Винеровский процесс - Wiener process

Единственная реализация одномерного винеровского процесса

Единичная реализация трехмерного винеровского процесса

В математика, то Винеровский процесс действительно ценится непрерывное время случайный процесс назван в честь американского математика Норберт Винер за исследования математических свойств одномерного броуновского движения.^[1] Его также часто называют Броуновское движение из-за его исторической связи с одноименным физическим процессом, первоначально наблюдаемым шотландским ботаником Роберт Браун. Это один из самых известных Леви процессы (càdlàg случайные процессы с стационарный независимые приращения ) и часто встречается в чистом и Прикладная математика, экономика, количественное финансирование, эволюционная биология и физика.

Винеровский процесс играет важную роль как в чистой, так и в прикладной математике. В чистой математике винеровский процесс привел к изучению непрерывного времени. мартингалы. Это ключевой процесс, с помощью которого можно описать более сложные случайные процессы. Таким образом, он играет жизненно важную роль в стохастическое исчисление, диффузионные процессы и даже теория потенциала. Это движущий процесс Эволюция Шрамма – Лёвнера. В Прикладная математика, винеровский процесс используется для представления интеграла от белый шум Гауссовский процесс, и поэтому полезен как модель шума в электронная инженерия (увидеть Броуновский шум ), приборные ошибки в теория фильтрации и беспорядки в теория управления.

Винеровский процесс находит применение во всех математических науках. В физике используется для изучения Броуновское движение, диффузия мельчайших частиц, взвешенных в жидкости, и другие типы распространение через Фоккер – Планк и Уравнения Ланжевена. Это также является основой для строгих формулировка интеграла по путям из квантовая механика (посредством Формула Фейнмана – Каца, решение Уравнение Шредингера можно представить в терминах винеровского процесса) и изучение вечная инфляция в физическая космология. Это также заметно в математическая теория финансов, в частности Блэк – Скоулз модель ценообразования опционов.

Характеристики винеровского процесса

Винеровский процесс ${\displaystyle W_{t}}$ характеризуется следующими свойствами:^[2]

1. ${\displaystyle W_{0}=0}$
2. ${\displaystyle W}$ имеет независимые приращения: для каждого ${\displaystyle t>0,}$ будущие приращения ${\displaystyle W_{t+u}-W_{t},}$ ${\displaystyle u\geq 0,}$ не зависят от прошлых ценностей ${\displaystyle W_{s}}$, ${\displaystyle s\leq t.}$
3. ${\displaystyle W}$ имеет гауссовские приращения: ${\displaystyle W_{t+u}-W_{t}}$ нормально распределяется со средним ${\displaystyle 0}$ и дисперсия ${\displaystyle u}$, ${\displaystyle W_{t+u}-W_{t}\sim {\mathcal {N}}(0,u).}$
4. ${\displaystyle W}$ имеет непрерывные пути: ${\displaystyle W_{t}}$ непрерывно в ${\displaystyle t}$.

То, что процесс имеет независимые приращения, означает, что если 0 ≤ s₁ < т₁ ≤ s₂ < т₂ тогда W_т1 − W_s1 и W_т2 − W_s2 являются независимыми случайными величинами, и аналогичное условие выполняется для п приращения.

Альтернативной характеристикой винеровского процесса является так называемая Леви характеристика это говорит о том, что винеровский процесс почти наверняка непрерывный мартингейл с участием W₀ = 0 и квадратичная вариация [W_т, W_т] = т (которое значит что W_т² − т тоже мартингейл).

Третья характеристика заключается в том, что винеровский процесс имеет спектральное представление в виде синусоидального ряда, коэффициенты которого независимы. N(0, 1) случайные величины. Это представление можно получить, используя Теорема Карунена – Лоэва.

