книги / Стохастические дифференциальные уравнения и диффузионные процессы
..pdf§ 8. ПРИМЕРЫ |
221 |
<оо, мы можем применить теорему 9.1 и заключить, что |(t) опре деляется единственным образом как i) -согласованный непрерыв ный справа процесс на дП с левосторонними пределами.
В-третьих, положим
f г t
Л (/) = Ст0 |
+ |
j |
J |
ст [Ф (I (.<>—), w \ Np(dsdw) + |
f P (s (*•))ds = |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
0 |
Jjp>e(I>) |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
< |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= or0 |
+ |
2 |
(s (s —))s or [p (s)] + |
|
\о ( 1 (*)) ds. |
(7.2 1 ) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
sct.seDj, |
|
|
|
|
,, |
|
|
|
|
|
Используя (7.13), нетрудно показать, что Л ( |
0 |
— (^'^-согласован |
|||||||||||||||
ный |
непрерывный справа процесс |
такой, что <—»-Л(/) |
строго |
воз |
|||||||||||||
растает |
и |
lim A{t) = |
оо и. н. Для всякого |
0 существует |
единст- |
||||||||||||
венное |
s ^ |
t Тэо |
|
|
|
Л (s). Если |
s = 0, т. е. О ^ |
t sS |
|||||||||
О такое, что Л (s—) sS t |
|||||||||||||||||
^ Оо, то Xх(I) был уже определен равенством |
(7.19). Если |
« > 0 и |
|||||||||||||||
A (s |
) < А (л-), то |
отсюда |
следует, |
что |
s e D ?, |
и мы полагаем . |
|||||||||||
|
|
|
|
|
.V (!) = Ф ( ! ( * - ) , /»(«))(< — Л (*—)). |
|
(7.22) |
||||||||||
Если s > |
0 п Л (s—) = Л (в), то !( s ) = |(s—), а мы полагаем |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
X*(t)=%(s). |
|
|
|
|
|
(7.23) |
|||
Таким |
образом, |
мы определили |
случайный |
|
процесс |
Xх (t); |
из |
||||||||||
способа построения ясно, что функция |
t •-*- Xх (I) |
непрерывна н. п. |
|||||||||||||||
Оставшейся проблемой является доказательство того, что |
Xх(t) — |
||||||||||||||||
— (Л, L) -диффузионный |
процесс. Это |
можно |
сделать |
в принципе |
|||||||||||||
теми же рассуждениями, что и в главе III, п. 4.3. Однако доказа |
|||||||||||||||||
тельство |
довольно |
усложняется, и |
мы |
опускаем |
детали; см. |
[17]. |
|||||||||||
§ 8 . Примеры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
П р и м е р |
8.1. |
(Линейная или |
гауссовская |
диффузия.) |
Пусть |
||||||||||||
а = |
(о],) — постоянная d |
X /-матрица, |
а Р = |
(Р?,) — постоянная |
d X |
||||||||||||
X d-матрнца. Положим Ъг(х)= 2 |
Р/гЛ',х = (х‘, х2, |
..., / ) e |
R'1. Рас- |
||||||||||||||
смотрим |
следующее |
|
/*— 1 |
|
|
|
|
|
|
уравнение: |
|||||||
стохастическое дифференциальное |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
£ « } = |
2 |
aldUl+ bi (Xl)dt, |
/ = |
1, 2 |
, . . . , d , |
|
|
(8.1) |
|||||
|
|
|
|
|
/4=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
или, в матричных обозначениях, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dX, = odB, + $X,dt. |
|
|
|
|
|
(8.1)' |
Из общей теории (теорема 3.1) мы знаем, что существует единст венное решение, которое в явном виде задается следующим обра-
2 2 2 |
|
ГП. IV. СТОХАСТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зом. Пусть е'Р = 2d |
fk |
ь |
|
|
|
|
|
|
|
зада |
|||
' |
* Тогда решение X(t) уравнения (8.1) |
||||||||||||
|
|
