
- •Глава 6 Стохастические интегралы. Стохастические уравнения.
- •§1 Винеровский процесс и его свойства.
- •Это утверждение следует из того, что и усиленного закона больших чисел.
- •Доказательство. Пусть . Очевидно, что (докажите это неравенство самостоятельно). Заметим, что Поэтому (5)
- •Траектории винеровского процесса удовлетворяют условию Гёльдера
- •§2 Стохастические интегралы по винеровскому процессу.
- •Замечание. Неупреждающие функции часто называют функциями, не зависящими от будущего.
- •Лемма 8. Пусть функция . Тогда найдется последовательность простых функций таких, что при . Доказательство. Сначала сделаем несколько замечаний.
- •§5. Существование и единственность сильных решений стохастических уравнений.
- •§6. Оценки моментов решений стохастических уравнений. Непрерывность траекторий решений стохастических уравнений.
- •§7. Диффузионные процессы и стохастические уравнения.
- •§8. Уравнения Колмогорова.
Замечание. Неупреждающие функции часто называют функциями, не зависящими от будущего.
2.3.
Определение.
Функция
называется простой,
если для конечного разбиения
отрезка [0,T]
существуют
случайные
величины
,
где
-измерима, а
-измерима,
,
такие, что
где
Для
простых функций
стохастический интеграл
определяем равенством
и,
так как
,
то
P-
п. н.
Для
стохастического интеграла от простой
функции
будем
использовать также обозначение
.
Очевидно, что
,
где
Отметим, теперь основные свойства стохастических интегралов от простых функций:
-
P- п. н..
-
P- п. н. при
-
- P- п. н. непрерывная по t функция,
-
P- п. н.,
-
P- п. н., где
простые функции.
Действительно,
так как
,
то имеем
(9)
Рассмотрим первую сумму правой части равенства (9), в силу свойства K* условного математического ожидания (смотри §12 главы 1) и свойства iii) винеровского процесса, имеем
.
Поэтому, имеем
(10)
Рассмотрим
вторую сумму правой части (9). Воспользуемся
опять свойством K*
условного математического ожидания и
свойствами винеровского процесса, имеем
учитывая, что
Здесь
мы учли тот факт,
является
мартингалом относительно меры Р.
Значит
. (11)
Таким образом утверждение следует из равенств (9) – (11)
-
Если
для всех
, то P-п.н.
для любого
.
-
Процесс
- прогрессивно измерим. Это утверждение следует из теоремы 1 главы 3 и, в частности,
-измерим при каждом
.
-
.
Действительно, из определения стохастического интеграла от простой функции имеем:
Заметим,
что для любого j
в силу
-измеримости
,
имеем
Отсюда следует утверждение.
2.4.
Определим стохастический интеграл для
функции из класса
.
Лемма 8. Пусть функция . Тогда найдется последовательность простых функций таких, что при . Доказательство. Сначала сделаем несколько замечаний.
1)
Без ограничения общности можно считать
функцию
ограниченной, т.е.
P-
п. н. для
.
В противном случае можно перейти от
к функциям
,
где
и
использовать тот факт, что
при
.
2)
Пусть
.
Если
,
то сразу можно считать, что функция
-
финитна по t.
3)
Если функция
- непрерывна по t
P-
п. н. почти наверно, то последовательность
простых функций строится просто,
например, можно положить
при
.
Тогда доказательство леммы следует из
теоремы Лебега о мажорируемой сходимости.
4)
Если функция
-
прогрессивно измерима, то последовательность
аппроксимирующих функций можно построить
следующим образом. Пусть
-
интеграл Лебега. В силу прогрессивной
измеримости
процесс
,
измерим и при каждом t
случайные величины
- измеримы. Положим
.
Случайный
процесс
,
измерим, является неупреждающим и имеет
P-
п. н. непрерывные траектории. Поэтому,
согласно пункту 3), сделанных выше
замечаний, существует последовательность
неупреждающих ступенчатых функций
,
такая, что
при
.
Заметим, что P-
п. н. для почти всех
существует производная
,
причем в тех точках, где
существует P-
п. н.