Другая характеристика винеровского процесса - это определенный интеграл (с нуля до времени т) нулевого среднего, единичной дисперсии, дельта-коррелированной («белой») Гауссовский процесс.^{[нужна цитата ]}

Винеровский процесс можно построить как предел масштабирования из случайная прогулка или другие случайные процессы с дискретным временем со стационарными независимыми приращениями. Это известно как Теорема Донскера. Как и случайное блуждание, винеровский процесс повторяется в одном или двух измерениях (что означает, что он почти наверняка возвращается к любому фиксированному окрестности происхождения бесконечно часто), тогда как он не повторяется в трех измерениях и выше^{[нужна цитата ]}. В отличие от случайного блуждания, это масштабный инвариант, означающий, что

${\displaystyle \alpha ^{-1}W_{\alpha ^{2}t}}$

является винеровским процессом для любой ненулевой постоянной α. В Мера Винера это закон вероятности на пространстве непрерывные функции г, с участием г(0) = 0, индуцированный винеровским процессом. An интеграл по мере Винера можно назвать Винеровский интеграл.

Винеровский процесс как предел случайного блуждания

Позволять ${\displaystyle \xi _{1},\xi _{2},\ldots }$ быть i.i.d. случайные величины со средним 0 и дисперсией 1. Для каждого п, определить случайный процесс с непрерывным временем

${\displaystyle W_{n}(t)={\frac {1}{\sqrt {n}}}\sum \limits _{1\leq k\leq \lfloor nt\rfloor }\xi _{k},\qquad t\in [0,1].}$

Это случайная ступенчатая функция. Приращения ${\displaystyle W_{n}}$ независимы, потому что ${\displaystyle \xi _{k}}$ независимы. Для больших п, ${\displaystyle W_{n}(t)-W_{n}(s)}$ близко к ${\displaystyle N(0,t-s)}$ по центральной предельной теореме. Теорема Донскера утверждает, что как ${\displaystyle n\to \infty }$, ${\displaystyle W_{n}}$ приближается к винеровскому процессу, который объясняет повсеместное распространение броуновского движения.^[3]

Свойства одномерного винеровского процесса

Основные свойства

Безусловный функция плотности вероятности, который следует нормальное распределение со средним значением = 0 и дисперсией = т, в установленное время т:

${\displaystyle f_{W_{t}}(x)={\frac {1}{\sqrt {2\pi t}}}e^{-x^{2}/(2t)}.}$

В ожидание равно нулю:

${\displaystyle E[W_{t}]=0.}$

В отклонение, используя расчетную формулу, равно т:

${\displaystyle \operatorname {Var} (W_{t})=t.}$

Эти результаты непосредственно следуют из определения, что приращения имеют нормальное распределение с центром в нуле. Таким образом

${\displaystyle W_{t}=W_{t}-W_{0}\sim N(0,t).}$

Ковариация и корреляция

В ковариация и корреляция (где ${\displaystyle s\leq t}$):

${\displaystyle \operatorname {cov} (W_{s},W_{t})=s,}$

${\displaystyle \operatorname {corr} (W_{s},W_{t})={\frac {\operatorname {cov} (W_{s},W_{t})}{\sigma _{W_{s}}\sigma _{W_{t}}}}={\frac {s}{\sqrt {st}}}={\sqrt {\frac {s}{t}}}.}$

Эти результаты следуют из определения, что неперекрывающиеся приращения независимы, при этом используется только то свойство, что они не коррелированы. Предположим, что ${\displaystyle t_{1}\leq t_{2}}$.

${\displaystyle \operatorname {cov} (W_{t_{1}},W_{t_{2}})=\operatorname {E} \left[(W_{t_{1}}-\operatorname {E} [W_{t_{1}}])\cdot (W_{t_{2}}-\operatorname {E} [W_{t_{2}}])\right]=\operatorname {E} \left[W_{t_{1}}\cdot W_{t_{2}}\right].}$

Подстановка

${\displaystyle W_{t_{2}}=(W_{t_{2}}-W_{t_{1}})+W_{t_{1}}}$

мы приходим к:

${\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {E} [W_{t_{1}}\cdot W_{t_{2}}]&=\operatorname {E} \left[W_{t_{1}}\cdot ((W_{t_{2}}-W_{t_{1}})+W_{t_{1}})\right]\\&=\operatorname {E} \left[W_{t_{1}}\cdot (W_{t_{2}}-W_{t_{1}})\right]+\operatorname {E} \left[W_{t_{1}}^{2}\right].\end{aligned}}}$

поскольку ${\displaystyle W_{t_{1}}=W_{t_{1}}-W_{t_{0}}}$ и ${\displaystyle W_{t_{2}}-W_{t_{1}}}$ независимы,

