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随机分析 II · Itô积分:适应性、等距与连续过程
前置:布朗运动的构造与路径性质、条件期望与停止时间、鞅收敛与极大不等式。本讲从简单过程出发,完成可预测L²空间中的积分构造,再解释实验里的两类误差。
学习层:增加路径数,能补救过粗的时间网格吗?
取被积过程H=B,只用[0,1]的一段。左端值B₀=0,所以每条样本的左端和都是0;无论生成多少条路径,它们的平方平均仍为0。可是连续积分的二阶矩是1/2。
这里没有违反Itô等距。这个一步简单过程的能量也恰为0,等距在有限模型内完全正确。问题在于我们还没有让简单过程逼近整个B。增加路径数改善对有限模型期望的估计;加密时间网格改善对连续积分的逼近。 两个参数各有职责。
无脚本读法。 先比较同一条路径的左端和、右端和、梯形平均,再读多路径的平方均值与能量均值。两者共同的有限分割目标、连续目标及其差额单独列出;单路径代数残差与多路径抽样误差分开记录。
| 项目 | 固定记录值 |
|---|---|
| 粗网格L | 0 |
| 粗网格平均左和平方 | 0 |
| 粗网格平均能量 | 0 |
| 粗网格离散目标 | 0 |
| 连续目标 | 0.5 |
| 布朗场景读取层L | 4 |
| 当前路径左端和 | -0.35783571927148256 |
| 当前路径右端和 | 0.9447467882015312 |
| 当前路径梯形和 | 0.2934555344650243 |
| 当前路径Q | 1.302582507473014 |
| 当前路径能量 | 0.4815135405124264 |
| 成对差样本均值 | -0.29619264636074966 |
| 成对差估计标准误 | 0.1461431834369206 |
| 当前离散共同目标 | 0.46875 |
| 单路径场景N | 1 |
| 单路径估计标准误 | 不适用 |
| 符号过程路径能量 | 1 |
| 符号过程离散目标 | 1 |
| 符号过程左端和 | 0.3373524120704071 |
| 布朗左和恒等式残差 | 1.1102230246251565e-16 |
下载四个场景的全部路径与账本(JSON)。各场景T=1、M=4、根种子20260722;除单路径场景外N=16。图上刻度为阅读做舍入,表内保留固定记录的数值。
实验提供H=1、H=t、H=B和H=sign₊(B)四种适应过程。所有原始高斯抽样、最细路径、逐层逐样本账本和当前路径的每一步贡献都可下载。固定种子时,增加样本数保留已有路径;提高生成层保留旧节点;改变读数层只读取同一路径的节点。
1. 先算有限和:为什么取点会改变答案
对任意有限序列b₀=0,…,bₙ,记Δbⱼ=bⱼ₊₁−bⱼ。无需概率就能写出
用平方差分解逐项计算:
对布朗节点,Q在确定性网格变细时以L²趋于T,因此三种和可以有不同极限。取哪个端点,与过程何时获得信息有关;它不是把同一个普通Riemann积分写成三种等价形式。
这里C是两个端点值的梯形平均。对H=B,它也是本例常说的对称和;它并没有额外生成真正时间中点的布朗值。对于一般H,有限恒等式只有
要把右边的极限称为协变差或Stratonovich修正,还需要相应条件和证明。特别对不连续的sign函数,本实验只显示有限对照,不能从几张数值图推断一般对称积分理论。
布朗总变差无限,也不表示任何被积函数都不能逐路径积分。例如确定的C¹函数f可以通过分部积分定义
右边对每条连续路径都有意义。困难是为足够一般的随机适应过程建立统一的积分理论;本讲选用L²等距完成这件事。
2. 可预测:把“现在已经知道”写进定义域
固定有限T,并使用使B成为布朗运动的通常过滤。可预测σ代数由[0,T]上的集合
以及零时刻的可测集合生成。一个过程H可预测,指(t,ω)↦Hₜ(ω)对这个σ代数可测。矩形A×(s,t]的含义是:在s时已经知道A是否发生,随后一段时间按这个已知事件取值。
有界左连续适应过程可用过去时刻阶梯值逐点逼近,所以可预测;连续适应过程当然也可预测。对可预测过程施加Borel函数仍可预测,因此B、B²以及sign₊(B)都符合这一可测性要求。
定义
这里元素是dt×P几乎处处相等的等价类。两个过程可以在某些随机时刻不同,却代表同一个积分输入;不能把这种等价关系误写成所有时刻同时相等。
“适应”本身只管每个时刻的可测性,并不独自说明联合可测性或平方可积性。本页明确以可预测L²空间为定义域,避免把这些不同条件缩成一句“不偷看未来”。
3. 简单过程:先把每一段的贡献定义清楚
取确定性分割0=t₀<⋯<tₙ=T,令