Поэтому для почти всех
(по мере
)
по теореме Лебега о мажорируемой
сходимости, имеем
при
.
5)
Докажем теперь лемму в общем случае.
Доопределим функцию
для отрицательных
,
полагая
при
.
Пусть
-ограничена
и финитна. Положим
.
Заметим, что функция
является при каждом фиксированном
простой. Лемма будет доказана, если
показать, что можно выбрать точку
таким образом, что будет выполнено
при
.
Для
этого воспользуемся следующим замечанием:
если
,
-измеримая, ограниченная функция, то
.
Действительно, согласно пункту 4), для
всякого
найдется почти всюду такая непрерывная
функция
,
что
(12).
Тогда в силу неравенства Минковского, имеем
.
Отсюда
в силу произвольности
,
следует (12). Из (12) вытекает также, что
для
и, в частности,
,
Из
последнего равенства следует, что
существует такая подпоследовательность
чисел
,
что для почти всех
(по мере
)
Отсюда,
переходя к новым переменным
,
получим, что для почти всех
(по мере
)
при
и, значит, найдется такая точка
,
что
Доказательство закончено.
2.3.1.
Замечание.
Доказательство леммы 8, приведенное
выше, имеет ту ценность, что указывает
способ построения простых функций
непосредственно по
.
2.4.
Итак, пусть
.
Тогда, в силу леммы 8, существует
последовательность такая, что
.
Следовательно,
.
Таким
образом, последовательность
фундаментальна в смысле сходимости в
среднеквадратическом, т. е.
.
Значение этого предела, как нетрудно
увидеть, не зависит от выбора
аппроксимирующей последовательности.
Следовательно, определение стохастического
интеграла корректно.
2.5.
Свойства стохастических интегралов.
Пусть
.
1)
,
где
2)
Р - п. н.,
где
,
3)
Р - п. н.
при
.
4)
-непрерывная
функция t
Р - п. н..
5)
Р - п. н.
при
.
6)
.
7)
Если
для всех
и
,
то
Р -п. н.
для
;
8)
Процесс
- прогрессивно измерим и, в частности,
- измерим при каждом
.
9)
Процесс
- квадратично интегрируемый мартингал
с непрерывными траекториями.
2.6. Для
построения стохастических интегралов
для неупреждающих функций из класса
нам
понадобятся 2 вспомогательные леммы.
2.6.1.
Лемма 9.
1) Пусть
.Тогда найдётся последовательность
простых функций
такая, что
по вероятности
.
(13).
2)
Cуществует
последовательность простых функций
,
где
для
,
для которых (13) выполнено как в смысле
сходимости по вероятности, так и с
вероятностью единица.
Доказательство этой леммы основано на использовании леммы 8, неравенства Чебышёва и леммы Бореля-Кантелли. Из-за громоздкости доказательства его не приводим.
2.6.2.
Лемма 10.
Пусть
и событие
.
Тогда
,
в частности
.
Доказательство.
Пусть
,
где
,
.
Используя свойство 6) стохастических интегралов, имеем
.
В соответствии со свойствами стохастических интегралов справедливо включение
.
Поэтому для T, имеем
.
Воспользуемся неравенством Колмогорова (теорема 8 главы 3)
,
в силу которого имеем
Доказательство закончено.
2.6.3.
Замечание.
Утверждения лемм 8, 9, 10 остаются
справедливыми, если в их формулировках
момент Т заменить на марковский момент
,
потребовав при этом, чтобы в них
,
соответственно.
2.7.
С помощью лемм 9 и 10 легко сконструировать
стохастический интеграл для неупреждающей
функции из класса
.
Пусть
,
аппроксимирующие функцию
в смысле леммы 9. Тогда очевидно, что
для любого
Согласно
лемме 10 для любых
и
Поэтому
в силу произвольности
получаем
.
Таким
образом, последовательность случайных
величин
сходится по вероятности к некоторой
случайной величине, которую мы обозначим
через
и назовём стохастическим
интегралом
от функции
по
винеровскому процессу
.
В
заключение заметим, легко показать, что
значение
с точностью до множеств нулевой меры Р
не зависит от выбора аппроксимирующей
последовательности.