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随机微积分 I · 二次变差与 Itô 引理
把一段波动的平方加起来,会留下什么?光滑路径的答案趋于零;布朗运动的答案却趋于经过的时间。Itô 公式里的二阶修正来自这个可证明的极限。\((dB)^2=dt\) 是它的记账方式。
学习层:一条路径、一次样本平均、一个期望
设一个正量从 \(X_0=1\) 开始增长。无噪声模型是 \(dX=aX\,dt\);加入比例噪声后,Itô 模型为
这里 \(a\) 的量纲是时间的倒数,\(\sigma\) 是时间平方根的倒数;\(B\) 的增量方差等于时间增量。噪声项是 \(\sigma X_n\sqrt h\,Z_n\),其中 \(Z_n\) 为独立标准正态,不能把 \(\sqrt h\) 换成 \(h\)。
先回答一个问题:64 条数值路径的终点均值,减去解析真均值,是否就是弱离散误差? 读完账本后,还应能够解释为什么一条路径的偏差不能回答这个问题。
无 JavaScript 时的读法:取 \(T=1,X_0=1,a=0.35,\sigma=0.7\)。把同一批细网格布朗增量聚合为 \(n=8,16,32,64,128\) 步;\(h=T/n\)。以下公式可独立核对:
| 模型 | 同噪声的解析终点 | 解析总体均值 |
|---|---|---|
| ODE | \(X_0e^{aT}\) | \(X_0e^{aT}\) |
| Itô | \(X_0e^{(a-\sigma^2/2)T+\sigma B_T}\) | \(X_0e^{aT}\) |
| 相同书面漂移的 Stratonovich | \(X_0e^{aT+\sigma B_T}\) | \(X_0e^{(a+\sigma^2/2)T}\) |
ODE 与 Itô EM 的离散总体均值均为 \(X_0(1+ah)^n\)。本实验的 Stratonovich 随机 Heun 法有离散均值 \(X_0[1+ah+(a^2h^2+\sigma^2h)/2]^n\)。因此弱均值误差可以直接从这两种解析均值计算,不必混入 Monte Carlo 抽样噪声。
同一条路径上的另一本账是
这两个有限和恒等式逐项就能验证;它们为何趋向不同积分,是本页的主线。
实验使用 3 组固定种子,每组 64 条伪随机路径,每条先生成 256 个正态增量,再聚合到各网格。更换步长保留同一批噪声;更换种子可观察样本波动。折线只连接采样时刻的值,不是完整的布朗路径。有限样本与有限层级可以检验计算,不能证明几乎必然结论或一般收敛阶。
1. 二次变差:先证明,再使用微分记号
1.1 分割必须真正变细
回顾布朗运动:\(B_0=0\),增量独立且 \(B_t-B_s\sim N(0,t-s)\),路径连续,几乎必然处处不可微。增量的均方根为 \(\sqrt{t-s}\),但“差商的方差发散”本身不是处处不可微的完整证明。
固定 \(T>0\),取确定性分割 \(\pi=\{0=t_0<\cdots<t_n=T\}\),网格宽度为 \(|\pi|=\max_i(t_{i+1}-t_i)\)。定义
正态四阶矩给出 \(\operatorname{Var}[(\Delta B_i)^2]=2(\Delta t_i)^2\),加上独立增量,
因此只要 \(|\pi_m|\to0\),就有 \(Q_{\pi_m}\to T\) 于 \(L^2\),从而依概率收敛。仅增加分割段数还不够:若始终保留一段长度为 \(T/2\) 的大区间,它的波动不会消失。
对等长 \(n\) 段,
这是总体分布的标准差,不是每条路径的误差上界。沿二分网格 \(n=2^m\),Chebyshev 上界可求和,再用 Borel–Cantelli 可推出固定 \(T\) 处的几乎必然收敛;不能把 \(L^2\) 收敛直接改写成“对任意一切分割、每条路径都收敛”。