${\displaystyle \operatorname {E} \left[W_{t_{1}}\cdot (W_{t_{2}}-W_{t_{1}})\right]=\operatorname {E} [W_{t_{1}}]\cdot \operatorname {E} [W_{t_{2}}-W_{t_{1}}]=0.}$

Таким образом

${\displaystyle \operatorname {cov} (W_{t_{1}},W_{t_{2}})=\operatorname {E} \left[W_{t_{1}}^{2}\right]=t_{1}.}$

Следствие, полезное для моделирования, состоит в том, что мы можем написать для т₁ < т₂:

${\displaystyle W_{t_{2}}=W_{t_{1}}+{\sqrt {t_{2}-t_{1}}}\cdot Z}$

где Z является независимой стандартной нормальной переменной.

Винер представительство

Винер (1923) также дал представление о броуновском пути в терминах случайного Ряд Фурье. Если ${\displaystyle \xi _{n}}$ - независимые гауссовские переменные с нулевым средним и единичной дисперсией, то

${\displaystyle W_{t}=\xi _{0}t+{\sqrt {2}}\sum _{n=1}^{\infty }\xi _{n}{\frac {\sin \pi nt}{\pi n}}}$

и

${\displaystyle W_{t}={\sqrt {2}}\sum _{n=1}^{\infty }\xi _{n}{\frac {\sin \left(\left(n-{\frac {1}{2}}\right)\pi t\right)}{\left(n-{\frac {1}{2}}\right)\pi }}}$

представляют собой броуновское движение на ${\displaystyle [0,1]}$. Масштабный процесс

${\displaystyle {\sqrt {c}}\,W\left({\frac {t}{c}}\right)}$

это броуновское движение на ${\displaystyle [0,c]}$ (ср. Теорема Карунена – Лоэва ).

Максимум бега

Совместное распределение бегового максимума

${\displaystyle M_{t}=\max _{0\leq s\leq t}W_{s}}$

и W_т является

${\displaystyle f_{M_{t},W_{t}}(m,w)={\frac {2(2m-w)}{t{\sqrt {2\pi t}}}}e^{-{\frac {(2m-w)^{2}}{2t}}},\qquad m\geq 0,w\leq m.}$

Чтобы получить безусловное распределение ${\displaystyle f_{M_{t}}}$, проинтегрируем по −∞ < ш ≤ м :

${\displaystyle {\begin{aligned}f_{M_{t}}(m)&=\int _{-\infty }^{m}f_{M_{t},W_{t}}(m,w)\,dw=\int _{-\infty }^{m}{\frac {2(2m-w)}{t{\sqrt {2\pi t}}}}e^{-{\frac {(2m-w)^{2}}{2t}}}\,dw\\[5pt]&={\sqrt {\frac {2}{\pi t}}}e^{-{\frac {m^{2}}{2t}}},\qquad m\geq 0,\end{aligned}}}$

функция плотности вероятности Полунормальное распределение. Ожидание^[4] является

${\displaystyle \operatorname {E} [M_{t}]=\int _{0}^{\infty }mf_{M_{t}}(m)\,dm=\int _{0}^{\infty }m{\sqrt {\frac {2}{\pi t}}}e^{-{\frac {m^{2}}{2t}}}\,dm={\sqrt {\frac {2t}{\pi }}}}$

Если во время ${\displaystyle t}$ Винеровский процесс имеет известное значение ${\displaystyle W_{t}}$, можно вычислить условное распределение вероятностей максимума в интервале ${\displaystyle [0,t]}$ (ср. Распределение вероятностей крайних точек винеровского случайного процесса ). В кумулятивная функция распределения вероятностей максимального значения, обусловленный по известному значению ${\displaystyle W_{t}}$, является:

${\displaystyle \,F_{M_{W_{t}}}(m)=\Pr \left(M_{W_{t}}=\max _{0\leq s\leq t}W(s)\leq m\mid W(t)=W_{t}\right)=\ 1-\ e^{-2{\frac {m(m-W_{t})}{t}}}\ \,,\,\ \ m>\max(0,W_{t})}$

Самоподобие

Демонстрация броуновского масштабирования, показывающая ${\displaystyle V_{t}=(1/{\sqrt {c}})W_{ct}}$ для уменьшения c. Обратите внимание, что средние характеристики функции не меняются при увеличении масштаба, и обратите внимание, что масштаб по горизонтали увеличивается квадратично быстрее, чем по вертикали.