使用左开右闭区间,使阶梯过程在跳点取旧值,成为左连续适应过程。计算时仍用在tⱼ已经知道的系数ξⱼ。若只改变有限个确定时刻的取值,dt×P等价类不变;这解释了数值书写中另一端点约定何时无害,却不允许把ξⱼ换成未来的 \(B_{t_{j+1}}\)。
对任意u∈[0,T],定义整个积分过程
它适应且连续:在每一段上,系数早已可测,布朗增量连续;只有有限段需要相接。在分割中额外插入一个时间点,布朗增量的可加性保证结果不变。对两种表示取公共细分,就得到表示无关性与线性。
有界系数使可积性首先没有困难。之后可将平方可积系数截断,再用等距延拓;因此例子 \(\xi_j=B_{t_j}\)虽然不是有界变量,仍有严格进入定义域的途径。
4. Itô等距:适应性在哪一步真正起作用
对终点积分展开平方。若i<j,则ξᵢΔBᵢ和ξⱼ都在tⱼ的过去信息内,于是
每个对角项则满足
两者相加,得到
对H+K、H−K用同一个等距并相减,还得到极化公式
这是一条期望中的恒等式。单条路径上的积分平方,通常不等于该路径的能量∫H²dt。实验为每条路径记录它们的差D;D的期望为0,与每次实现D=0完全不同。
如果把系数改成下一时刻的值,取出条件期望的步骤就失去依据。这是等距证明对适应性的具体需求。
5. 简单过程为什么足够稠密
令μ=dt×P。有限时域使μ([0,T]×Ω)=T有限。取有界简单可预测过程张成的线性空间,并记它在L²(μ)中的闭包为V。
考虑集合族D:E∈D当且仅当指标1_E属于V。整个空间的指标属于V,零时刻部分的μ测度为0;若E∈D,则补集的指标1−1_E仍属于V。若Eₖ两两不交且都在D,有限部分和属于V,而且
所以D是一个Dynkin系统。生成可预测σ代数的矩形构成π系统:两个矩形相交仍是这种矩形,因为两个事件的交在较晚的左端时间已可测。它们的指标本来就是允许的简单过程。π–λ定理因此说明,所有可预测集合的指标都在V。
对有界可预测H,按函数值分成越来越细的有限层,可得到简单可测函数以一致误差逼近H;其每个指标已在V,故H∈V。对一般平方可积H,再截断
即可。这里收敛由|H|²可积和支配收敛保证。于是有界简单可预测过程在整个H²空间中稠密。
这份证明先保住了可预测σ代数,再做L²逼近;不需要可能读取未来值的对称时间卷积。
6. 等距延拓:逼近序列换掉,积分不会换掉
取H⁽ⁿ⁾为简单过程且在H²中趋于H。等距给出
所以积分序列在完备的L²(P)中有唯一极限,定义为I_T(H)。若另选K⁽ⁿ⁾→H,则
两种定义一致。线性、零均值、等距与极化公式都由L²极限保留。时间u处的积分可用H·1_(0,u]同样定义。
一个常见的具体逼近是“先平均,再投影到过去”。在确定网格上设
条件Jensen不等式与时间Cauchy–Schwarz给出
因此Pₙ是H²中的压缩。对有界生成矩形ξ1_(s,t],所有完全落在(s,t]内部的网格段都正确读取ξ;可能有误差的只有至多两个边界段,其总长度趋于0。有界性使这部分L²误差趋于0。先对有限线性组合推广,再用上一节稠密性与压缩性,便得到PₙH→H。
这个公式是条件期望意义的构造,并不是拿一条实际样本的未来观测值直接当作现在的系数。
7. 从每个时刻的随机变量,得到一个连续鞅
分别定义每个Iₜ,还没有自动得到一个共同连续版本。这个步骤要用过程的统一控制。
简单过程积分是鞅。先在一段上看:条件期望会把未来布朗增量消去;跨越多个分割点时再用塔性质。对两个简单过程,连续时间Doob L²不等式与等距给出
可选一条逼近序列满足‖H⁽ⁿ⁾−H‖≤2⁻³ⁿ。于是相邻积分的统一误差超过2⁻ⁿ的概率至多是一个常数乘2⁻⁴ⁿ,可求和。Borel–Cantelli保证,在共同的概率1事件上,相邻统一误差最终不超过2⁻ⁿ;级数可求和,使积分过程统一Cauchy。连续函数的一致极限仍连续,记为M。
对每个固定t,这个极限与此前定义的L²极限Iₜ(H)几乎处处相等,因此M是所需的连续修改。两种连续修改在有理时刻同时相等,再由连续性得到所有时刻同时相等。利用Fatou,前述Doob控制也延伸到一般H、K。
鞅性质可以直接传递:若s≤t,简单过程积分满足
条件期望是L²压缩,两边分别取L²极限,就得到E[Mₜ|Fₛ]=Mₛ。这说明一般积分是连续平方可积鞅。
还有一条有用的补偿关系:
简单过程时,在每个系数保持不变的时间段展开M的平方,线性项条件均值为0,新增平方的条件均值为ξ²Δt;与能量增量正好抵消。一般情形中,M⁽ⁿ⁾→M的L²收敛使其平方在L¹中收敛,而
再用条件期望的L¹压缩即可。这个能量过程将在后续二次变差理论中扮演核心角色;补偿关系与有限样本逐路径相等仍是两回事。
8. 亲手算出布朗运动对自身的积分