1.2 与连续有限变差路径对比
若连续路径 \(A\) 在 \([0,T]\) 上总变差有限,则
连续性使最大增量趋零。对 Brownian 部分与有限变差部分的交叉和,Cauchy–Schwarz 又给出 \(|\sum\Delta A_i\Delta B_i|\le[\sum(\Delta A_i)^2\sum(\Delta B_i)^2]^{1/2}\to0\) (依概率)。所以可写
简写成 \((dB)^2=dt\)、\(dt\,dB=(dt)^2=0\) 时,说的是细分后累加的极限贡献。单个 \((\Delta B)^2\) 仍然随机,绝不逐步等于 \(\Delta t\)。
上图画的是可证明的总体标准差,没有挑选一条恰好靠近极限的路径。下图使用明确给定的教学增量核算两个有限和,不把这些人工数值当作 Brownian 分布证据。
2. Itô 积分:不读取未来的信息
固定满足通常条件的滤子 \((\mathcal F_t)\),令 \(B\) 是相对于该滤子的 Brownian 运动;特别是未来增量独立于当前 \(\mathcal F_t\)。这比仅要求“\(B\) 本身有独立增量”更明确:不能提前把未来轨迹放进当前信息集。
对简单可预测过程
定义 \(\int_0^T H_s\,dB_s=\sum_i\xi_i\Delta B_i\)。系数在每段开始时已经确定。由于增量的条件均值为零,不同区间的交叉项期望为零,而
于是得到 Itô 等距
对可预测 \(H\) 满足 \(\mathbb E\int_0^T H_s^2ds<\infty\),先在 \(L^2(\Omega\times[0,T])\) 中用简单过程逼近,再由等距定义积分的 \(L^2(\Omega)\) 极限。等距保证极限不依赖所选近似。得到的积分过程是平方可积鞅,均值为零。
不能把一般积分定义成任意左端采样。 对连续适应过程,在适当平方可积控制下可用左端阶梯近似;但一般 \(L^2\) 过程只按几乎处处等价类定义。例如确定性 \(H_s=\mathbf1_{\mathbb Q}(s)\) 的积分是 0;若分割端点全是有理数,机械取 \(H_{t_i}=1\) 的左和却是 \(B_T\)。这些阶梯过程没有在所需的 \(L^2\) 空间逼近 \(H\)。
若仅有 \(\int_0^T H_s^2ds<\infty\) 几乎必然,可用停时局部化构造积分,通常首先得到连续局部鞅。局部鞅不自动是真鞅;“微分中没有 \(dt\) 项”不足以保证期望恒定,仍要检查积分性或一致可积等条件。
3. Itô 公式:带二次变差的链式法则
设连续 Itô 过程
系数适当可测,且每个有限时段上 \(\int(|a_s|+b_s^2)\,ds<\infty\) 几乎必然;可预测版本用于随机积分。若 \(f(t,x)\in C^{1,2}\),即时间一阶、空间二阶导数连续,则
它是积分恒等式的简写,并不是对处处不可微的 \(X_t\) 作经典求导。一般先局部化到系数、过程和导数受控的区间,再解除停时;公式本身不保证随机积分项有零期望。
3.1 二阶项为什么没有消失
形式 Taylor 展开提供计算路线:
在分割上求和后,有限变差平方和与交叉项消失,而扩散部分的加权平方和留下 \(\int b_s^2 f_{xx}(s,X_s)\,ds\)。真正的证明还须控制局部化后的 Taylor 余项,并在相应概率或积分范数中取极限;只写“\((dB)^2=dt\)”是推导提示,不替代这些步骤。
当 \(f\) 在空间上凸时,修正项 \(\tfrac12b^2f_{xx}\) 非负,说明波动经弯曲函数变换后产生额外的局部漂移。这没有声称总漂移非负:\(f_t+a f_x\) 也可能为负;无积分性时更不能直接对整个公式取期望。
3.2 乘积与多个噪声
若 \(dX=a\,dt+b\,dB\)、\(dY=c\,dt+d\,dB\),则
