能。由注 7.43,若 是连续且非常数的局部鞅,则 不具有有界变差。

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 上,常见的三种取样方式为

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 只依赖时刻 已知的信息,能够表示不使用未来信息的交易策略及其损益。

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, 具有形式

其中

并且每个 都有界且是 -可测的。

定义 9.2 对 ,定义随机积分

例 9.3 令

为标准一维 Brownian 运动。

命题 9.4 若 ,则

此外,若 连续,则 也连续,即

并且

证明 先取

由于 -可测的且 是鞅,

因此

一般的 可以通过截取相应分割区间,以同样方式处理。

再利用 的鞅性质以及不同鞅增量的正交性,

因为

都是鞅,

所以

证毕。

记号 9.5 对 $a

引理 9.6 若 是标准 Brownian 运动,则

引理 9.7 若

并且

9.1.2 平方可积过程

定理 9.8 设

逐步可测,并且对每个

则存在一列简单过程 ,使得

对每个 成立。

这一定理表明,满足 (9.1) 的逐步可测过程可以在相应的 意义下由简单过程逼近。因而可以先对简单过程定义随机积分,再通过 极限推广。

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 ,存在满足 (9.2) 的简单过程列 。由引理 9.6 和 (9.2),

时,

中的 Cauchy 列,因此在 中收敛。这个极限用于定义一般 的随机积分。

定义 9.11 设

定义 关于 的随机积分为

其中极限按 意义理解, 是任意满足 (9.2) 的简单过程列。

注 9.12

  1. 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

也按 (9.2) 收敛到 ,因此

中收敛。于是

  1. 如果对 -几乎所有 ,映射

绝对连续,那么当 有界、可测且关于 适应时,

定义良好。

命题 9.13 设

则:

  1. 关于 适应,则过程

是平方可积鞅。

  1. 随机积分具有线性:

  1. Itô 等距成立:

  1. 随机积分的二次变差为

证明

  1. 是满足 (9.2) 的简单过程,则

又因为

所以 -可测的。还需证明

对任意

意义,

由 Cauchy–Schwarz 不等式和 (9.2),

右端当 时趋于 0。对简单过程,增量随机积分的期望为 0,因此

这对所有 成立,从而得到 (9.3)。

命题的 (2)、(3) 可用相同的简单过程逼近方法证明。

因此

  1. 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 ;该最后一步在 具有适当独立性,或积分被取无条件期望时成立,一般条件期望情形应保留上式。

定理 9.15 设

则:

  1. 对停时

  1. 对停时

  1. 对停时

特别地,若 为常数,则

即对所有

并且

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。

等价地,

特别地,若 ,则对所有

命题 9.16(Kunita–Watanabe 不等式) 若

-几乎必然有

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 ,使得

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 ,使得对每个

是鞅,并且

在事件 上,定义

不同 给出的定义在重叠区间上一致,因此拼接成整个时间轴上的随机积分。

定理 9.19 设

则:

1.

是连续局部鞅。

  1. 对所有

3.

  1. 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 的局部鞅,

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 ,使得

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

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。

是 càdlàg 过程, 的一列分割。令

定义 9.22

  1. 半鞅 的二次变差定义为

  1. 半鞅 的交叉变差或二次协变差定义为

注 9.23 如果 是连续鞅,则

定理 9.24 设 是半鞅, 表示其连续局部鞅部分,则

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 是连续半鞅,则跳跃项消失,并且

推论 9.26 若 是半鞅,,则

9.4 Itô 公式

回顾普通微积分中的链式法则。若 ,则

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

函数,并设

是连续半鞅,其分解为

其中 是局部鞅, 具有有界变差。则 -几乎必然有

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 是连续半鞅且 ,那么 仍是半鞅。

定理 9.27 的证明 对分割点 使用 Taylor 展开:

其中

是余项。对所有分割区间求和,得到

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 位于 之间。证毕。

注 9.29 若 是连续半鞅,可使用记号

于是

特别地,若 是标准 Brownian 运动,则采用 Itô 运算规则

例 9.30

  1. 为标准 Brownian 运动,并取

也就是说,

  1. 是标准 Brownian 运动,。考虑指数过程

因此

由于

得到

所以 满足随机微分方程

换言之,(9.6) 给出的 是 (9.7) 的解。

特别地,若

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

中的局部鞅向量,并设

函数。则对所有

这里,例如

表示先对函数 的第 个空间变量求偏导,再在

处取值。

例 9.32 设

维 Brownian 运动。考虑

称为 Bessel 过程。令

由定理 9.31,

因为

所以

定理 9.33(一般形式的 Itô 公式) 设

维半鞅,各分量分解为

其中 是局部鞅, 具有有界变差。设

函数,则 是半鞅,并且

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

由 Itô 公式,

所以

定理 9.35 假设对几乎每个 关于

连续且具有有界变差。则

定理 9.36(分部积分) 设 是连续半鞅,则

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 是一般半鞅,则

特别地,取 ,得到

9.6 鞅表示定理

回顾。 由命题 9.13(1)可知,若 ,且 是布朗运动,则

是一个鞅。

问题。 是一个鞅,是否存在 和布朗运动 ,使得

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 连续。但是,即使 是连续鞅,它是否一定能写成上述形式呢?下面来看一个反例。

例 9.39 是两个相互独立的布朗运动。令

都是关于滤子 的鞅。假设存在 ,使得

于是

这显然是矛盾。

定理 9.40(鞅表示定理) 是关于 维布朗运动,并设 是关于 的平方可积鞅。那么,对每个 ,都存在唯一的 ,使得对所有

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 是关于滤子 的鞅”这一条件非常重要!

9.7 测度变换

9.7.1 绝对连续概率测度

定义 9.42 是可测空间 上的两个概率测度。

(1)如果对任意 ,都有

则称 -代数 上关于 绝对连续,记作

(2)如果 同时成立,则称 等价,记作

定理 9.43(Radon–Nikodym 定理) 上关于 绝对连续,当且仅当存在一个非负的 -可测函数 ,使得对所有非负的 -可测函数 ,都有

证明 略。证毕。

注记 9.44 在相差一个零测集的意义下唯一。

定义 9.45 函数 称为 关于 Radon–Nikodym 密度Radon–Nikodym 导数,记作

记号 9.46 一般地,记

因此,式 (9.9) 意味着

注记 9.47 概率测度 上关于 绝对连续,当且仅当存在一个 -可测随机变量 ,使得对所有

例 9.48

(1)设

(i)考虑概率测度

那么 ,其 Radon–Nikodym 密度为

为什么

成立?由注记 9.47,取 ,便有

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,,所以 。再考虑随机变量 ,其取值为

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 下的分布,便可以借助 Radon–Nikodym 密度求出 下的分布。我们以后会不断使用这种测度变换。

(ii)进一步考虑

那么

但是 ,且其 Radon–Nikodym 密度为

(2)设 上所有 Borel 集组成的集合, 上的概率测度。考虑 上的标准正态随机变量 ,即在

具体地,

上定义概率测度

检验: 是一个概率测度。(练习!)

于是 ,其 Radon–Nikodym 密度为

在概率测度 下,

这意味着在 下, 的概率密度函数为

因此,在概率测度 下,

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 是可测空间 上的概率测度。

(1)若 ,则

(2)若 ,则

(3)若 ,则

并且

本定理的证明直接利用 Radon–Nikodym 定理的结论。

证明 上的随机变量。

(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 ,对 ,令

显然, 是概率测度,并且 。由 Radon–Nikodym 定理,存在唯一的非负 -可测随机变量 ,使得

因此,

而且条件期望 唯一。

9.7.2 条件期望

命题 9.51 假设 是可测空间 上的两个概率测度,并且 ,密度为 。若 是包含于 的一个 -代数,则:

  1. 相应的密度为

证明,由注记 9.47,

证毕。

命题 9.52 假设 ,密度函数为

是另一个 -代数。那么,对任意非负的 -可测随机变量

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

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。

是概率空间, 是满足通常条件的滤子, 上的布朗运动。

先来看例 9.48(3)的推广。

例 9.53 上相互独立的标准正态随机变量,并且对每个 。考虑新的概率测度

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 下相互独立这一事实,可得

因此,在 下,对所有

并且 仍然相互独立(见附录 F)。

那么,随机过程经过测度变换以后会发生什么?

是可测且关于 适应的随机过程,并满足:对每个

定义

由例 9.30(2), 满足

这意味着 是连续局部鞅,且

注意这里对 施加的条件。一般而言,随机过程 未必是真鞅,因此还需要下面的条件。

命题 9.54 若可测、关于 适应的过程 满足:对所有

则式 (9.10) 定义的 是一个鞅。此外,条件 (9.11) 称为 Novikov 条件

注记 9.55 关于这一条件,有如下几点说明。

(1)如何检验 是鞅?这一点很重要,因为后面要用它来定义新的概率测度。

(2)在上一节中,如果 ,则

是鞅。但为什么这里还需要更强的条件呢?原因是 本身满足

真正需要保证存在并具有鞅性质的是右端含 的积分。

例如,比较条件

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。

上定义测度

注意,只有当 具有适当的鞅性质时, 才是概率测度。换言之,

类似地,可以定义

注记 9.56 如果 是鞅,则:

(1) 是概率测度,因为

(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 上的布朗运动。

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 是可测函数,且

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 中的确定性函数。则随机过程

是鞅。因此,随机过程

关于由

给出的概率测度 是布朗运动。

(2)考虑

满足 Novikov 条件,因为对所有

由命题 9.54, 是鞅,因此 满足 Girsanov 定理中的条件。于是

关于概率测度 是布朗运动,其中

注记 9.60 考虑概率空间 上的市场模型 。设 是一个等价鞅测度,并令

那么,对所有 $0\le t

这意味着,对

特别地,

也就是说, 是关于 的鞅。

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:

  1. 描述布朗运动路径在某一水平附近停留的时间;
  2. 建立函数 所对应的 Itô 公式。

下面先给出基本定义。

是标准布朗运动。定义水平集

它表示对固定样本路径, 恰好位于水平 的所有时刻。则对 -几乎所有

其中 表示 Lebesgue 测度。

换言之,布朗运动路径虽然可能无穷多次经过水平 ,但它恰好等于 的时刻集合具有 Lebesgue 测度零。为了衡量路径在 附近停留了多少时间,需要考察一个很小的邻域,并按邻域宽度作归一化;这正是局部时间的思想。

定义 9.61 对每个固定的 Borel 集 ,定义布朗运动路径截至时刻 中的占有时间

注意, 是一个随机变量。

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 处的局部时间为

这个定义表示:考察布朗运动 在水平 附近宽度为 的区间内停留的时间,再除以区间宽度,并令

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 还是 称为局部时间,并没有统一约定。

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 (甚至在 处不属于 ),不能直接应用通常的 Itô 公式。

给定 ,令

见图 9.1。原文称 ,并给出

以及

图 9.1 函数

横轴上标出 是在原点具有尖角的 V 形折线; 在区间 内用一段光滑的抛物线替代尖角,并在区间外与 重合。

译注:按上述分段定义, 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 时,

此外,由鞅性质,对所有

再由 Itô 等距,

利用 Fubini 定理以及

得到

足够小时,

时,该式趋于 。对 作类似论证。又有

因此,当 时,

于是,在

中令 ,各项分别收敛为

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 满足

相应的 Tanaka–Meyer 公式为


文章作者: Gustavo
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