Броуновское масштабирование

Для каждого c > 0 процесс ${\displaystyle V_{t}=(1/{\sqrt {c}})W_{ct}}$ это еще один винеровский процесс.

Обратное время

Процесс ${\displaystyle V_{t}=W_{1}-W_{1-t}}$ для 0 ≤ т ≤ 1 распределяется как W_т для 0 ≤ т ≤ 1.

Инверсия времени

Процесс ${\displaystyle V_{t}=tW_{1/t}}$ это еще один винеровский процесс.

Класс броуновских мартингалов

Если многочлен п(Икс, т) удовлетворяет PDE

${\displaystyle \left({\frac {\partial }{\partial t}}+{\frac {1}{2}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}\right)p(x,t)=0}$

тогда стохастический процесс

${\displaystyle M_{t}=p(W_{t},t)}$

это мартингейл.

Пример: ${\displaystyle W_{t}^{2}-t}$ мартингейл, который показывает, что квадратичная вариация из W на [0, т] равно т. Отсюда следует, что ожидаемый время первого выхода из W от (-c, c) равно c².

В более общем смысле, для каждого полинома п(Икс, т) следующий случайный процесс является мартингалом:

${\displaystyle M_{t}=p(W_{t},t)-\int _{0}^{t}a(W_{s},s)\,\mathrm {d} s,}$

где а это многочлен

${\displaystyle a(x,t)=\left({\frac {\partial }{\partial t}}+{\frac {1}{2}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}\right)p(x,t).}$

Пример: ${\displaystyle p(x,t)=(x^{2}-t)^{2},}$ ${\displaystyle a(x,t)=4x^{2};}$ процесс

${\displaystyle (W_{t}^{2}-t)^{2}-4\int _{0}^{t}W_{s}^{2}\,\mathrm {d} s}$

является мартингалом, который показывает, что квадратичная вариация мартингала ${\displaystyle W_{t}^{2}-t}$ на [0, т] равно

${\displaystyle 4\int _{0}^{t}W_{s}^{2}\,\mathrm {d} s.}$

О функциях п(ха, т) более общий, чем полиномы, см. местные мартингалы.

Некоторые свойства примеров путей

Набор всех функций ш с этими свойствами имеет полную винеровскую меру. То есть путь (примерная функция) винеровского процесса почти наверняка обладает всеми этими свойствами.

Качественные свойства

• Для любого ε> 0 функция ш принимает как (строго) положительные, так и (строго) отрицательные значения на (0, ε).
• Функция ш всюду непрерывна, но нигде не дифференцируема (как Функция Вейерштрасса ).
• Пункты локальный максимум функции ш - плотное счетное множество; максимальные значения попарно различны; каждый локальный максимум резок в следующем смысле: если ш имеет локальный максимум на т тогда

${\displaystyle \lim _{s\to t}{\frac {|w(s)-w(t)|}{|s-t|}}\to \infty .}$

То же самое и для локальных минимумов.

• Функция ш не имеет точек локального увеличения, то есть нет т > 0 для некоторого ε из (0, т): первый, ш(s) ≤ ш(т) для всех s в (т - ε, т), а во-вторых, ш(s) ≥ ш(т) для всех s в (т, т + ε). (Локальное увеличение - более слабое условие, чем это ш увеличивается на (т - ε, т + ε).) То же верно и для локального убывания.
• Функция ш имеет неограниченное изменение на каждом интервале.
• В квадратичная вариация из ш над [0, t] равно t.
• Нули функции ш площадь нигде не плотный идеальный набор меры Лебега 0 и Хаусдорфово измерение 1/2 (следовательно, бесчисленное множество).