两个变量共享同一噪声,交叉二次变差不能漏掉。若改为两个独立 Brownian 驱动,交叉二次变差为零;若联合 Brownian 驱动满足常相关系数 \(\rho\),则 \(dB^1dB^2=\rho\,dt\)。高维 Itô 公式的二阶项是 Hessian 与扩散协方差矩阵的配对。含跳过程另有跳跃修正,不能原样套本页连续过程公式。
4. 左端与对称积分为何不同
对 \(f(x)=x^2\) 应用 Itô 公式,
也可以完全从有限和开始:\(B_{i+1}^2-B_i^2=2B_i\Delta B_i+(\Delta B_i)^2\)。望远镜求和后,左和为 \((B_T^2-Q_\pi)/2\);二次变差极限提供那个 \(-T/2\)。
相反,梯形和逐项满足
其和直接为 \(B_T^2/2\)。连续半鞅情形可定义 Stratonovich 积分
对足够光滑的标量扩散系数 \(\sigma(x)\),
Stratonovich 形式保留相应的经典链式法则,但并非任何被积过程都可无条件用“中点取值”定义。它的积分也不是一定不为鞅:确定性适当被积函数使交叉变差为零;而 \(\int B\circ dB=B_T^2/2\) 的期望为 \(T/2\),这例确实不是鞅。两种约定都用于建模,应根据模型推导选择,不能仅按学科名称断定。
5. 几何布朗运动:先构造正解,再取对数
对常数 \(a,\sigma\) 和确定性 \(X_0>0\),定义
该过程显然为正;对指数函数应用 Itô 公式,直接验证它满足 \(dX=aX\,dt+\sigma X\,dB\)。线性系数的全局 Lipschitz 条件给出唯一强解,因此再对 \(\ln X_t\) 使用 Itô 是合法的,而不是预先假定了待证的正性。
若 \(X_0=0\),唯一解恒为零,不能取对数;若 \(X_0<0\),同一指数表达式保持负号,可处理 \(\ln|X|\),但它不再是通常的正量模型。实验仅开放正初值。
高斯矩母函数给出
所以 \(-\sigma^2/2\) 修正的是对数增长率;它没有把 \(\mathbb E X_t\) 的增长率从 \(a\) 改掉。这是明确模型内的均值与中位数区别,不能脱离假设推广成所有现实过程的增长定律。若相同书面漂移改用 Stratonovich 约定,解为 \(X_0e^{at+\sigma B_t}\),其均值相应改变。
6. 数值实验究竟估计什么
6.1 三种更新
设 \(h=T/n\),在所有方法中共享同一组 \(\Delta B_i\)。ODE Euler 用 \(X_{i+1}=X_i(1+ah)\);Itô Euler–Maruyama 用
对本页标量线性 Stratonovich 模型,预测校正即随机 Heun 法可写为
EM 的乘子可能为负,因此粗网格数值解可能穿过零;实验保留这些值并报告负终点个数,不截断成零。Heun 乘子为 \([(u_i+1)^2+1]/2>0\),在这个特定线性模型中保持正性;不能据此声称一般 SDE 的 Heun 方法都保正。
6.2 总体误差、样本估计与抽样误差
终点强 \(L^2\) 误差为
必须把数值解与真解放在同一噪声上比较。实验用 \(M=64\) 条配对路径的 RMS 估计它;单一路径绝对差也不是这个期望范数,更不是整个时间区间的最大误差。
弱误差依赖测试函数。这里固定 \(\varphi(x)=x\),因此
独立增量使每步乘子的期望可以相乘。EM/ODE 的离散均值为 \(X_0(1+ah)^n\);Heun 的为 \(X_0[1+ah+(a^2h^2+\sigma^2h)/2]^n\)。实验用这些公式计算弱均值误差,接近相等时用 \(\operatorname{log1p}\)、\(\operatorname{expm1}\) 的数值版本避免消减。
设 \(\bar X_h\) 为数值样本均值,则严格分解为
另外令 \(D_j=X_{T,j}^{(h)}-X_{T,j}\),配对均差 \(\bar D\) 估计离散偏差。实验报告
