19-随机微分方程


考虑满足下式的随机过程 :

问题

(1)能否得到式(10.1)的存在唯一性定理?解具有哪些性质?

(2)怎样求解它?

10.1 例子及若干求解方法

例 10.1 求解

其中初始条件 已给定, 为常数。将方程改写为

可得

由伊藤公式,

在伊藤公式中取

则

因此

也就是说,

结合式(10.3)与式(10.4),得到

所以,式(10.2)的解为

定义 10.2 形如

的随机过程 ,称为几何布朗运动。

注 10.3

(1)如果 与 独立,那么

(2)

  1. 如果 ,那么当 时,

    几乎处处

  2. 如果 ,那么当 时,

    几乎处处

  3. 如果 ,那么当 时, 将在任意大的值与任意小的值之间波动,且该结论 -几乎处处成立。

例 10.4(赫尔–怀特(Hull–White)利率模型) 考虑

其中 是确定性函数。于是

从而

因此,式(10.5)的解为

例 10.5 考虑随机微分方程

将方程改写为

两边积分,得到

采用与例 10.1 相似的论证:

因此

这意味着

两边关于 积分:

所以

即

对 求导可知,式(10.6)的解为

例 10.6 求解随机微分方程

将它改写成

这种形式与例 10.4 很相似。寻找适当的 ,使得

由分部积分公式,

思路:假设

原文夹注:“这里比较麻烦,只是给出一些思路;计算时必须分成两段来做。”

因此,希望寻找满足

的 。由伊藤公式,

所以

可以取 。于是

把这个结果代入式(10.7),得到

再次使用积分因子。令

则

令

于是

即

因此解为

例 10.7 求解随机微分方程

其中 是白噪声。引入向量

则

所以可以把式(10.8)改写成

其中, 是一维布朗运动,并且

原文接着写为

注:原文在微分号后印有两层 。结合紧随其后的解式,通常会使用 作为积分因子;这里不擅自更改原公式。

解的形式为

只需再算出第一个坐标即可。

10.2 存在唯一性结果

定理 10.8(随机微分方程的存在唯一性定理) 设 ,并设

是可测函数,且满足

其中 是某个常数。

这里

另外,假设

对所有 和 成立,其中 是某个常数。即

设 是一个与

独立的随机变量,并且

那么随机微分方程

存在唯一的关于 连续的解 ,且具有下列性质:

(i) 适应于

(ii)

注 10.9 从下面两个确定性微分方程的简单例子来看,条件(10.9)和(10.10)是很自然的。

(a)考虑

这对应于

它不满足条件(10.9)。该微分方程有唯一解

但在这种情况下不存在全局解。更一般地,条件(10.9)保证解 不会爆炸,也就是说, 不会在有限时间内趋于无穷。

(b)考虑微分方程

方程(10.11)有多个解。对任意 ,函数

都是方程(10.11)的解。

在这种情况下,

在 处不满足条件(10.10)。

10.3 弱解与强解

定义 10.10

(1)在给定概率空间 上,相对于固定的布朗运动 和初值 ,随机微分方程

的一个强解,是一个具有连续样本轨道的随机过程 ,并满足下列性质:

(i) 适应于滤过 ;

(ii)

(iii)对于所有 、 以及 ,

(iv)式(10.12)的积分形式成立:

(2)方程(10.12)的一个弱解是三元组

其中:

(i) 是概率空间, 是由 的子 -代数组成并满足通常条件的滤过。

定义 10.10(续)

(ii)

是连续、适应的 -值过程;

是标准布朗运动;并且满足强解定义(1)中的条件(iii)和(iv)。

按照定义,可以很明显地看出:强解一定是弱解。

注 10.11 有些随机微分方程没有强解,但仍然存在弱解。

例 10.12(田中(Tanaka)方程) 考虑随机微分方程

其中

注意,

不满足利普希茨条件(10.10),所以不能应用定理 10.8。

(1)断言方程(10.13)没有强解。

假设 是方程(10.13)的一个强解。由莱维(Lévy)定理, 是一个布朗运动。此外,

这意味着,由

给出的随机过程 ,相对于 是一个布朗运动。由田中公式,

其中, 是 的局部时。这意味着

这与 是强解相矛盾。

(2)求方程(10.13)的一个弱解。

选取 为一个布朗运动 。定义 :

也就是说,

于是

因此, 是一个弱解。

10.4 费曼–卡茨(Feynman–Kac)公式

下面讨论的是财务数学中常用的一个定理。

定理 10.13(费曼–卡茨公式) 考虑随机微分方程

设 是博雷尔可测函数。固定 ,并给定 。定义

假设对所有 ,均有

那么 满足偏微分方程

终端条件为

对所有

注 10.14 过程

是一个鞅。

定理 10.15(贴现的费曼–卡茨公式) 考虑随机微分方程

设 是博雷尔可测函数, 为常数。固定 ,并给定 。定义

假设对所有 ,均有

那么 满足偏微分方程

终端条件为

对所有

注:定理 10.15 的原文在随机微分方程中使用 ,而在期望和偏微分方程中使用 。这里按原文保留这些符号。

在随机分析中讨论的费曼–卡茨定理会更广泛一些,但那种形式非常复杂;这里只介绍与金融有关的形式。

例 10.16 假设 满足随机微分方程

令

那么 满足偏微分方程

终端条件为

这个方程可以用数值方法求解。

注:例 10.16 原文在期望中写作 ,并把终端条件写作 ;这里按原文保留。

定理 10.17(二维费曼–卡茨公式) 设

是二维布朗运动。考虑两个随机微分方程

设 是博雷尔可测函数,定义

那么 与 分别满足偏微分方程

以及

终端条件为

对所有


文章作者: Gustavo
版权声明: 本博客所有文章除特別声明外,均采用 CC BY-NC 4.0 许可协议。转载请注明来源 Gustavo !
评论
  目录