Количественные свойства

Закон повторного логарифма

${\displaystyle \limsup _{t\to +\infty }{\frac {|w(t)|}{\sqrt {2t\log \log t}}}=1,\quad {\text{almost surely}}.}$

Модуль непрерывности

Локальный модуль непрерывности:

${\displaystyle \limsup _{\varepsilon \to 0+}{\frac {|w(\varepsilon )|}{\sqrt {2\varepsilon \log \log(1/\varepsilon )}}}=1,\qquad {\text{almost surely}}.}$

Глобальный модуль непрерывности (Леви):

${\displaystyle \limsup _{\varepsilon \to 0+}\sup _{0\leq s<t\leq 1,t-s\leq \varepsilon }{\frac {|w(s)-w(t)|}{\sqrt {2\varepsilon \log(1/\varepsilon )}}}=1,\qquad {\text{almost surely}}.}$

Местное время

Образ Мера Лебега на [0, т] под картой ш (в предварительная мера ) имеет плотность L_т(·). Таким образом,

${\displaystyle \int _{0}^{t}f(w(s))\,\mathrm {d} s=\int _{-\infty }^{+\infty }f(x)L_{t}(x)\,\mathrm {d} x}$

для широкого класса функций ж (а именно: все непрерывные функции; все локально интегрируемые функции; все неотрицательные измеримые функции). Плотность L_т является (точнее, может и будет выбрано) непрерывным. Число L_т(Икс) называется местное время в Икс из ш на [0, т]. Это строго положительно для всех Икс интервала (а, б) где а и б наименьшая и наибольшая ценность ш на [0, т] соответственно. (Для Икс вне этого интервала местное время, очевидно, обращается в нуль.) Рассматриваемое как функция двух переменных Икс и т, местное время по-прежнему непрерывно. Рассматривается как функция т (в то время как Икс фиксировано), местное время - сингулярная функция соответствующий неатомный мера на множестве нулей ш.

Эти свойства непрерывности довольно нетривиальны. Учтите, что местное время также может быть определено (как плотность прямой меры) для гладкой функции. Однако тогда плотность будет разрывной, если данная функция не монотонна. Другими словами, существует конфликт между хорошим поведением функции и хорошим поведением ее местного времени. В этом смысле непрерывность местного времени винеровского процесса является еще одним проявлением негладкости траектории.

Скорость передачи информации

В скорость передачи информации винеровского процесса относительно квадрата ошибочного расстояния, т. е. его квадратичной функция коэффициент искажения, дан кем-то ^[5]

${\displaystyle R(D)={\frac {2}{\pi ^{2}\ln 2D}}\approx 0.29D^{-1}.}$

Следовательно, невозможно закодировать ${\displaystyle \{w_{t}\}_{t\in [0,T]}}$ с помощью бинарный код менее чем ${\displaystyle TR(D)}$ биты и восстановить его с ожидаемой среднеквадратичной ошибкой меньше, чем ${\displaystyle D}$. С другой стороны, для любого ${\displaystyle \varepsilon >0}$, Существует ${\displaystyle T}$ достаточно большой и бинарный код не более чем ${\displaystyle 2^{TR(D)}}$ отдельные элементы, так что ожидаемые среднеквадратичная ошибка в выздоровлении ${\displaystyle \{w_{t}\}_{t\in [0,T]}}$ из этого кода не более ${\displaystyle D-\varepsilon }$.

Во многих случаях невозможно кодировать винеровский процесс без отбор проб это первое. Когда винеровский процесс отбирается через определенные промежутки времени ${\displaystyle T_{s}}$ перед применением двоичного кода для представления этих образцов оптимальный компромисс между кодовая скорость ${\displaystyle R(T_{s},D)}$ и ожидал среднеквадратичная ошибка ${\displaystyle D}$ (при оценке винеровского процесса с непрерывным временем) следует параметрическому представлению ^[6]

${\displaystyle R(T_{s},D_{\theta })={\frac {T_{s}}{2}}\int _{0}^{1}\log _{2}^{+}\left[{\frac {S(\varphi )-{\frac {1}{6}}}{\theta }}\right]d\varphi ,}$

${\displaystyle D_{\theta }={\frac {T_{s}}{6}}+T_{s}\int _{0}^{1}\min\{S(\varphi )-{\frac {1}{6}},\theta \}d\varphi ,}$

где ${\displaystyle S(\varphi )=(2\sin(\pi \varphi /2))^{-2}}$ и ${\displaystyle \log ^{+}[x]=\max\{0,\log(x)\}}$. Особенно, ${\displaystyle T_{s}/6}$ - среднеквадратичная ошибка, связанная только с операцией выборки (без кодирования).

