11.1. Nawias skośny jako wariacja kwadratowa
Niech Π=t0,t1,…,tk będzie podziałem 0,t takim, że
0=t0≤t1≤…≤tk=t. Definiujemy wówczas
Będziemy też czasem pisać VΠ,tM zamiast VΠ,tM.
Pokażemy, że Mt jest granicą
VΠ,tM przy diamΠ→0, dlatego też M nazywa się
często wariacją kwadratową M.
Zacznijmy od najprostszej sytuacji martyngałów ograniczonych, tzn. takich, że
suptMt∞<∞.
Twierdzenie 11.1
Załóżmy, że M jest ograniczonym martyngałem ciągłym
Wówczas VΠ,tM→Mt w L2Ω
dla t≤T, gdy diamΠ→0.
Możemy założyć, rozpatrując zamiast M proces M-M0, że M0=0,
bo VΠ,tM-M0=VΠ,tM
oraz M-M0=M
(M-M02-M=M2-M-2MM0+M02
jest martyngałem,
czyli, z jednoznaczności 〈⋅〉, mamy M-M0=M).
Niech Πn=(0=t0n≤t1n≤…≤tknn=t) będzie ciągiem
podziałów 0,t takim, że
diamΠn→0.
Połóżmy C=sups≤TMs∞. Liczymy
|
Mt2 | =∑k=1knMtkn-Mtk-1n2 |
|
|
| =∑kMtkn-Mtk-1n2+2∑k<jMtkn-Mtk-1nMtjn-Mtj-1n |
|
|
| =VΠn,tM+2∑j(Mtjn-Mtj-1n)Mtj-1n=VΠn,tM+2Nn(t). |
|
Niech
|
Xns:=∑j=1knMtj-1nItj-1n,tjn∈E, |
|
wówczas Nnt=∫0tXnsdMs.
Z ciągłości M dostajemy Xns→Ms
dla wszystkich s≤t. Ponadto Xn≤C,
stąd Xn-M2≤4C2 i na mocy twierdzenia
Lebesgue'a o zbieżności zmajoryzowanej,
Zatem Xn→M w Lt2M, czyli
Nn→∫MdM w Mt2,c, to znaczy
Nnt→∫0tMsdMs w L2Ω. Wykazaliśmy zatem, iż
|
VΠn,tM=Mt2-2Nnt→Mt2-2∫MdM w L2Ω. |
|
Proces Y:=M2-2∫MdM jest ciągły, Y0=0 oraz
M2-Y=2∫MdM jest martyngałem. By zakończyć dowód, że
Y=M musimy wykazać monotoniczność trajektorii Y.
Wybierzmy s<t i rozpatrzmy taki ciąg podziałów Πn odcinka
0,t, że s jest jednym z punktów każdego z podziałów. Wówczas
Πn można też traktować jako ciąg podziałów 0,s i określić
VΠn,sM. Mamy
czyli proces Y ma trajektorie monotoniczne.
∎
Uwaga 11.1
W szczególności przedstawiony dowód pokazuje, że
dla martyngału jednostajnie ograniczonego M, takiego, że M0=0, zachodzi
M2=2∫MdM+M.
By uogólnić Twierdzenie 11.1 na przypadek martyngałów całkowalnych z kwadratem
będziemy potrzebowali dwóch faktów.
Lemat 11.1
Niech ξn będzie ciągiem zmiennych losowych, a Ak
wstępującym ciągiem zdarzeń takim, że P⋃Ak=1. Załóżmy, że
dla wszystkich k, zmienne ξnIAk zbiegają
według prawdopodobieństwa (przy n→∞)
do zmiennej ηk. Wówczas ξn zbiega według prawdopodobieństwa do
zmiennej η takiej, że ηIAk=ηk p.n. dla k=1,2,….
Dla k≤l mamy ηlIAk=ηk p.n., gdyż pewien podciąg
ξnsIAl→ηl p.n., a zatem
ξnsIAl=ξnsIAlIAk→ηlIAk p.n.