л о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ется равенством |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
X (I) = |
еР' |
Х (0 ) + |
je-P*crf№(s) |
|
|
(8.2) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
или, покомпонентно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
X* (t) =£ (eP') UJ(0) + & 2 f(e-PyaldB%J. |
|
|
||||||||||
|
|
i=i |
|
l |
|
|
ft=i о |
|
|
J |
|
|
|
Доказательство легко получается из соотношения |
|
|
|
|
|||||||||
|
d(e~*lX(t)) = е~*1(dX( l ) - |
рХ(*)dt) = e^'adB(l ) . |
|
|
|||||||||
В частности, если начальное значение |
Х (0 ) имеет |
гауссовское |
|||||||||||
распределение, |
то |
X (t) — гауссовский процесс*). |
Например, |
ес |
|||||||||
ли d = 1 и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dX(t)=dB(t) |
-yX(t)dt |
( f > 0 ) , |
|
|
(8.3) |
||||||
то решение X(t) находится но формуле |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
X (*) = e-v /X (0) + f*e^dB (#)х| |
|
|
(8.4) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
\ |
|
о |
J |
|
|
|
|
(см. также пример |
2.1 |
главы III, |
§ |
2). |
Предположим, что |
Х(0) |
|||||||
имеет |
гауссовское распределение |
со |
средним 0 и |
дисперсией |
а'1. |
||||||||
Тогда ковариация процесса X(t) задается равенством |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Е{Х (г) X (.-?)) = |
e-v(t- ! - * ) a 2 |
4 |
- j e-vO -^e-ve-’Odu = |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
о |
—^je-y(t rs) _j_ JL е- |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
= |
^о2 |
у |
если |
t~>s. |
|||||
В частности, если O2 = |
1 / ( 2 Y), то X(г) — стационарный гауссовский |
||||||||||||
процесс [43]. |
(8.3) |
известно как уравнение Ланжевена, а решение |
|||||||||||
Уравнение |
|||||||||||||
X(t) |
в (8.4) |
известно |
|
как |
броуновское |
движение |
Орнстейна — |
||||||
Уленбека. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Несколько более общего вида уравнение |
|
|
|
|
|||||||||
|
rfX(f) = (flX(0+ b)dB{t) + (cX(t)+d)dt, |
|
(8.3) |
где а, Ь, с, d — действительные постоянные, можно решить аналогичным образом. Сначала заметим, что (8.5) эквивалентно
*) По определению решений. Х(0) и B(t) всегда независимы.
|
|
|
|
|
§ 8. ПРИМЕРЫ |
|
|
|
|
|
223 |
|||||
уравнению |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dX (t) = |
аХ (t) о dB (t) - 4 а (aX (t) + |
b) dt + |
MB (t) + |
(cX (t) + |
d) dt= |
|||||||||||
— aX(t) о dB{t) + |
|
----- aaj x( t ) d t + |
bdB(t) + |
^d — у |
abjdf. |
(8 .6 |
) |
|||||||||
Если Af(t) = |
expj — aB(t) — {c — 4-a2 ltj, |
T 0 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
dM (t) = |
— aM (t) » dB (f) — |
_ |
JL a2) .1 / (f) dt |
|
|
|||||||||
н, следовательно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
i¥ (f) - 1 |
• dM (i) = - |
[ad/? (t) + |
(c - |
-1 a2] dt]. |
|
|
||||||||
Уравнение (8 .6 ) эквивалентно уравнению |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
dX (t) = |
— X (t) M (t) _ 1 о dM (t) + |
&d/? (t) + |
(d - |
afc]df, |
|
|||||||||||
T. e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d (Л/ (О X (f)) = ЪМ(t) . d/?(0 |
+ |
( d |
- i - |
ab) ЛаГ( 0 dt. |
|
|
|||||||||
Поэтому единственное решение |
X(t) |
задается |
равенством |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