Связанные процессы

Винеровские процессы с дрейфом (синий) и без дрейфа (красный).

2D винеровские процессы со сносом (синий) и без дрейфа (красный).

Генератор броуновского движения в ½ раза больше Оператор Лапласа – Бельтрами. На изображении выше изображено броуновское движение на особом многообразии: поверхности сферы.

Стохастический процесс, определяемый

${\displaystyle X_{t}=\mu t+\sigma W_{t}}$

называется Винеровский процесс с дрейфом μ и бесконечно малая дисперсия σ². Эти процессы истощают непрерывные Леви процессы.

Два случайных процесса на временном интервале [0, 1] появляются, грубо говоря, при условии, что винеровский процесс обращается в нуль на обоих концах [0,1]. Без дальнейшего кондиционирования процесс принимает как положительные, так и отрицательные значения на [0, 1] и называется Броуновский мост. При условии, что он также остается положительным на (0, 1), процесс называется Броуновская экскурсия.^[7] В обоих случаях строгое лечение предполагает ограничительную процедуру, поскольку формула п(А|B) = п(А ∩ B)/п(B) не применяется, когда п(B) = 0.

А геометрическое броуновское движение можно написать

${\displaystyle e^{\mu t-{\frac {\sigma ^{2}t}{2}}+\sigma W_{t}}.}$

Это стохастический процесс, который используется для моделирования процессов, которые никогда не могут принимать отрицательные значения, например, стоимость акций.

Стохастический процесс

${\displaystyle X_{t}=e^{-t}W_{e^{2t}}}$

распространяется как Процесс Орнштейна – Уленбека с параметрами ${\displaystyle \theta =1}$, ${\displaystyle \mu =0}$, и ${\displaystyle \sigma ^{2}=2}$.

В время удара единственная точка Икс > 0 по винеровскому процессу - случайная величина с Распределение Леви. Семейство этих случайных величин (индексированных всеми положительными числами Икс) это непрерывный слева модификация Леви процесс. В непрерывный вправо модификация этого процесса дано временами первый выход из отрезков [0, Икс].

В местное время L = (L^Икс_т)_{Икс ∈ р, т ≥ 0} броуновского движения описывает время, которое процесс проводит в точке Икс. Формально

${\displaystyle L^{x}(t)=\int _{0}^{t}\delta (x-B_{t})\,ds}$

где δ это Дельта-функция Дирака. Поведение местного времени характеризуется Теоремы Рэя – Найта.

Броуновские мартингалы

Позволять А - событие, связанное с винеровским процессом (более формально: множество, измеримое по мере Винера в пространстве функций), и Икс_т условная вероятность А учитывая винеровский процесс на интервале времени [0, т] (более формально: мера Винера множества траекторий, конкатенация которых с данной частичной траекторией на [0, т] принадлежит А). Тогда процесс Икс_т является непрерывным мартингалом. Его мартингальное свойство непосредственно следует из определений, но его непрерывность - очень особый факт - частный случай общей теоремы, утверждающей, что все броуновские мартингалы непрерывны. Броуновский мартингал по определению мартингейл адаптирован к броуновской фильтрации; а броуновская фильтрация по определению фильтрация генерируется винеровским процессом.

Интегрированное броуновское движение

Интеграл по времени винеровского процесса

${\displaystyle W^{(-1)}(t):=\int _{0}^{t}W(s)\,ds}$

называется интегрированное броуновское движение или интегрированный винеровский процесс. Он возникает во многих приложениях и, как можно показать, имеет распределение N(0, т³/3),^[8] рассчитывается с использованием того факта, что ковариация винеровского процесса равна ${\displaystyle t\wedge s=\min(t,s)}$.^[9]

В общем случае процесса, определяемого формулой

${\displaystyle V_{f}(t)=\int _{0}^{t}f'(s)W(s)\,ds=\int _{0}^{t}(f(t)-f(s))\,dW_{s}}$

Тогда для ${\displaystyle a>0}$,

${\displaystyle \operatorname {Var} (V_{f}(t))=\int _{0}^{t}(f(t)-f(s))^{2}\,ds}$