(czyli również wg P). Stąd istnieje zmienna losowa η taka, że
ηIAk=ηk p.n..
Zauważmy, że PAkc≤ε/2 dla dużego k oraz przy ustalonym k,
PξnIAk-ηk≥ε≤ε/2 dla dużych n, stąd
|
Pξn-η≥ε≤PAkc+PξnIAk-ηIAk≥ε≤ε |
|
dla dostatecznie dużych n.
∎
Kolejny lemat pokazuje, że przy pewnych prostych założeniach można ze
zbieżności według prawdopodobieństwa wyprowadzić zbieżność w L1.
Lemat 11.2
Załóżmy, że
ξn≥0, ξn→ξ według P oraz dla wszystkich n,
Eξn=Eξ<∞. Wówczas ξn→ξ w L1.
Mamy
|
Eξ-ξn | =E(|ξ-ξn|-(ξ-ξn))=2E(ξ-ξn)I{ξ≥ξn} |
|
|
| ≤ε2+2E(ξ-ξn)I{ξ≥ξn+ε4}≤ε2+2EξI{ξ≥ξn+ε4}. |
|
Na mocy zbieżności według prawdopodobieństwa,
limn→∞Pξ≥ξn+ε/4=0. Ponadto
Eξ=Eξ<∞, zatem ξ jest jednostajnie całkowalna , czyli
EξIA≤ε/2 dla odpowiednio małego PA.
Stąd EξI{ξ≥ξn+ε/4}≤ε/2 dla dużych n,
a więc Eξ-ξn≤ε.
∎
Twierdzenie 11.2
Załóżmy, że M∈MT2,c, wówczas dla t<T,
VΠ,tM→Mt w L1Ω, gdy diamΠ→0.
Jak poprzednio możemy zakładać, że M0=0.
Ustalmy ciąg podziałów Πn taki, że
diamΠn→0.
Istnieje ciąg momentów zatrzymania τk↗T taki, że Mτk
jest jednostajnie ograniczony (np. τk=inft:Mt≤k). Na mocy
Twierdzenia 11.1, dla ustalonego k, mamy przy n→∞,
Stąd
|
I{t≤τk}VΠn,tM=I{t≤τk}VΠn,tMτk⟶L2I{t≤τk}Mtτk=I{t≤τk}Mt. |
|
Zbieżność w L2 implikuje zbieżność według prawdopodobieństwa, zatem możemy stosować
Lemat 11.1 do ξn=VΠn,tM i
Ak={t≤τk}, by otrzymać VΠn,tM→Mt
według P. Mamy jednak
|
EMt=EMt2=EVΠn,tM+2∑jMtj-1nMtjn-Mtj-1n=EVΠn,tM, |
|
a zatem na mocy Lematu 11.2, VΠn,tM→Mt
w L1.
∎
Dla martyngałów lokalnych zachodzi zbliżone twierdzenie, tylko zbieżność w L1 musimy
zastąpić zbieżnością według prawdopodobieństwa.
Wniosek 11.1
Załóżmy, że
M∈Mlocc, wówczas dla t<T,
VΠ,tM→Mt według prawdopodobieństwa, gdy
diamΠ→0.
Bez straty ogólności możemy założyć, że M0=0, wówczas M∈Mloc2,c.
Niech Πn będą podziałami 0,t o średnicy zbieżnej do zera
oraz τk↗T takie, że Mτk∈M2,c. Na podstawie Twierdzenia
11.2
otrzymujemy, że dla ustalonego k,
Stąd
|
VΠn,tMI{τk≥t}=VΠn,tMτkI{τk≥t}⟶L1MτkI{τk≥t}=MI{τk≥t}. |
|
Teza wynika z Lematu 11.1.
∎
11.2. Uogólnienie definicji nawiasu skośnego
Nawias skośny określa się nie tylko dla pojedynczego martyngału, ale też i dla pary martyngałów.