这是把路径视为独立抽样时的样本标准误估计;固定伪随机样本和大尾部可能令估计不稳定,不能把 \(\bar D\pm2\,\widehat{\rm SE}\) 自动称为精确置信区间。直方图展示完整 64 个终点的频数,不是解析密度。
6.3 阶数的条件与退化情形
常见全局 Lipschitz、增长与时间正则条件下,EM 强 \(L^2\) 误差为 \(O(h^{1/2})\);弱一阶还需相应系数和测试函数的光滑性、矩控制。强/弱数值收敛不同于强/弱解:强解在给定滤子与 Brownian 运动上构造;弱解允许概率空间与驱动一起作为待构造对象。
本页非零乘性噪声的 EM 通常展示强半阶,标量光滑 Stratonovich 随机 Heun 法通常展示强一阶;但 \(\sigma=0\) 时它们退化为确定性 Euler 一阶和 Heun 二阶。若同时 \(a=0,\sigma=0\),解和更新均为常数,误差为零,谈拟合斜率没有意义。对 Itô 模型即使 \(a=0,\sigma>0\),测试函数 \(x\) 的弱均值误差也恰为零,不能由此推出路径误差为零。
实验只对正误差点拟合有限层级斜率;零值另列,不在对数图上放一个人为地板。改变步长、样本量、种子可能改变拟合值,图中的一条直线不是一般定理的证明。
7. 三道逐步核算题
题 1:有限分割上“少掉的半个时间”在哪里? 给定四个教学增量 \((0.5,-0.25,0.75,-0.5)\),\(B_0=0,T=1\),计算终点、二次变差、左端和、梯形和及 Itô 目标。不要假设这四个数已经满足 \(Q=T\)。
展开:先列路径端点再累加
路径端点为 \(0,0.5,0.25,1,0.5\),所以 \(B_T=0.5\)、\(Q=0.25+0.0625+0.5625+0.25=1.125\)。 左端和为 \(0-0.125+0.1875-0.5=-0.4375=(0.25-1.125)/2\);梯形和为 \(0.125=B_T^2/2\)。 Itô 目标是 \((0.25-1)/2=-0.375\)。有限左和与目标相差 \(-0.0625=-(Q-T)/2\);误差来自这组离散二次变差,不是因为恒等式失效。
题 2:消掉漂移足够证明真鞅吗? 对 \(M_t=B_t^3-3tB_t\) 应用 Itô,并补足有限时段上的积分性核验。
展开:公式消漂移,矩估计完成证明
这一步先给出局部鞅。用 \(\mathbb EB_t^2=t\)、\(\mathbb EB_t^4=3t^2\),
故积分是平方可积真鞅,\(M_0=0\),\(\mathbb EM_t=0\)。一般“没有漂移”只能完成第一步;本例能升级,是因为额外的矩估计。
题 3:弱误差为零,数值法是否已经精确? 取 Itô 模型 \(a=0,\sigma>0,X_0=1\)。比较 EM 的终点均值与方差。
展开:换一个测试函数,误差就显现
每步 EM 乘子 \(1+\sigma\Delta B\) 的均值是 1,二阶矩为 \(1+\sigma^2h\)。独立相乘给出
真解方差为 \(e^{\sigma^2T}-1\)。有限 \(h>0\) 时,EM 方差严格小于真解方差:因为 \(\ln(1+z)<z\)(\(z>0\)),且 \(nh=T\),
所以对 \(\varphi(x)=x\) 弱误差为零,对 \(\varphi(x)=x^2\) 却不为零,路径也没有因此精确。实验中的 64 条样本均值仍可偏离 1;那是抽样偏差。
8. 参考与下一步
- Lawler,Stochastic Calculus,第 2.8、3、4.1 节:二次变差、随机积分与局部鞅的系统论述。
- Higham,数值模拟 SDE 的算法导论:沿同噪声构造数值实验,并区别强收敛和弱收敛。
下一页:SDE、OU 过程与 Fokker–Planck 方程。本页追踪路径上的函数变换;下一页进一步问,一群路径的概率密度如何演化。