${\displaystyle \operatorname {cov} (V_{f}(t+a),V_{f}(t))=\int _{0}^{t}(f(t+a)-f(s))(f(t)-f(s))\,ds}$

По факту, ${\displaystyle V_{f}(t)}$ всегда является нормальной случайной величиной с нулевым средним. Это позволяет моделировать ${\displaystyle V_{f}(t+a)}$ данный ${\displaystyle V_{f}(t)}$ принимая

${\displaystyle V_{f}(t+a)=A\cdot V_{f}(t)+B\cdot Z}$

где Z стандартная нормальная переменная и

${\displaystyle A={\frac {\operatorname {cov} (V_{f}(t+a),V_{f}(t))}{\operatorname {Var} (V_{f}(t))}}}$

${\displaystyle B^{2}=\operatorname {Var} (V_{f}(t+a))-A^{2}\operatorname {Var} (V_{f}(t))}$

Случай ${\displaystyle V_{f}(t)=W^{(-1)}(t)}$ соответствует ${\displaystyle f(t)=t}$. Все эти результаты можно рассматривать как прямые последствия Ито изометрия. п-интегрированный по времени винеровский процесс - это нормальная переменная с нулевым средним и дисперсией ${\displaystyle {\frac {t}{2n+1}}\left({\frac {t^{n}}{n!}}\right)^{2}}$. Это дано Формула Коши для повторного интегрирования.

Изменение времени

Каждый непрерывный мартингейл (начиная с начала координат) - это винеровский процесс, измененный во времени.

Пример: 2W_т = V(4т) где V это еще один винеровский процесс (отличный от W но распространяется как W).

Пример. ${\displaystyle W_{t}^{2}-t=V_{A(t)}}$ где ${\displaystyle A(t)=4\int _{0}^{t}W_{s}^{2}\,\mathrm {d} s}$ и V это еще один винеровский процесс.

В общем, если M является непрерывным мартингалом, то ${\displaystyle M_{t}-M_{0}=V_{A(t)}}$ где А(т) это квадратичная вариация из M на [0, т], и V это винеровский процесс.

Следствие. (Смотрите также Теоремы Дуба о сходимости мартингалов ) Позволять M_т быть непрерывным мартингалом, и

${\displaystyle M_{\infty }^{-}=\liminf _{t\to \infty }M_{t},}$

${\displaystyle M_{\infty }^{+}=\limsup _{t\to \infty }M_{t}.}$

Тогда возможны только два следующих случая:

${\displaystyle -\infty <M_{\infty }^{-}=M_{\infty }^{+}<+\infty ,}$

${\displaystyle -\infty =M_{\infty }^{-}<M_{\infty }^{+}=+\infty ;}$

другие случаи (например, ${\displaystyle M_{\infty }^{-}=M_{\infty }^{+}=+\infty ,}$   ${\displaystyle M_{\infty }^{-}<M_{\infty }^{+}<+\infty }$ и т.д.) имеют вероятность 0.

В частности, неотрицательный непрерывный мартингал имеет конечный предел (как т → ∞) почти наверняка.

Все сказанное (в этом пункте) для мартингалов справедливо и для местные мартингалы.

Изменение меры

Широкий класс непрерывные семимартингалы (особенно из диффузионные процессы ) связана с винеровским процессом через комбинацию изменения времени и изменение меры.

Используя этот факт, качественные свойства Сказанное выше для винеровского процесса можно обобщить на широкий класс непрерывных семимартингалов.^[10][11]

Комплексный винеровский процесс

Комплекснозначный винеровский процесс можно определить как комплекснозначный случайный процесс вида ${\displaystyle Z_{t}=X_{t}+iY_{t}}$ где ${\displaystyle X_{t}}$ и ${\displaystyle Y_{t}}$ находятся независимый Винеровские процессы (действительные).^[12]

Самоподобие

Броуновское масштабирование, обращение времени, обращение времени: то же, что и в случае с действительными значениями.

Инвариантность вращения: для каждого комплексного числа ${\displaystyle c}$ такой, что ${\displaystyle |c|=1}$ процесс ${\displaystyle c\cdot Z_{t}}$ - еще один комплекснозначный винеровский процесс.