Г |
< |
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
-I |
|
X (t) = М {t)” 1 |
X (0 ) + b J M (s) оdB (s) + |
Id- |
i - ab] \M (s) ds |
, |
||||||||||||
|
|
|
|
- |
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
# |
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(8.7) |
|
где M (t) = |
exp j — aB(t) — (^c •— у |
a2] tj. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Аналогично, если рассмотрим многомерное стохастическое диф |
||||||||||||||||
ференциальное уравнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
dX* (t) = |
i |
( 2 |
Ц)}Х} (t) + 4 |
) . dBp(0 |
+ |
f i |
/4;X J'(t) + 4 |
) dt, |
||||||||
|
|
P- |
I \j=i |
|
/ |
|
|
|
|
\i=i |
|
/ |
|
|||
X l (0) |
= |
ад, |
i = |
1, 2, . . . , d, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где LJ,j, |
t, |
} — 1 , |
2 , |
..., d, p = |
0 , 1 , |
|
..., |
г,— постоянные, такие, |
что |
|||||||
Lpj — 0 |
для i > j, то решение задается равенством |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
Xd (t) = Мл(t)-’ ( я* + |
j |
|
(s) о dry' (s)] |
|
|
Ti"(t)= 2 4 s p(t) + 4 t
224 |
|
ГП. IV. СТОХАСТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X* (0 |
= М 1(*)"' |
|
+ |
fЛ/5(s) о dp* (.9)j |
|
|
|
щ (t) = |
S |
f x ; (.9) |
» d|j (.9) -h S |
4 ^ ’ ( t ) |
+ rji, i |
= d - 1 , |
d - |
2 , . . . , 1. |
|
|
H ^ l J |
? —1 |
|
|
|
|
|
||
Здесь |
4(f)= 2 K iB'' (0 + K it |
u |
M l(t) =exp ( - ||(t)), |
i, 7 = |
|||||
= 1. 2, |
. . |
j,=-i |
|
|
|
|
L\ •• |
Рг), |
порож- |
с/. ]> этом случае алгебра Ли S(L0, |
|||||||||
|
|
|
|
cf |
<1 |
|
|
|
|
денная векторными нолями L,, = |
\ |
^ХКг** + |
4 ) “ Т |
» Р = |
0, 1, ••• |
||||
|
|
|
|
i- л |
; - i |
|
^ |
|
|
..., d, разрешима. Общин результат о предстаклешш решении в по
добном случае получен Кунитон 1100].
П р и м е р 8.2. Пусть а, с, d — действительные постоянные и а > 0. Рассмотрим следующее одномерное стохастическое диффе ренциальное уравнение:
|
dX(t) = |
(2oX(f) |
V 0) l/2dH{t) + |
(cX(tj + d)dt. |
|
(8.8) |
|||||||||
Так |
как кооффициепты а(х) — (2«xVU)1/2 и |
Ь(х) = cx + d удов |
|||||||||||||
летворяют условию теоремы 3.2, а также условию роста |
(2.18), |
то |
|||||||||||||
существует |
глобальное |
сильное решение |
X(t) |
с |
заданным |
началь |
|||||||||
ным значением Х(0) и оно |
единственно. |
Если |
d 3* 0 |
и |
Х(0) 3*0 |
||||||||||
п. н., то X(t) > 0 |
для |
всех |
£ 3* 0 н. |
и. |
Действительно, |
в |
случае |
||||||||
d == 0 ясно, |
что X(t) = |
0 н. |
н., если только Х(0) |
= 0 п. н. |
(в силу |
||||||||||
единственности |
решения). |
Положив |
о = |
inf{/; |
Х(£)= |
0}, |
|
мы |
ви |
||||||
дим, |
что X(t) |
= X(t + о) — решение |
уравнения |
(8.8) |
с |
X (0) = 0 |
|||||||||
па |
пространстве |
(Q = (о>; |
о ((о }< со }, ‘д~ = |
@~ |~, р = |
Р(» |Q)) |
и, |
|||||||||
следовательно, |
X (t) = |
0 п. н. на Q. |
Отсюда |
следует, |
что |
|
X(f) == |
||||||||
s=X(tf\o) |
и. |
н. и, следовательно, |
Х(<) |
3* 0 |
и. |
и., |
если |
только |
Х(0)3*0 п. и. |
В |
случае d > 0 |
положим |
o -P= inf{/; X(t) = —е), |
|||||||
где г > 0 — такое, что —се + d > |
0. Предположим, что Р(а~с < |
°°)> |
|||||||||
> 0. Тогда с вероятностью единица, |
если |
