15.1. Przypadek dyskretny
Załóżmy, że zmienne Z1,Z2,…,Zn są niezależne i mają standardowy rozkład normalny
N0,1. Wprowadźmy nową miarę Q na Ω,F wzorem
dQ=exp∑i=1nμiZi-12∑i=1nμi2dP, tzn.
|
QA=∫Aexp∑i=1nμiZiω-12∑i=1nμi2dPω dla A∈F. |
|
Zauważmy, że
|
QΩ=Eexp∑i=1nμiZi-12∑i=1nμi2=∏i=1nEexpμiZi-12μi2=1, |
|
więc Q jest miarą probabilistyczną na Ω,F. Ponadto dla
dowolnego zbioru Γ∈BRn,
|
Q | ((Z1,…,Zn)∈Γ)=Eexp(∑i=1nμiZi-12∑i=1nμi2)I{(Z1,…,Zn)∈Γ} |
|
|
| =12πn/2∫Γexp∑i=1nμizi-12∑i=1nμi2exp-12∑i=1nzi2dz1…dzn |
|
|
| =12πn/2∫Γexp-12∑i=1nzi-μi2dz1…dzn. |
|
Zatem względem miary Q zmienne Zi-μi są niezależne oraz mają rozkład
N0,1.
Definiując Sk=Z1+…+Zk widzimy, że względem Q zmienne
Sk-∑i=1kμik≤n
są sumami niezależnych standardowych zmiennych normalnych (czyli mają ten sam rozkład co
Skk względem P). Podczas dalszej części wykładu pokażemy, że
można podobny fakt sformułować w przypadku ciągłym, gdy Sk zastąpimy procesem Wienera,
a sumy ∑i=1kμi całką ∫0tYsds.
15.2. Twierdzenie Girsanowa dla procesu Wienera
Załóżmy, że T<∞, proces Y=Ytt<T jest prognozowalny oraz ∫0TYt2<∞ p.n.,
wówczas Y∈ΛT2, proces Mt=∫YdW jest martyngałem
lokalnym na 0,T oraz M=∫Y2dt. Co więcej można też określić wartość
M i Z w punkcie T.
Zatem jak wiemy (zob. Stwierdzenie 14.1) proces
|
Zt:=expMt-12Mt=exp∫0tYsdWs-12∫0tYs2ds |
|
jest martyngałem lokalnym na 0,T.
Lemat 15.1
Jeśli M jest ciągłym martyngałem lokalnym na 0,T, to proces
Zt=expMt-12Mt jest martyngałem na przedziale skończonym 0,T
wtedy i tylko wtedy, gdy EZT=1.
Implikacja ”⇒” jest oczywista, bo EZT=EZ0=1. Wystarczy więc udowodnić
”⇐”.
Wiemy, że Z jest nieujemnym martyngałem lokalnym, zatem jest nadmartyngałem
(Stwierdzenie 9.6). Ustalmy t∈0,T,
wówczas Zt≥E(ZT|Ft) p.n..
Ponadto 1=EZ0≥EZt≥EZT, czyli, jeśli
EZT=1, to EZt=1 i
|
E(Zt-E(ZT|Ft))=EZt-EZT=0, |
|
a więc Zt=E(ZT|Ft) p.n..
∎
Twierdzenie 15.1
Załóżmy, że T<∞, proces Y jest prognozowalny oraz
∫0TYs2ds<∞ p.n.. Niech Zt=exp∫0tYsdWs-12∫0tYs2ds,
wówczas, jeśli EZT=1 (czyli Z jest martyngałem na 0,T), to proces
jest procesem Wienera na zmodyfikowanej przestrzeni
propabilistycznej
Ω,F,QT, gdzie dQT=ZTdP, tzn.
Zmienna ZT jest nieujemna i EZT=1, więc QT jest miarą
probabilistyczną.
Zauważmy też, że jeśli PA=0, to QTA=0, czyli zdarzenia,
które zachodzą P prawie
na pewno, zachodzą też QT prawie na pewno.
Proces
V jest ciągły, adaptowalny względem Ft oraz V0=0.
Wystarczy zatem, na mocy Twierdzenia 13.5 wykazać, że
dla λ∈R, proces Ut=Utλ:=expλVt-12λ2t jest
martyngałem lokalnym względem QT. Zauważmy, że
|
UtZt | =expλVt-12λ2texp∫0tYsdWs-12∫0tYs2ds |
|
|
| =expλWt+∫0tYsdWs-12∫0t2λYs+λ2+Ys2ds |
|
|
| =exp(∫0t(λ+Ys)dWs-12∫0t(λ+Ys)2ds)=exp(Nt-12〈N〉t), |
|
gdzie N=∫λ+YdW∈Mlocc. Zatem proces UZ jest martyngałem
lokalnym
względem P, czyli istnieją τn↗T takie, że UτnZτn jest
martyngałem. Ustalmy n, wtedy dla dowolnego ograniczonego momentu zatrzymania τ,
|
EQTU0 | =E(U0ZT)=E(U0E(ZT|F0))=E(U0Z0)=E(Uτn∧τZτn∧τ) |
|
|
| =E(Uτn∧τE(ZT|Fτn∧τ)=E(Uτn∧τZT)=EQTUτn∧τ, |
|
zatem z twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Dooba wynika, że Uτn jest
martyngałem względem QT, czyli U jest QT-martyngałem lokalnym.