令H⁽ⁿ⁾在每个 \((t_j,t_{j+1}]\) 上取 \(B_{t_j}\)。它与B的H²距离可以精确计算:
因此,任意确定性网格最大段长趋于0,都给出H²逼近。等距使左端和趋于Itô积分;第1节的有限恒等式加上上一页的Q的L²收敛,便得到
两条路线得到的是同一个L²极限,因而右边的公式有定义上的保证。沿dyadic分割,上一页还给出Q几乎处处收敛,所以此例的左端和也几乎处处趋于该值。
右端和与梯形和的相应极限分别为
对H=B,梯形极限是Stratonovich积分。这个结论有此处的有限代数与二次变差证明支持,不需要把“中点方案总会更准确”当成原则。
对于n个等长区间,平方可积误差还有明确大小:
这是积分随机变量的L²误差,并不保证某条样本的误差恰好是T/√(2n)。另一方面,\(B_T=\sqrt T\,Z\)表明积分的分布是T(Z²−1)/2;一般随机被积过程的积分并不必然是高斯变量。
9. 两个迁移例子:确定函数与符号变换
确定的平方可积f。 对确定的简单函数f,积分是独立高斯增量的线性组合,服从中心高斯,方差为∫f²。一般f用L²逼近,特征函数通过收敛传递,故
例如f=1时终点积分就是 \(B_T\);f(t)=t时方差为T³/3。若f是C¹,离散分部积分与布朗路径连续性让剩余和趋于普通积分∫Bf′dt;再与Itô的L²极限比较,得到第1节的逐路径分部积分公式。这样,经典可逐路径定义的情形与新的L²构造确实相容。
根据当前符号翻转噪声。 定义sign₊(x)=1(x≥0),−1(x<0),并取
它是有界可预测被积过程的连续鞅。我们还可以直接证明M本身是一个布朗运动,而不提前调用尚未证明的Lévy刻画。
先将符号冻结在每个网格左端,得到系数ξⱼ∈{−1,1}。给定左端过去,ξⱼ已经确定,而未来增量为独立中心高斯。因此
这个条件特征函数不依赖过去。按时间顺序使用塔性质,得到变换后的各段增量仍独立且具有正确的高斯方差;如果测试时刻在网格内部,只需把网格再细分,系数在新增左端仍然已知,所以同一论证成立。每个阶梯符号积分都是连续布朗过程。
为了传到极限,注意对t>0有P(Bₜ=0)=0,Tonelli给出
故几乎每条路径在零点上花费的Lebesgue时间为0。对其余时刻,连续性使网格左端的符号最终与当前符号相同;有界支配收敛得到H²逼近。Doob控制使积分统一地以概率收敛到M,有限维特征函数随之收敛。M连续并保留布朗有限维分布,所以确实是布朗运动。
如果把sign(0)约定为0,两种被积过程只在上述零时间集合上不同,属于同一个H²等价类,积分相同。实验采用sign₊,因此每个有限网格的能量也恰为T,方便核查。
10. 期望实验:分清离散偏差与抽样误差
均匀n段、H=B时,两个有限模型的期望相等:
这是因为\(\mathbb E[B_{t_j}^2]=t_j\),求和是一个等差数列。共同目标与连续T²/2相差−T²/(2n),这部分偏差即使有无限多条独立样本也不会消失。
实验用\(X_r=L_{n,r}^2\) 和 \(Y_r=\sum_j B_{t_j,r}^2\Delta t\)分别记录每条路径,并使用成对差Dᵣ=Xᵣ−Yᵣ。理想模型中E[Dᵣ]=0,但通常Dᵣ≠0。N条样本给出均值、无偏样本方差及估计标准误
N=1时后两者不适用。即使N>1,显示一个标准误也不自动建立严格的置信覆盖率;尾部较重的平方统计量尤其不能仅凭一次小样本就断言已经收敛。实验同时给出理想高斯模型的标准误作为参考,并明确伪随机样本只是可复算诊断。
选读:标准误的解析参考从哪里来
令d=T/n,并把当前网格的标准化增量记为Zⱼ=ΔBⱼ/√d(T>0)。这些Z是独立标准高斯;它们不一定等于生成器最初抽到的帽函数系数。有限账本可以写成两个高斯二次型:
其中A的对角为0、非对角为d/2,且
后一公式来自展开每个 \(B_{t_j}^2\):同一对增量在之后的多少个左端节点上共同出现,就贡献多少次。矩阵A的特征值为d(n−1)/2一次、−d/2重复n−1次,因此trA=0。
对足够小的u、v,正交对角化uA+vK和一维高斯积分给出
比较二阶到四阶系数,可得
例如混合三阶矩为8tr(A²K)+2tr(A²)trK;减去E[L²]E[Y]=2tr(A²)trK,留下上式。四阶矩为48trA⁴+12(trA²)²,再减去二阶矩的平方,得到第一式。由此
所以理想独立样本均值的标准误是√(Var(D)/N)。实验记录所用矩阵规则、迹与特征值,便于与实际有限高斯模型核对。T=0时所有积分、能量及其总体方差均为0,不需要除以√d定义Z。
11. 四道练习:把定义、极限和统计各自用对
练习一:只用[0,T]的一段,H=B时增加样本数能得到连续积分吗?