выберем |
любое |
г < |
о_е |
||||||
такое, что X(t) |
< 0 при t е |
(г, |
о_е), |
то |
будем |
иметь |
dX(t) |
= |
|||
— (cX(t)+ d)dt |
на |
интервале |
(г, |
о_Е), |
н. |
следовательно, |
t |
X (t) |
|||
.возрастает на этом |
интервале. |
Ясно, |
что это невозможно. |
|
|
|
Таким образом, решение уравнения (8.8) определяет консерва
тивный диффузионный процесс {PJ |
на [0, °°) |
в случае d > 0. Этот |
|
процесс является /.-диффузионным |
процессом, |
где |
L — следующий |
оператор: |
|
|
|
Li (.г) = ах ~ / (*) + |
(сх + d ) ~ f (л), |
(8.9) |
действующий на Сл (10, со)).
§ 8. ПРИМЕРЫ |
225 |
Теперь докажем следующую формулу: |
|
Ех(е-к«») = |
\^г(ес1- |
1) + |
1 Г /аох'Р }-----ж |
|
-------- 1. |
(8.10) |
|||||||||||||||
|
|
|
L |
|
|
|
|
J |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
I |
|
|
(Если с = 0, мы подразумеваем, что— (ect — 1) = |
t.) |
|
Действитель |
||||||||||||||||||
но, согласно формуле Ито имеем по мере Рк, что |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
|
|
|
|
|
u(t, w(t)) — и (0 , х) = |
мартингал + |
о |
+ f->л<| (s, w (s)) ds |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для каждой функции *) u(t, х) е |
CJ’2 ([0, оо)х[0, сю)). Отмечая, что |
||||||||||||||||||||
функция v(f, х) |
в |
правой |
сторопе |
формулы |
(8 |
.1 0 ) |
|
удовлетворяет |
|||||||||||||
равенствам |
— Lv |
и |
v (0 +, |
х) = |
е-Ь:, мы полагаем |
u(f, |
ж) = |
||||||||||||||
= v(f0 — f, х) |
для |
фиксированного |
U и применяем |
|
формулу Ито |
||||||||||||||||
к u(t, х). Тогда |
v(ta — t, |
117(f)) |
|
— v(f0, |
х) |
— Р*-мартингал |
и, |
следо |
|||||||||||||
вательно, |
Ex[v(t0 — t, |
|
H7 (f))J = |
v (f0, |
х ). |
Веря |
t = |
f0, |
получаем |
||||||||||||
7 ? ,(^ >K('.)) = |
v(f0 ,x). |
inf {t- |
w(t) |
= |
0). Тогда |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Пусть х > |
0 и Оо = |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
Рх{Оц < °°) |
> |
0 |
, если |
0 |
«£ d < |
а, |
|
|
|
(8 .1 1 ) |
|||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
1 |
, |
если |
0 ^ d < а и |
с < 0 |
, |
|
|||||
|
|
|
■Р*(о0-= °°) = |
|
, |
если |
d > a . |
|
|
|
|
(8 .1 2 ) |
|||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||||||||||
Для доказательства равенств |
(8.11) |
и |
(8.12) |
положим |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
I |
у |
|
cz -\-d |
|
|
|
|
|
х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
[‘ |
|
|
|
|
|
|
|
охр |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
v |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нетрудно видеть, что s(0 + ) = |
— о о тогда |
и только тогда, когда |
|||||||||||||||||||
d>a,vi s(о о ) |
= |
о о |
тогда |
и |
только |
тогда, когда с |
d < а. |
или< |
с =0 0 |
||||||||||||
н d ^ a . |
Заметим |
также, |
что |
А:(0 + ) < |
°°, |
если |
Поэтому |
||||||||||||||
требуемые утверждения следуют из теорем YI-3.1 и V1-3.2. Заме |
|||||||||||||||||||||
тим |
также, что |
граничная |
точка |
х = 0 |
является |
|
регулярной **) |
||||||||||||||
*) |
Из |
c j >2([0, оо)х[0, ос)) э |
и (t, х) |
следует, что |
все производные функ |
ции и до первого порядка но I н до второго порядка по х непрерывны и ог раничены.