∎
W pewnych zastosowaniach wygodnie jest mieć miarę względem której proces W-∫Yds jest
procesem Wienera na całej półprostej 0,∞.
Twierdzenie 15.2
Załóżmy, że Y∈Λ∞2, zaś proces Zt i miary QT
dla T<∞ są określone jak
poprzednio. Wówczas, jeśli EZt=1 dla wszystkich t (czyli Z jest martyngałem
na 0,∞), to istnieje dokładnie jedna miara probabilistyczna Q na
Ω,F∞W taka, że QA=QTA dla A∈FTW
i T<∞. Proces V=W-∫Yds jest względem Q procesem Wienera na 0,∞.
Szkic Dowodu.
Na zbiorach postaci A={(Wt1,Wt2,…,Wtk)∈Γ},
0≤t1≤t2≤…≤tk≤T, Γ∈BRk kładziemy
Q(A);=QT(A). Otrzymujemy w ten sposób zgodną rodzinę miar
probabilistycznych, która na
mocy twierdzenia Kołmogorowa przedłuża się w spośób jednoznaczny do miary Q na
F∞W.
∎
Uwaga 15.1
O ile miara QT jest absolutnie ciągła względem P
(tzn. QTA=0, jeśli PA=0),
to miara Q zadana przez ostatnie twierdzenie taka być nie musi. Istotnie
określmy Yt≡μ≠0, czyli Vt=Wt-μt. Niech
|
| A:=ω:lim sup1tWtω=0, |
|
|
| B:=ω:lim sup1tVtω=0=ω:lim sup1tWtω=μ. |
|
Wówczas z mocnego prawa wielkich liczb dla proceseu Wienera PA=1 oraz
PB=0,
z drugiej strony QB=1, zatem miary P i Q są wzajemnie
singularne na
F∞W, mimo, że po odbcięciu do FTW dla T<∞ są
względem siebie absolutnie ciągłe. Można pokazać, że albsolutna ciągłość Q
względem P wiąże się
z jednostajną całkowalnością martyngału Z.
Naturalne jest pytanie kiedy spełnione są założenia twierdzenia Girsanowa, czyli kiedy
Z jest martyngałem. Użyteczne jest następujące kryterium.
Twierdzenie 15.3 (Kryterium Nowikowa)
Jeśli Y jest procesem prognozowalnym spełniającym warunek
Eexp12∫0TYs2ds<∞, to
spełnione są założenia twierdzenia Girsanowa, tzn. proces
Z=exp∫YdW-12∫Y2dt jest martyngałem na 0,T.
Kryterium Nowikowa jest konsekwencją silniejszego twierdzenia, które przedstawimy bez dowodu.
Twierdzenie 15.4
Załóżmy, że M jest ciągłym martyngałem lokalnym takim, że dla wszystkich t,
Eexp12Mt<∞. Niech
Zt=expMt-12M,
wówczas EZt=1 dla wszystkich t, czyli Z jest martyngałem.
Twierdzenie Girsanowa można sformułować też w przypadku wielowymiarowym.
Twierdzenie 15.5
Załóżmy, że Y=Y1,…,Yd proces d-wymiarowy taki, że Yj∈ΛT2
oraz T<∞. Niech W=W1,…,Wd będzie d-wymiarowym procesem Wienera oraz
|
Zt=exp∑i=1d∫YsidWti-12∫0tYs2ds. |
|
Wówczas, jeśli EZT=1 (czyli Zt jest martyngałem na 0,T), to proces
|
Vt=Wt-∫0tYsds=Wt1-∫0tY1ds,…,Wtd-∫0tYsdds |
|
jest procesem Wienera na 0,T względem miary probabilistycznej Qt takiej, że
dQT=ZTdP.
Kryterium Nowikowa w przypadku d-wymiarowym ma postać
Twierdzenie 15.6
Jeśli Y jest d-wymiarowym procesem prognozowalnym spełniającym warunek
Eexp12∫0TYs2ds<∞, to
spełnione są założenia twierdzenia Girsanowa.
15.3. Zadania
Ćwiczenie 15.1
Znajdź taką miarę probabilistyczną Q na Ω,F≤1W, by proces
Wt+2t40≤t≤1 był procesem Wienera
względem Q.
Ćwiczenie 15.2
Niech T<∞, U będzie procesem Wienera na Ω,F,P,
|
Zt=exp∫0tbs,UsdUs-12∫0tb2s,Usds,Wt:=Ut-∫0tbs,Usds. |
|
Stosując twierdzenie Girsanowa wykaż,
że jeśli EZT=1, to istnieje miara probabilistyczna QT taka, że
na przestrzeni probabilistycznej Ω,F,QT,
Wt0≤t≤T jest procesem Wienera oraz
|
dUt=bt,Utdt+dWt, 0≤t≤T,U0=0. |
|
Ćwiczenie 15.3
Niech μ oznacza miarę Wienera na C0,1 (tzn. rozkład wyznaczony
przez proces Wienera na 0,1). Dla h∈C0,1 określamy nową miarę
μh wzorem μhA:=μh+A. Wykaż, że
a) jeśli ht=∫0tgsds dla 0≤t≤1 oraz
g∈L20,1, to miara μh jest absolutnie ciągła względem μ
oraz znajdź jej gęstość,
b*) jeśli h nie ma powyższej postaci, to miary μ i μh są wzajemnie
singularne.