Изменение времени

Если ${\displaystyle f}$ является вся функция тогда процесс ${\displaystyle f(Z_{t})-f(0)}$ представляет собой комплекснозначный винеровский процесс с изменением времени.

Пример: ${\displaystyle Z_{t}^{2}=(X_{t}^{2}-Y_{t}^{2})+2X_{t}Y_{t}i=U_{A(t)}}$ где

${\displaystyle A(t)=4\int _{0}^{t}|Z_{s}|^{2}\,\mathrm {d} s}$

и ${\displaystyle U}$ - еще один комплекснозначный винеровский процесс.

В отличие от случая с действительными значениями, комплексный мартингал, как правило, не является комплексным винеровским процессом с измененным временем. Например, мартингейл ${\displaystyle 2X_{t}+iY_{t}}$ не здесь ${\displaystyle X_{t}}$ и ${\displaystyle Y_{t}}$ являются независимыми винеровскими процессами, как и раньше).

Смотрите также

Общие: Абстрактное винеровское пространство Классическое винеровское пространство Распределение Чернова Фрактал Броуновская паутина Распределение вероятностей крайних точек винеровского случайного процесса

Выборка числового пути: Метод Эйлера – Маруямы Метод ходьбы по сферам

Заметки

1. Собрание сочинений Н. Винера, том 1
2. Durrett 1996, разд. 7.1
3. Стивен Лалли, Mathematical Finance 345. Лекция 5: Броуновское движение (2001)
4. Шрив, Стивен Э (2008). Стохастическое исчисление для финансов II: модели непрерывного времени. Springer. п. 114. ISBN  978-0-387-40101-0.
5. Т. Бергер, "Скорость передачи информации винеровских процессов", IEEE Transactions on Information Theory, vol. 16, нет. 2, стр. 134-139, март 1970 г. doi: 10.1109 / TIT.1970.1054423
6. Кипнис, А., Голдсмит, А.Дж. and Eldar, Y.C., 2019. Функция скорости искажения дискретизированных винеровских процессов. IEEE Transactions on Information Theory, 65 (1), pp.482-499.
7. Vervaat, W. (1979). «Связь между броуновским мостом и броуновской экскурсией». Анналы вероятности. 7 (1): 143–149. Дои:10.1214 / aop / 1176995155. JSTOR  2242845.
8. "Вопросы для интервью VII: Интегрированное броуновское движение - Квантопия". www.quantopia.net. Получено 2017-05-14.
9. Форум, «Вариант интегрированного винеровского процесса», 2009.
10. Ревуз, Д. и Йор, М. (1999). Непрерывные мартингалы и броуновское движение (Том 293). Springer.
11. Дуб, Дж. Л. (1953). Стохастические процессы (Том 101). Вайли: Нью-Йорк.
12. Navarro-moreno, J .; Эстудильо-Мартинес, доктор медицины; Fernandez-alcala, R.M .; Руис-Молина, Дж. К. (2009), "Оценка несобственных комплекснозначных случайных сигналов в цветном шуме с помощью теории гильбертова пространства", IEEE Transactions по теории информации, 55 (6): 2859–2867, Дои:10.1109 / TIT.2009.2018329

использованная литература

• Кляйнерт, Хаген (2004). Интегралы по траекториям в квантовой механике, статистике, физике полимеров и финансовых рынках (4-е изд.). Сингапур: World Scientific. ISBN  981-238-107-4. (также доступно в Интернете: PDF-файлы )
• Старк, Генри; Вудс, Джон (2002). Вероятность и случайные процессы с приложениями к обработке сигналов (3-е изд.). Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN  0-13-020071-9.
• Дарретт, Р. (2000). Вероятность: теория и примеры (4-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-76539-0.
• Ревуз, Даниил; Йор, Марк (1994). Непрерывные мартингалы и броуновское движение (Второе изд.). Springer-Verlag.

внешние ссылки

• Статья для школьника
• Броуновское движение, «разнообразное и волнообразное»
• Обсуждает историю, ботанику и физику оригинальных наблюдений Брауна с видео.
• «Предсказание Эйнштейна, наконец, стало свидетелем столетия спустя» : тест для наблюдения за скоростью броуновского движения
• «Интерактивное веб-приложение: случайные процессы, используемые в количественных финансах».