每条路径都用左端H₀=B₀=0,所以L₁=0、Y₁=0、D₁=0,有限模型的等距精确成立,任意样本数的平均都为0。连续积分为 \((B_T^2-T)/2\),二阶矩T²/2。必须使网格变细才能让简单过程逼近B;N增加只能改善对当前有限模型的期望估计,无法替代n增加。T=0是两种目标同时为0的退化情况。
练习二:对于H(t)=t,求有限等距目标及其连续极限
左端系数tⱼ=jd是确定的,积分左和为Σjd·ΔBⱼ,服从中心高斯。方差与能量都是
每条路径的能量在这个例子里都是相同的确定数,但积分平方仍有随机性;中心高斯G的Var(G²)=2Var(G)²,所以成对差的总体方差为上述有限目标平方的两倍。这个例子展示了期望相等不等于逐样本相等。
练习三:改动零时刻取值,与把左端改成右端,有什么区别?
只在一个确定时刻改变H,不改变dt×P等价类,所以不改变Itô积分。若把整个 \((t_j,t_{j+1}]\) 上的系数从 \(B_{t_j}\) 改成 \(B_{t_{j+1}}\),改变的是一整段正长度时间上的随机变量,并且它通常不在 \(\mathcal F_{t_j}\) 中可测;这既不是只改端点零集,也不是原来的简单可预测过程。有限右和比左和多Qₙ,细分后多T,差异不会被“端点测度为零”消掉。
练习四:路径能量几乎处处有限,是否足以保证积分是真鞅?
不够。令Y独立于布朗运动,并在零时刻已知,满足P(Y=2ᵏ)=2⁻ᵏ,k=1,2,…。概率和为1,Y每次实现都有限,但E[Y]=∞。取Hₜ=Y,则每个有限T上的能量TY²几乎处处有限,而积分为YBₜ。
对t>0,独立性与Tonelli给出E|YBₜ|=E[Y]E|Bₜ|=∞,所以它连可积性都不满足,不能是真鞅。下一节的能量停止时间仍能把它局部化为平方可积鞅;“局部鞅”中的局部限制不能省略。
12. 停止与局部化:扩大定义域时保留哪些结论
先对H∈H²和有界停止时间τ证明停止公式
过程1_[0,τ]左连续且适应,因此可预测。若τ只取有限个网格值,H也为简单过程,在共同细分上逐段核对,公式直接成立。一般τ用网格向上取整τₙ↓τ;积分连续使左边收敛,右边的被积过程由支配收敛在H²中收敛。最后用简单过程逼近一般H,左边用Doob统一控制,右边用等距,得到完整公式。
现在只要求H可预测,且对每个有限T有∫₀ᵀH²dt<∞几乎处处。定义
积分能量过程连续、递增且适应,所以τₘ是停止时间。停止后的被积过程有总期望能量至多m,因此属于平方可积理论。随着m增大,τₘ几乎处处趋于∞;在任何固定有限时域上,最终不再发生停止。
停止公式保证两个不同截断得到的积分在较早停止时间之前相同。先对可数m和有理t取共同的概率1事件,再用连续性,就能把这些过程一致地拼接成一个连续局部鞅。这给出了局部平方可积被积过程的Itô积分。
如果缺少期望平方可积性,不能继续无条件使用本页的全局零均值与有限等距结论;练习四给出了甚至不具一阶可积性的具体例子。下一页将用这一构造建立Itô公式与SDE存在唯一性,在那里再讨论二阶修正如何系统地进入链式法则。
参考。 Steven P. Lalley,Notes on the Itô Calculus(2016),第1节的简单过程、等距延拓、停止与局部化。本页另外展开可预测空间的稠密性证明,并对有限高斯账本独立推导其误差公式。