книги / Стохастические дифференциальные уравнения и диффузионные процессы
..pdf§ 3. ОДНОМЕРНЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ |
351 |
|
§ 3. Некоторые результаты относительно одномерных диффузионных процессов*)
Пусть / = (/, г) — открытый промежуток в R1(—°° < I < г < °°). Пусть а(х) и Ъ(х) — достаточно гладкие, вещественнозначные функ ции**) на I такие, что о2(л:)>0 для всех х^1 . Для х ^ 1 стохасти ческое дифференциальное уравнение
dX (t) = о (X (t)) dB (t) + b (X (t)) dt, |
|
|
|
|||
X ( 0 ) ~ * |
|
|
|
|
|
<з л > |
имеет единственное решепие |
Xх(t) до |
момента взрыва |
е = |
Птт,|, |
||
где т„ = inf {t : X *(f)e [я„, Ь„]) |
(я„ и Ъп |
(п = |
1, 2, ...) |
|
|
П Too |
выбраны таким |
||||||
образом, что К а п< Ь „ < г и я„1/ и 6„tr). |
Аналогично |
тому, |
как и |
|||
в доказательстве леммы IV—2.1, можно |
показать, |
что |
Jim Xх (t) |
|
|
|
|
|
|
tie |
|
существует н равняется I или г н. и. па множестве {е < °°). Опреде |
|||||||
лим Х*(<) равным этому |
пределу для t > e |
на множестве |
(е < °°}. |
||||
Пусть |
Wj — множество всех |
непрерывных |
траекторий w : [0, «>)-»- |
||||
-*]/, |
г] таких, что и ?(0 )е / и w(t)— w(e(w)) для всех t > e ( w ) ^ |
||||||
S3 inf \t: w(t) — l или |
w(t) = r). e(w) называется моментом взрыва |
||||||
траектории w. Тогда |
Xх — {Xх(t) } определяет W j-значный |
случай |
|||||
ный элемент с е[Хх] = е. |
Пусть Рх— вероятностный |
закон |
на Wj |
||||
случайного элемента |
Xх. |
Как |
мы видели |
в гл. IV, |
Рх определяет |
диффузионный процесс на W,, называемый минимальной L-диффу зией, где дифференциальный оператор L определяется равенством
|
|
|
' — |
т ' Ч * » ; ? - 1- *<*>■£■ |
|
|
<3-2> |
||
Пусть с I |
фиксировано и |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.3) |
Функция s(x) |
является строго возрастающей гладкой функцией на |
||||||||
/, удовлетворяющей равенству |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Ls(;r)s=0 |
на |
I. |
|
|
(3.4) |
Т е о р е м а |
3.1. |
(1) Если s (!+ ) = —оо и s(r—) — °°, |
то |
|
|
||||
|
Рх (е = |
оо) = |
Рх |
X (t) = |
rj = |
Рх jKm X (t) = lj = |
1 |
(3.5) |
|
*) |
См. [77] для более полной информации. |
что |
о и |
b при |
|||||
**) |
В дальнейшем рассмотрении достаточно предполагать, |
надлежат классу С1.