**) Ито, Маккии [77]^
15 с. Ватанабэ, Н. Икуда
226 |
ГЛ. IV. СТОХАСТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ |
и отражающей, если 0 < d < а, и является точкой выхода и погло щающей, если d = 0. Если d 3* а, то граничная точка является точ кой входа, н нетрудно заключить, что
|
|
|
P0(w(t) |
> |
0 для всех t > 0) = |
1. |
|
|
(8.13) |
|||||
> |
/Действительно, |
устремив |
в |
(8.10) К t °°, |
будем |
иметь P0(w(t) > |
||||||||
0) = |
1 для |
всякого |
t > |
0. |
Комбинируя |
это |
с |
соотношением |
||||||
(8 |
.1 2 ), |
видим, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P0(w(t + s )> 0 для всех s > |
0 )= 1 для всякого t > 0. |
|
||||||||||
Так как t произвольно, то отсюда |
следует |
справедливость |
соотно |
|||||||||||
шения |
(8.13). |
8.3. |
|
|
|
|
|
|
|
Для |
а > 0 |
пусть |
||
|
П р и м е р |
(Кесселевские |
диффузии.) |
|||||||||||
La— дифференциальный |
оператор |
на [0 , <»), определенный |
равен |
|||||||||||
ством |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
/(*) |
+ |
|
|
|
|
(8.14) |
с областью определения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
St) (La) = 1 /е Сь([0, о о )): |
для некоторых |
постоянных 0 < |
я, < аг, |
||||||||||
|
|
|
/ ( * ) = / ( 0 |
), |
если |
х е [ 0 , а,], |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
/(z ) = |
0 |
, |
|
если |
х е [а2, |
°°)}. |
|
|
|
|
Существует единственный диффузионный процесс, порожденный оператором La, который называется бесселевским диффузионным процессом с индексом а. Бесселевские диффузионные процессы яв ляются, по существу, частным случаем диффузий, рассмотренных в предыдущем примере. Пусть
|
Laf{x) = |
2 xj-J (x) |
|
|
|
(8.16) |
|
и SO (La) — пространство, |
определенное равенством |
(8.15). |
Дей |
||||
Тогда существует единственная |
Г а-диффузия |
{P*}*s(0 . |
|||||
ствительно, диффузия из примера 8 . 2 |
в случае а = 2 , с = 6 |
и d = а, |
|||||
очевидно, является Г а-диффузией. Обратно, |
аналогично доказатель |
||||||
ству теоремы 6 . 1 |
можно доказать, что если |
l- ^ 0 0 )«=[«,°°> — Ъа - диф |
|||||
фузия, то 1X(t, |
w) =w(l)) — решение уравнения |
(8 .8 ) для а = |
2, |
||||
с = 0 и d = а с X (0) = х. Из единственности решения уравнения (8 .8 |
) |
можно заключить, что //«-диффузия единственна. Легко видеть, что
|
(Г а/) (X2 = |
(Lai) (*), / |
(8.17) |
|
где |
f(x) — j(1x). |
Теперь |
можем заключить, |
что La-диффузия |