Definicja 11.1
Nawiasem skośnym dwóch ciągłych martyngałów lokalnych M i N nazywamy proces
M,N zdefiniowany wzorem
Stwierdzenie 11.1
a) Załóżmy, że M,N∈MT2,c, wówczas M,N to jedyny proces
o trajektoriach ciągłych mających wahanie skończone na 0,T taki, że M,N0=0
oraz MN-M,N jest martyngałem na 0,T.
b) Załóżmy, że M,N∈Mlocc, wówczas M,N to jedyny proces
o trajektoriach ciągłych mających wahanie skończone na 0,t dla t<T taki, że
M,N0=0 oraz MN-M,N jest martyngałem lokalnym na 0,T.
Jednoznaczność dowodzimy jak dla M, zaś wymienione własności wynikają z
tożsamości
|
MN-M,N=14M+N2-M+N-M-N2-M-N. |
|
∎
Stwierdzenie 11.2
Niech Πn=t0n,t1n,…,tknn będzie ciągiem podziałów 0,t
takim, że 0=t0n≤t1n≤…≤tknn=t oraz
diamΠn→0.
a) Jeśli M,N∈MT2,c, to dla t<T,
|
∑k=0kn-1Mtk+1n-MtknNtk+1n-Ntkn→M,Nt w L1Ω. |
|
b) Jeśli M,N∈Mloc2,c, to dla t<T,
|
∑k=0kn-1Mtk+1n-MtknNtk+1n-Ntkn→M,Nt według prawdopodobieństwa. |
|
Wystarczy zauważyć, że
|
Mt-MsNt-Ns=14Mt+Nt-Ms+Ns2-Mt-Nt-Ms-Ns2 |
|
i skorzystać z Twierdzenia 11.1 i Wniosku 11.1.
∎
Stwierdzenie 11.3
Dla dowolnych ciągłych martyngałów lokalnych M i N,
a) M,M=M=-M,
b) M,N=N,M,
c) M-M0,N=M,N-N0=M-M0,N-N0=M,N,
d) N,M→M,N jest przekształceniem dwuliniowym,
e) Mτ,Nτ=Mτ,N=M,Nτ=M,Nτ dla każdego momentu zatrzymania
τ,
f) jeśli X∈ΛT2M oraz Y∈ΛT2N, to
∫XdM,∫YdN=∫XYdM,N.
Szkic dowodu.
Punkty a), b) i c) wynikają natychmiast z definicji, punkt d) z Wniosku 11.1.
To, że Mτ,Nτ=M,Nτ dowodzimy
jak w Stwierdzeniu 10.3 (wykorzystując Stwierdzenie 11.1). Pozostałe równości
w e) wynikają ze Stwierdzenia 11.2. Punkt f) dowodzimy najpierw dla
przypadku, gdy M i N są
martyngałami, zaś X i Y procesami elementarnymi, następnie dla
X∈LT2M oraz Y∈LT2M i wreszcie, wykorzystując własność e),
dla przypadku ogólnego.
∎
11.3. Zadania
Ćwiczenie 11.1
Oblicz W1,W2, gdzie W1,W2 są niezależnymi
procesy Wienera.
Ćwiczenie 11.2
Wykaż, że
a) M,N≤MN
b) Wahs,tM,N≤12Mt-Ms+Nt-Ns.
Ćwiczenie 11.3
Uzupełnij dowód Stwierdzenia 11.3.
Ćwiczenie 11.4
Wykaż, że dla dowolnego procesu M∈Mlocc, X∈Λ2TM oraz momentu
zatrzymania τ≤T,
|
Esupt<τ∫0tXdM2≤4E∫0τXs2dMs. |
|
Ćwiczenie 11.5
Załóżmy, że M∈Mlocc, M0=0 oraz τ jest momentem zatrzymania takim, że
EMτ<∞. Wykaż, że Mτ jest martyngałem.
Ćwiczenie 11.6
Określamy
|
Snα=∑k=n3n-1∫k/nk+1/nWs4dWsα. |
|
a) Wykaż, że ciąg Sn2 jest zbieżny w L1 i zidentyfikuj jego granicę.
b) Co można powiedzieć o zbieżności według prawdopodobieństwa ciągu Snα dla
α≠2?