§ 3. ОДНОМЕРНЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ |
353 |
Д о казател ьство |
у тв е р ж д е н и я |
( 3 ) |
ан ал о ги ч н о |
|
и |
по это м у о п у - |
||||||||||||
в кается . |
|
|
г — ф иксировано. П о л о ж и м |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
П у с т ь К |
с < |
|
|
|
|
|
|
(3.10) |
||||||||||
*(z)=2jelp[^— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Л е м м а |
3 .1 . |
Пусть |
и (ж ) — единственное |
решение |
уравнения |
|||||||||||||
|
|
|
Е й (ж ) = |
и (ж ), |
и (с ) = |
1, |
н '( с ) = |
0 . |
|
|
|
(З.И); |
||||||
Тогда |
|
1 |
+ |
к (ж) |
и (ж) |
е х р {к (ж )}, |
ж |
е |
/ . |
|
|
|
(3.12) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Доказательство. |
Фупкция |
и(ж) |
есть решение |
уравнения |
|
|
|
|
|||||||||
(3.11) |
тогдаитолько |
тогда, |
когда |
|
|
и (ж)= |
1+ |
|
X |
|
|
у |
|
|||||
|
|
|
{ ds(y) j u(z)dm(z), |
|||||||||||||||
где |
ds (у) = exp |
—f |
|
|
dy п dm(z) =2 exp |
С |
|
|
С |
|
||||||||
|
dz |
f |
|
(»]) |
dr\ |
- ± — dz. |
||||||||||||
|
|
|
L |
|
{ |
a |
(z) J |
|
|
|
|
|
L% ° |
J o' 00 |
||||
Следовательно |
|
|
|
00 |
и&(ж) с и0(ж )^1 |
и |
и„(ж) = |
% |
|
Ц |
|
|||||||
и(ж)= 2 |
|ds (у) 1M„_ J(Z)X |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
л=о |
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
cJ |
|
|
xdm(z). |
Очевидно |
un(x)> 0 |
и |
и,(ж )=Е(ж). |
|
Поэтому |
п(ж )> |
^1 + Ui{x) — 1 + к(х). С другой стороны, если предположить, что (z)</c(z)7/i!, то
х |
у |
|
|
|
х |
|
у |
|
ип и (ж) = j ds (у) j |
ип (z) dm (z) < |
^ j- J ds (y) j к (z)n dm (z),К |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
- г j |
* (у)* (s/)n J |
|
( z) = 7 Г J ft№)n d iftШ = |
|
|||
Следовательно, и (ж) = 2 |
“ n И |
< |
2 |
* "f~ |
= 0XP {& (я)}. |
|
||
З а м е ч а н и е |
«=0 |
|
«=0 |
|
|
|
||
3.1. Очевидно, что |
|
|
|
|||||
(1) |
|
|
k(r—) < |
o° =*- s ( r — ) < 00 |
|
|||
( I I ) |
|
|
f t ( Z + ) < |
o o = ► s ( H |
- ) > — o o . |
|
||
Т е о р е м а |
3.2. |
(1) .Если k(r~) = k( l+)= °°, ro |
|
|||||
|
|
P*(c = |
o°) = 1 |
для всех |
ж е / . |
(3.13) |
||
(2) Если k(r—) < °° или k(l+)< |
TO |
|
|
|||||
|
|
Px(e<°°)> 0 |
для |
всех |
ж е / . |
(3.14) |
||
23 с. Ватанабэ, Н. Нкэда |
|
|
|
|
|
|
354 |
ГЛ. VI. ТЕОРЕМЫ СРАВНЕНИЯ И АППРОКСИМАЦИИ |
(3)Равенство
Рх(1< °°) = 1 для всех х<=1
имеет место тогда и только тогда, когда имеет место один из сле дующих случаев:
(I) k(r—)< °° и к(1+)<°°.
(II)k(r—) < ° ° u s ( l + ) = —°°.
(III)к(1+)<°о и s(r—) — °°.
До к а з а т е л ь с т в о . Пусть и(х) определяетсяравепством (3.11).
Пусть К |
а < х <Ъ < г и т = |
inf { t : X(t) Ф (а, b) }. Согласно формуле |
||||||||
Ито, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
de-tu(X(l)) = e-lu'(X(t))e(X(t))dB(t) + e-*(-u(X(t)) + |
|
|
|
|||||||
|
|
+ (Lu) (X(t) ))dt = е~*и' (X(t))o (X(t)) dB(t) |
||||||||
и поэтому |
e~li\xu {X {t/\т )— мартингал. |
Устремляя |
all |
и |
btг, |
не- |
||||
медлеппо |
убеждаемся, что |
ехр(— tf\e)u(X(tДе)) |
— неотрицатель |
|||||||
ный супермартингал. Если |
к (г—) = к (1+) = °°, то |
по |
лемме |
3.1 |
||||||
lim и (я) = |
Нш и (х) = |
оо. Следовательно, |
неравенство Рх(е < °°) > О |
|||||||
Х \ 1 |
5С|Г |
как |
неотрицательный |
супермартипгал |
t |
|||||
невозможно, так |
||||||||||
exp (— (t /\е))и(Х (t/\e)) |
— ограничен |
п. н. |
Тем |
самым |
(1) |
до |
казало.