\Ка))х£[о,») единетвеппа и |
Р . — мера-образ па |
W ([0 , «>)) меры |
||
Р'$ |
при отображении |
|
([0,о))3 |
|
|
W([0, |
о)) |
|
|
|
|
|
§ 8. ПРИМКРЫ |
|
227 |
|
где траектория Уw определяется равенством Уw(t) = l'w;(f). То |
есть |
||||||
босселбвская |
диффузия |
Ха (t) |
с индексом а, выходящая из |
точ |
|||
ки х, получается |
как |
|
(t) = |
V Y t (О, |
где Уа — сднаствепиое |
||
решение уравнения |
|
|
|
|
|
||
|
dY(t) = |
2(Y(t)\J0y/2dB(t) + adt, |
(8.18) |
||||
|
Y ( 0) = |
«*. |
|
|
|||
|
|
|
|
||||
Согласно |
(8.10) |
видим, что |
|
|
|
||
Ew (e- x w ) |
|
= (2 и + l) - e/2exp |
( “ 2 lT T l) • |
(8.19) |
|||
Обращая преобразование Лапласа, находим, что |
|
||||||
|
|
|
|
|
оо |
|
|
|
Е |
(/ (u> (*))) = |
J pia) (t, x, |
у) f (у) dy, |
|
||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
X ,, ) - |
|
|
|
|
<8 -20> |
|
|
|
|
( |
х у п |
|
|
|
и Jv (х) = |
2 |
~!Г (v + » + 1 )~ — модифицированная функция Бес |
селя.
Используя уравнение (8.18), можно доказать интересное свой ство семейства бесселевских диффузий. Пусть 7?, и Вг — два неза висимых броуновских движепия, ai и а2 — положительные посто янные. Рассмотрим уравнения
|
( dYx (t) = |
2(YX(t)\/0) , / 2 |
dBv (t) + |
ctjA, |
||||
и |
l |
> r i |
( 0 |
) |
= |
г/ |
i ^ |
[ 0 , o o ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dYt (t) = |
2(У, (f) V 0) 1 / 2 |
d/ ? 2 |
(г) + |
o,d f, |
|||
|
|
У а (0) = |
р2 е = [0 , |
oo). |
|
|
|
|
Положим*) |
y,(f) |
= y\(f) + |
У2(<) |
и |
|
|
|
|
(0- jj |
/ " |
VГ2W(«У dBl W+ I}XF j |
(»)-VУ 2(.) |
*) Мы знаем (как следствие (8.10)), что P(Yi(i) > 0) = 1 для всякого
t > 0.
15*
228 |
|
|
ГЛ. IV. СТОХАСТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ |
|
|||
Тогда B3(t) — броуновское движение согласно теореме II-G.1 и |
|||||||
|
|
dY3 (t) = |
2 (У3 |
(t) V 0)1/гdB3(t) + (ах + |
a2) dt, |
||
|
|
Уз (0) = |
1/1 + |
У2- |
|
||
Таким образом, |
УI 'У2 |
— распределение процесса |
Г3. Следователь- |
||||
но, |
если |
Х“ (() |
п Xl]( t ) — взаимно независимые бесселевские диф |
||||
фузии с |
индексами а |
и |
р соответственно, то >' |Х“ (£) | 2 + IX1’ ^ ) ! 2— |
||||
бесселевская диффузия |
с индексом а + р. В частности, если а — d, |
||||||
d = |
1, 2,..., то Xa(t) |
можно отождествлять с радиальным процессом |
d-мерпого броуновского движения. См. [77], [181], [12] по поводу дополнительной информации относительно бесселевских процессов.
