Zagadnienia

11. Własności nawiasu skośnego

Podczas tego wykładu zajmiemy się interpretacją procesu M. Wprowadzimy też definicję nawiasu skośnego pary ciągłych martyngałów lokalnych.

11.1. Nawias skośny jako wariacja kwadratowa

Niech Π=t0,t1,,tk będzie podziałem 0,t takim, że 0=t0t1tk=t. Definiujemy wówczas

VΠ,tM:=i=1kMti-Mti-12.

Będziemy też czasem pisać VΠ,tM zamiast VΠ,tM. Pokażemy, że Mt jest granicą VΠ,tM przy diamΠ0, 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,tMMt w L2Ω dla tT, gdy diamΠ0.

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=t0nt1ntknn=t) będzie ciągiem podziałów 0,t takim, że diamΠn0.

Połóżmy C=supsTMs. Liczymy

Mt2=k=1knMtkn-Mtk-1n2
=kMtkn-Mtk-1n2+2k<jMtkn-Mtk-1nMtjn-Mtj-1n
=VΠn,tM+2j(Mtjn-Mtj-1n)Mtj-1n=VΠn,tM+2Nn(t).

Niech

Xns:=j=1knMtj-1nItj-1n,tjnE,

wówczas Nnt=0tXnsdMs. Z ciągłości M dostajemy XnsMs dla wszystkich st. Ponadto XnC, stąd Xn-M24C2 i na mocy twierdzenia Lebesgue'a o zbieżności zmajoryzowanej,

E0tXn-M2dMs0.

Zatem XnM w Lt2M, czyli NnMdM w Mt2,c, to znaczy Nnt0tMsdMs w L2Ω. Wykazaliśmy zatem, iż

VΠn,tM=Mt2-2NntMt2-2MdM w L2Ω.

Proces Y:=M2-2MdM jest ciągły, Y0=0 oraz M2-Y=2MdM 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

YsL2VΠn,sMVΠn,tML2Yt,

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=2MdM+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 PAk=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 kl mamy ηlIAk=ηk p.n., gdyż pewien podciąg ξnsIAlηl p.n., a zatem ξnsIAl=ξnsIAlIAkηlIAk p.n. (czyli również wg P). Stąd istnieje zmienna losowa η taka, że ηIAk=ηk p.n..

Zauważmy, że PAkcε/2 dla dużego k oraz przy ustalonym k, PξnIAk-ηkεε/2 dla dużych n, stąd

Pξn-ηεPAkc+PξnIAk-ηIAkεε

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 ξn0, ξnξ według P oraz dla wszystkich n, Eξn=Eξ<. Wówczas ξnξ w L1.

Mamy

Eξ-ξn=E(|ξ-ξn|-(ξ-ξn))=2E(ξ-ξn)I{ξξn}
ε2+2E(ξ-ξn)I{ξξn+ε4}ε2+2EξI{ξξn+ε4}.

Na mocy zbieżności według prawdopodobieństwa, limnPξξn+ε/4=0. Ponadto Eξ=Eξ<, zatem ξ jest jednostajnie całkowalna , czyli EξIAε/2 dla odpowiednio małego PA. Stąd EξI{ξξn+ε/4}ε/2 dla dużych n, a więc Eξ-ξnε.

Twierdzenie 11.2

Załóżmy, że MMT2,c, wówczas dla t<T, VΠ,tMMt w L1Ω, gdy diamΠ0.

Jak poprzednio możemy zakładać, że M0=0. Ustalmy ciąg podziałów Πn taki, że diamΠn0.

Istnieje ciąg momentów zatrzymania τkT taki, że Mτk jest jednostajnie ograniczony (np. τk=inft:Mtk). Na mocy Twierdzenia 11.1, dla ustalonego k, mamy przy n,

VΠn,tMτkL2Mτkt=Mtτk.

Stąd

I{tτk}VΠn,tM=I{tτk}VΠn,tMτkL2I{tτk}Mtτk=I{tτk}Mt.

Zbieżność w L2 implikuje zbieżność według prawdopodobieństwa, zatem możemy stosować Lemat 11.1 do ξn=VΠn,tM i Ak={tτk}, by otrzymać VΠn,tMMt według P. Mamy jednak

EMt=EMt2=EVΠn,tM+2jMtj-1nMtjn-Mtj-1n=EVΠn,tM,

a zatem na mocy Lematu 11.2, VΠn,tMMt w L1.

Dla martyngałów lokalnych zachodzi zbliżone twierdzenie, tylko zbieżność w L1 musimy zastąpić zbieżnością według prawdopodobieństwa.

Wniosek 11.1

Załóżmy, że MMlocc, wówczas dla t<T, VΠ,tMMt według prawdopodobieństwa, gdy diamΠ0.

Bez straty ogólności możemy założyć, że M0=0, wówczas MMloc2,c. Niech Πn będą podziałami 0,t o średnicy zbieżnej do zera oraz τkT takie, że MτkM2,c. Na podstawie Twierdzenia 11.2 otrzymujemy, że dla ustalonego k,

VΠn,tMτkL1Mτk=Mτk.

Stąd

VΠn,tMI{τkt}=VΠn,tMτkI{τkt}L1MτkI{τkt}=MI{τkt}.

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

M,N=14M+N-M-N.
Stwierdzenie 11.1

a) Załóżmy, że M,NMT2,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,NMlocc, 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=t0nt1ntknn=t oraz diamΠn0.
a) Jeśli M,NMT2,c, to dla t<T,

k=0kn-1Mtk+1n-MtknNtk+1n-NtknM,Nt w L1Ω.

b) Jeśli M,NMloc2,c, to dla t<T,

k=0kn-1Mtk+1n-MtknNtk+1n-NtknM,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,MM,N jest przekształceniem dwuliniowym,
e) Mτ,Nτ=Mτ,N=M,Nτ=M,Nτ dla każdego momentu zatrzymania τ,
f) jeśli XΛT2M oraz YΛT2N, 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 XLT2M oraz YLT2M 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,NMN
b) Wahs,tM,N12Mt-Ms+Nt-Ns.

Ćwiczenie 11.3

Uzupełnij dowód Stwierdzenia 11.3.

Ćwiczenie 11.4

Wykaż, że dla dowolnego procesu MMlocc, XΛ2TM oraz momentu zatrzymania τT,

Esupt<τ0tXdM24E0τXs2dMs.
Ćwiczenie 11.5

Załóżmy, że MMlocc, M0=0 oraz τ jest momentem zatrzymania takim, że EMτ<. Wykaż, że Mτ jest martyngałem.

Ćwiczenie 11.6

Określamy

Snα=k=n3n-1k/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 α2?

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.