Далее, предположим, что к(г—) < °°. Без потери общности можно
считать, |
что |
с < х . |
Пусть х =inf{t: X(f) = c). Согласно |
лемме |
3.1, |
|||||
и(г—) < |
оо и> |
следовательно, |
|
|
|
|
|
|
||
ехр(— t/\x')u(X(t Д т'))— ограниченный Р^-мартингал (3.15) |
||||||||||
Поэтому |
и(х)= Ех [ехр{— t/\x')u{X(t/\х'))]. |
|
(3.16) |
|||||||
|
|
|
|
|||||||
Устремляя ttoo в (3.16), получаем, что |
|
|
|
|
||||||
и(х) = |
2?хГехр (— е) и (г —); lim |
X(f) «=r] + |
|
|
|
|||||
|
|
L |
|
(ТеДт' |
|
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ /?жГехр(— т')н(с); |
lim |
X(t) = |
c]. |
||
|
|
|
|
|
|
L |
|
tteAX' |
|
J |
Если |
£,хГехр(—e): |
lim X(i) = |
rl = |
0, TO |
|
|
|
|||
|
|
L |
|
ПеДт' |
J |
lim |
X (t) = с] ^ |
и (c). |
|
|
|
|
u(x) — u(c) Ex\exp (— x’y, |
|
|
||||||
|
|
|
|
L |
ПеДт' |
J |
|
|
|
Это, очевидно, является противоречием. Следовательно, £\с£ехр(— е);
lim X (t) = |
г] >■ 0, откуда следует, что Рх(е < °°)> 0. |
|
|
||||||
(ТеДт' |
|
J |
(3). Если |
к(г—)< ° ° |
и |
не выполняется нп |
|||
Докажем, |
наконец, |
||||||||
одно из |
условий (I), |
(II) |
и (III), то должны |
иметь, |
что « (/+ )> |
||||
> —оо |
и |
к(1+)= о°. |
Тогда |
Рх ^HmX (t) = |
Zj > 0. |
Так |
как |
||
exp (— t /\е) и (X (t /\е)) — неотрицательный |
супермартингал |
и |
§ 4. ТЕОРЕМА ДЛЯ ОДНОМЕРНОЙ ПРОЕКЦИИ |
357 |
Каждая из диффузий задается как и в § 3. Таким образом, траек
тории процессов %±±(t) определены для |
всех |
|
и являются |
не |
|||||||
прерывными 7-значными траекториями |
с |
/\ /° |
в качестве |
ловушек. |
|||||||
Пусть |
Х ( — траектория вышеприведенной |
диффузии |
(4.1), |
вы |
|||||||
ходящей |
из |
точки ж0 *= R'!\S. Положим |
£ = |
inf {f; |
Х ( е |
S}. |
|||||
Мы предполагаем |
что, если |
£ < °°, то |
Um р (Xs) |
существует |
в 7. |
||||||
Положим |
p(Xi) = lim p(X s) |
|
|
*тс |
|
|
|
опре- |
|||
для t>%. Таким образом, р (X,) |
|||||||||||
деляется для всех t 3* 0 как /-зпачная непрерывная траектория. |
|
lo 33 |
|||||||||
Т е о р е м а |
4.1 |
([57]). Пусть |
d\S фиксировано |
и |
|
||||||
— р(х0 <^ /°. |
Пусть |
X = (Х () — вышеприведенная |
диффузия, |
начи |
нающаяся в точке х„. Тогда можно построить 1-значные непрерывные случайные процессы Ц/, тр , ip , тр ', тр на одном и том же вероятностном пространстве такие, что выполняются следующие свойства:
(I) |
Распределение |
(тр) |
совпадает |
с |
распределением (p{Xt)), |
||||||||||
(II) |
(ц **) |
имеет то же распределение, что и |
|±:t = |
(£±;t (f)) — |
|||||||||||
процесс, начинающийся в точке |
|
для каждой из четырех комби |
|||||||||||||
наций ± ± . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(III) Если Tjt = max тр, |
тр = |
min тр |
и |
|
х£± = max |
|
,nf± = |
||||||||
= min t]?*, |
- 0 < « t |