П р и м е р 8.4. (Броуновские экскурсии*).) Пусть Т > 0 фикси ровано. Рассмотрим следующее стохастическое дифференциальное уравнение:
dX (t) = 2 (X (t) V0) , / 2 dB (t) + (з — |
1 4 |
dt, |
v |
(8.21) |
|
X (0) = 0. |
|
|
Это уравнение того же тина, что и уравнение (8.18). Следовательно, можно показать **), что существует единственное решение X(f) для
( б [ 0 , f ) |
и |
|
|
|
|
|
|
P(X(t) > о для всех |
t е= (0 |
, Т)) |
= 1 . |
(8 .2 2 ) |
|
Кроме того, Х(<) определяет неоднородный во |
времени марковский |
|||||
процесс. Точнее, для 0 < |
s < Т п х е |
[0 , оо) пусть W, * — совокуп |
||||
ность всех непрерывных |
траекторий |
w: |
[s, Т) => t >-►w(t) е [0, сю) |
|||
таких, что w(s) = х и w(t) > 0 для всех t е (s5 |
Т), ^ ( W |
t K) — о-но- |
||||
ле на W 5 |
tt, порожденное борелевскими цилиндрическими множест |
|||||
вами, a |
(W ,.,), s < t < |
Т,— под-о-поле, |
порожденное |
борелевски |
ми цилиндрическими множествами, зависящими только от интервала
[s, *]. Пусть 1\ о — вероятностпый законна (W 0,0, ^(W o. ,,)) |
реше |
|
ния Х(£) уравнения |
(8 .2 1 ) и, вообще, Pt<* — вероятностный |
закон |
на (W ,iX, * (W ,.,)) |
единственного решения {X (f)),c(s r) уравнения |
|dX ( 0 = 2 (X(*)V0),/2 dB (t) + (з- |
dt, |
I X(s) = |
(8.23) |
|
*) См.Г77].
**) Чтобы строго доказать (8.22), нужно применить теорему сравнения (теорема VI-1.1) к уравпению (8.8) с а = 2, с = 0, 2 < d < 3 н Х(0) = 0 и к уравнению (8.21).
§ 8. ПРИМЕРЫ |
229 |
Марковское свойство меры Р0, о формулируется теперь следующим образом *):
для 0 < s < t и / е 5 ([0 , |
°°)) |
|
|
|
h,o[f('»(t) ) W ' ( w °,°)] = Es,.<s)[f(w'(l))] |
для |
Рсо,о-и. в. w. (8.24) |
||
Вообще, для 0 =s=u<s<£ , |
ЛГЕ [О, со) и |
/ е в ( [ 0 |
, <*>)) |
|
Eu,x[l{w(t))\$is(WU'X ] = |
ES'W(s)[l{w'(t))\ |
для |
Ри,х -п. в. w. |
|
|
|
|
|
(8.25) |
Доказательство можно провести так же, как и в § 5, с использова нием единственности решения уравпепия (8.23) для всяких s а х .
Пусть Р,,х — мера-образ па (W 3 |
х, J?(WSх) ) меры Р$ хъ при ото |
бражении Ws i 2 3 w i - » / r o s W ,U 1 |
где траектория Ун; определяется, |
конечно, равенством У w(t) = У w(t). Тогда очевидно, что марковское свойство (8.25) справедливо и для {Psre}.
