03-Wiener过程与Brownian运动


随机微积分第 3 讲与第 3 次习题课手写讲义

第 3 讲

时间是连续的:

定义。 过程 称为 Wiener 过程/Brownian 运动,如果:

1.

  1. 对任意 ,增量满足

旁边的图以时间为横轴、 为纵轴,画出了红、绿、蓝三条可能的连续样本路径。另一个小图标出时刻 ,并用竖直箭头表示增量

  1. 不重叠区间上的增量相互独立。

是相互独立的增量。图中在同一条时间轴上依次标出了

  1. 样本轨道连续的概率为

定义。 关于滤过 ,过程 称为 Wiener 过程,如果条件 1、2、4 保持不变,并把条件 3 改为:

3′. 对任意

也就是说,未来增量独立于当前信息。图中在时刻 之间画出路径,并用竖直箭头标记

例。 计算

并把下列概率用标准正态分布 的分布函数表示成数值:

以及

页末图画出一条从 的样本路径,在 处标记 ,并用虚线表示相应高度。旁边再次注明

先写成

于是

图中把 标注为“未来”,把 标注为“已知”。并且

对条件方差,

这里“未来值=过去值+增量”。第二个条件方差为 ,因为 在给定 后已经确定。并且

所以其方差为

一般地,如果随机变量 关于 可测,则

再看无条件分布。由于

其中

而且二者独立。因此

页中还写出了

以及

由分布关于 对称,

从而

页末给出正态密度的示意图。若

则图中密度以 为中心,并写出

相应地,

以及

现在求

图中在时间轴上标出 ,并用三段不同颜色的箭头表示相应增量。旁边写着“三者都独立”。

分解为

给定 后,

条件方差为

因为两个增量相互独立。因此

作为对照,无条件分布是

一般地,若

则标准化得到

也就是把随机变量变为

因此,

其中 是标准正态随机变量。图中画出了标准正态密度,并在 的右侧阴影表示所求尾概率;标准正态密度为

所求概率也可写成

方框旁写着:“考试做到这里即可。”其中 表示 的分布函数。

页中还写出用于计算的 Python 导入语句:

from scipy.stats import norm
from numpy import sqrt

定义。 连续时间过程 称为鞅,如果

例。 是 Wiener 过程,并取自然滤过

(a) 是鞅吗?——它是鞅。

(b)过程

是鞅吗?——它是鞅。

对(a),图中在时间轴上标出 ,并注明:给定 时,直到时刻 的所有值都是已知的。例如,

然后

其中

对(b),

令增量

图中用两个相邻的半圆表示过去区间与区间 ,并把 标为“增量”。于是

这里

而且

第 3 次习题课

例。 图中画出从 出发的 Wiener 路径,上方屏障为 ,下方屏障为 。路径最终在停时 到达 。定义

问题:

(a)求

页上预先写出了候选结果

(b)求

提示:假设可以使用 Doob 定理。

是关于滤过 的鞅, 是停时,并且满足某个“技术条件”,则

这里使用两个鞅:

由停时定理,

那么

所以

再利用

从而

因此

“ABRACADABRA”问题

字母表包含 26 个字母 。令

目标是求

为了使用 Doob 定理,设想开一家赌场。规则如下:

  • 每位玩家带着 美元入场;
  • 玩家应把自己的全部财富押在下一个按键上;
  • 下注顺序是 ,也就是单词 “ABRACADABRA” 的字母顺序;
  • 如果猜对,赌注乘以
  • 如果猜错,财富变为

表示第 个人在时刻 的财富。最初

一次下注后,

两次下注后,图中列出财富为 ,相应概率包含

这里

所以每个玩家的财富过程都是鞅。

定义赌场中所有玩家的总财富

页上注明: 不是鞅,而且

是鞅。因此,若可应用停时定理,

所以

图中把各玩家的下注字母按列排列,并在最终出现

时标出三个仍有财富的匹配:完整单词、后缀 “ABRA” 和空匹配。相应财富分别标为

因此原页写出

并得到

例。 是 Wiener 过程,定义

问题与计算如下。

(a)

(b)

(c)求 的分布。页上先写了 ,随后划改;后面的计算得到

(d) 的增量是否相关?原稿把“相关”改为“独立”,即不重叠增量相互独立。

首先,

其均值为

因为

方差计算为

其中

同理 。对 ,时间倒数满足

并且

这里增量 独立。

作为 Wiener 过程协方差的例子,页末写出

以及

一般地,

图中用时间轴分别示意 ,以及 时的区间关系,并标出两个增量

对 $0

图中还画出取倒数后的时间顺序

对联合正态随机变量,

定理。 是 Wiener 过程,则

也是 Wiener 过程。这称为时间反演。

例。 计算

页中画了两幅路径图:上图为 ,并用红色椭圆圈出 前后的两段;下图为时间反演后的 ,相应部分在时间尺度上互换。

可得

检查题 3(原稿标注:“第 66 页,N3”)

图中画出一个离散随机游走:当前位置为 ;每一步以概率 向左移动 ,以概率 向右移动 ,以概率 留在原地。左端 标作“猫头鹰”,右端 标作“兔子”。

定义

  1. 是否为鞅?

计算为

所以 是鞅。页中还画出一条离散路径,包含上升、下降和保持不变的水平段。

(b)考虑

求使其成为鞅的 。鞅条件为

写成

并把三部分分别标为“未来值=当前值+增量”。令

所以

条件等式展开为

等价地,直接按三种转移写成

因此页末留下方程

由上一页方程得到

所以

是鞅。

(c)求

以及

的鞅性质和停时定理,

于是

再由 是鞅,

因此

旁边写着:“请自己解出来。”

N2

是 Wiener 过程。

(a)

并且

其中

独立。

(b)开始计算

由于 独立且

页末再次写出时间反演过程:

由时间反演关系,

特别地,

以及

页右上写出:若 是可逆变换,则

继续上一页的条件期望。用星号 表示尚待计算的部分:

因此

页中插入了一个离散例子说明条件于 和条件于 给出相同信息。表格为

因此

旁边写着

接着计算条件方差:

仍令

原页把它继续展开为条件二阶矩减去条件均值的平方:

交叉项满足

因为

对于第一项,

页底引用了鞅

并写出

由上一页最后的等式,

同样,由 是鞅,

页上最后还写有

这里右端 Wiener 变量的下标在原稿中看起来写作 ;该式与前两行采用同一鞅性质,但原页没有继续解释或修正。


文章作者: Gustavo
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