|
— |
|
0 <$<t |
|
|
|
|
0 |
|
|
|||
то, с вероятностью единица, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тр |
^ |
гр ^ |
Tlt"^ |
для |
всех |
|
t^ O , |
|
(4.7) |
||||
|
|
Dtf “ < |
Hi < |
ЦГ+ |
|
для всех |
|
t > 0 . |
|
(4.8) |
|||||
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
Для |
простоты |
предположим, |
что |
£ “ 00 |
||||||||||
п. н. и что |
являются консервативными диффузионными про |
||||||||||||||
цессами на /°; общий случай доказывается |
небольшой |
модифика |
|||||||||||||
цией. Положим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
Ф+ (0 = J [я (Х8)/а+ (р (X.))] ds |
|
и |
Ф_ |
(г) |
= |
j |
[fl (X.s)/a- (p (Xs))] ds, |
||||||||
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
Тогда, |
очевидно, cp+ (t) ^ t ^ |
cp~ (t) |
для |
всех |
t 3* 0. Пусть |
\f>+(t) |
|||||||||
и if)~ (/) — обратные |
функции |
к |
|
функциям |
(«■(p+ (i) |
и (ьир~(г), |
|||||||||
соответственно. Положим Х[^ = X (г|з+ (£)) |
и Х[" |
|
|
Как |
|||||||||||
и в гл. IV, § 4, мы видим, что |
|
X (t+) = |
(X j+)1, X (t"r)2, |
. . . , X (,+)d) и |
|||||||||||
X t(~> = |
(X [-)1, Х (Г )г, . . . , X\~)d) удовлетворяют следующим стохасти |
ческим дифференциальным уравнениям с подходящими d-мерными
броуновскими |
движениями |
# <( |) = |
(Z?(t+)1, В\+)23 |
... , В\+^й) с |
^о )==0 и В\ |
) = (В[ }1, В\ >2, |
. . . , В\ |
)d) с Во-) = |
0 соответствен- |
358 |
|
ГЛ. VI. ТЕОРЕМЫ СРАВНЕНИЯ И АППРОКСИМАЦИИ |
|
|
|||||
но: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dX<t+H = |
(а+ (р (Х\+)))/а {Х\+)))«* |
S о{ ( 4 +)) dB\+)h + |
|
(4.9) |
|||||
|
|
|
|
k=i |
|
|
|
|
|
|
+ |
[а+(р(Х|+)))/а(Х<+>)]ь{ (Х ((+)) ^ . |
i = U 2 , . . . |
d |
|||||
у<+) _ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
An |
— О» |
|
|
|
|
|
|
|
|
dX\-)l = |
(а " (p (Х (Г>))/а (Х (Г>))1/2 2 а\(Х<Г>) dS(f |
> 4 |
|
|
|||||
|
|
|
к=I |
|
|
|
|
(4.10) |
|
+ |
[a-(p(X\->))/a(X^)]bi (X<r>)dt, |
i ~ 1,2, |
|
||||||
|
|
||||||||
v(—) _r |
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
— **•ft• |
|
|
|
|
|
|
|
|
Согласно формуле Ито, |
|
|
oj(xi+))%xi+))d^+y+ |
||||||
^ ( ^ +))=(«+(PW +)))/«W+))),/ 22 |
|||||||||
|
|
|
|
i.j=l |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
[«+ (p № |
) ) / |
« W |
« ) ] |
( i p ) ( xi tl,+>) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.11) |
dp (X<->) = (a" (p № >))/a (Х(Г0),/2 2 |
aj(Xi->)^(X<-))dB5-»+ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
d x l |
|
|
|
|
|
+ |
[«" (P (Х (Г>))/а (Х (Г>)] (Lp) (X ^ ) dt, |
||||||
P № |
) = |
|
|
|
|
|
|
(4.12) |
|
Поэтому, если положим |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
2 j (!/«(^^±>)),/2aj (X<±>) ^ (X (±>) di?(±W |
|
||||||
|
|
iii—l Q |
|
|
|
|
|
|
|