Положим
^('’*’ "> - =йя(гар (- т г 1)- мр(- Чг1))- |
<8'20> |
||||||||||
|
|
< > О, |
х, у е = . [ 0 , о о ) , |
|
|
|
|||||
к |
(<> *) = |
j^ /'^ 3 a:exp |
|
|
t > 0 , |
are (0, оо), |
(8.27) |
||||
|
K ( T - t , у) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К (Т — s, х) р° (t — s, х, у), |
|
|
|
|
||||||
|
|
если |
0 |
^ |
s < t < |
Т, х, у е |
(0 , сю), |
(8.28) |
|||
P ( s , х ; t , у ) = |
|
n ( T - s ) |
к |
(Т — t, |
у) К (t — S, у), |
|
|||||
|
|
|
|
||||||||
|
V '- |
2 |
|
|
|||||||
|
0 ^ . s < i t < T , |
аг = 0 |
и |
у > 0 . |
|
||||||
|
|
если |
|
||||||||
Мы покажем, что для х > 0 и s > О |
|
|
|
|
|
||||||
Ps.xiw; w(tt)<^dx,, w{t2 <^dxu ..., |
w(tn)<= dxn = |
|
|
|
|||||||
= p(s, ar; |
tu xt)p(ti, xp, |
t2, x2 |
... p(tn-,, |
ar„_,; |
tn, x„)dxtdx2. . . dxa |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(8.29) |
для всяких s < li < |
t2< . . . < |
f„ < |
T. Достаточно доказать, что |
||||||||
|
E*,x 1 / (w («))] = |
J |
|
p (s, x ;t ,y )f (y) dy, |
|
|
|||||
|
|
|
|
[0.°° ) |
|
|
|
|
|
||
|
0 ^ |
s < t, x e |
[0, oo), |
./ e В ([0, oo)), |
|
(8.30) |
*) B([0, oo)) — совокупность всех ограниченных борелевскнх функций па [О, оо).
230 |
ГЛ. IV. СТОХАСТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ |
поскольку (8.29) получается из (8.30) последовательным примене нием марковского свойства (8.25) для {PS,J. Положим для 0 ^ s <
< t < T
u(s, х; £) = J p(s, x; £, y)/(£, y)dy, a
где /(£, у) — ограниченная гладкая функция. Тогда можно непо средственной подстановкой проверить, что u(s, х; £) удовлетворяет уравиепию
Пт и (s,х; £) = /(£, у). |
|
|
|
s e?.(0,£), |
X e= (0, 00), |
(8-31) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
s1t,x->V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если положим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
и (s, х; |
0 = |
Ц Р (s. У |
t> у) / (*> У*) <*У, |
|
|
|||||||
то и (s, х; |
£) удовлетворяет уравнению |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
ди |
|
|
.x |
+ |
(з |
- j ^ |
- s) |
|
U (s, x; £), |
|
||
|
|
ds (», х; £) = {2 |
|
(8.32) |
||||||||||
|
|
lim |
u (s, x ; |
t) = |
/(£, |
y). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
st t , x ~ * y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Согласно |
(8.32) |
и формуле |
Ито |
видим, |
что |
для |
каждого |
х < Т |
||||||
[s, т) э |
£ >-►и (£, X (£); т) является мартипгалом, |
если |
тол!>ко X(t) — |
|||||||||||
решение |
уравнения |
(8.23). |
Следовательно, |
E(u(t, X(t); |
т)) = |
|||||||||
= м (.v, х; |
т) для всякого £ е [s, т). Устремив |
£ t т, |
получаем |
|
||||||||||
|
|
Е[Нт, Х (т ) )] = £»,х[/(т, |
W; ( T ) ) |
] = |
H |
( S , |
х ; |
т ) . |
|
|||||
Поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оо |
|
|
|
|
|
Es,x [/ (Т, ю(т))] = Е$ х2 [/ (т ,/ш (т))] = j Р(.9, х; т, у)/ (т, у)dy |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
и соотношение |
(8.30) |
доказано. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Из (8.29) непосредственно следует, что |
|
|
|
|
|
|||||||||
Р 0 ,0 (н>; |
н;(£,) е=dx„ и;(£2) е=dx2, .. ., |
М7(£„) е=dx„} = |
|
е dx„} |
||||||||||
= |
Ро, о(ш; w(T —£,) е |
dx„ |
w(T — £2) е |
б/х2, |
. . |
w(T —tK |
для всяких 0 < £ , < £ 2 < . . . < £ „ < Г. Этим показано, что мера Р0, о ипвариантпа относительно обращения времени w*-+w, где w онреде-