TO (B t ) |
И {ВТ) будут одномерными броуновскими движениями и |
||||||||
^Р (^ t+)) — (a+ (р (■^t+)) ) ) 1/ |
+ |
а+ {р |
|
ft {x\+^) dt, |
(4.13) |
||||
p W |
+)) 4 o |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
j dp (X j- ) ) = {a ~ (p (Х (Г ))) ) ,/2 dSr + |
a~ (p ( t f - m ъ / Х (-)ч d. |
|
|||||||
\ р № |
) |
Ч . |
|
|
|
|
|
|
(4-*4> |
|
|
|
§ 4. ТЕОРЕМА ДЛЯ ОДНОМЕРНОЙ ПРОЕКЦИИ |
|
359 |
|||||||||||
Пусть |
= |
р (X (t+)) |
и Т]( = |
р (Х (, |
)). |
Тогда, в силу (4.13) |
и |
(4.14), |
||||||||
|
|
dr\t = |
(а (т!+)),/2 dBt + |
а+ (т)+) Ъ(Х (, ! )) dtx |
|
(4.15) |
||||||||||
|
|
|
Л^ = |
S„ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЙТ]Г = |
(а_ (л Г ))1/2^5Г + а~ (т]Г)Ь ( X ^ d t , |
|
(4.16) |
|||||||||||
|
|
. |
|
= |
So- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
П о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рассмотрим |
следующее стохастическое |
|
дифференциальное |
урав |
||||||||||||
нение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d4t + = |
(a* (r,^+))1/2dBt + |
« + in t+) Ъ+ (т1ён ) dtt |
|
(4-17) |
|||||||||||
|
|
++ |
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Ло |
= |
So- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В теореме 1.1 возьмем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
X 1(f) = |
r]+ |
X 2(t)=r\f+, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
< j ( t , t ) = { a + |
( l ) ) ' /2, |
Ш |
= Ъ ( Х \ + ) ) а + |
( ц Т ) , |
Ш |
= |
Ъ+ { ц Т + ) а + |
( ч Г + ) |
||||||||
|
|
|
|
M *. S )= M * . S) = |
b+ (S )« +(S)- |
|
|
|
|
|||||||
Так как мы предполагали, что а+(% |
|
и |
Ъ*(£) — локально |
липши- |
||||||||||||
цевые функции, то для уравнения |
(4.17) |
выполняется условие по- |
||||||||||||||
траекторной |
единственности |
решений |
и |
поэтому, |
согласно |
теоре |
||||||||||
ме 1.1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r \ t ^ 4 + |
Для всех |
г ^ О п . н. |
|
|
(4.18) |
|||||||
Аналогично, |
если ц/" |
— решение |
стохастического |
дифференциаль |
||||||||||||
ного уравнения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
dvit |
= |
(я+(л* )Y/2dBf + a+ (x\f |
)b |
(т^ )dtx |
|
|
|||||||||
|
Ло ~ = |
S0I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Л^ |
|
для всех |
г ^ О |
п. н. |
|
|
(4.20) |
|||||
Аналогично, |
если [ц* |
— решение |
стохастического |
дифференциалы- |
||||||||||||
ного уравнения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
{ dr\t + = |
(a |
(t]t +) ) 1/2 dBt |
+ |
а |
(л< +) Ъ<г(л( +) |
|
|
||||||||
|
I Ло_+ = |
So> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ТО |
|
|
|
|
|
-- 1- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Л( |
|
для всех |
( ^ 0 |
п, н. |
|
|
(4.22> |
|||||
|
|
|
|
|
Л7 |
|
|