3.1. Procesy stochastycznie równoważne i nierozróżnialne
Definicja 3.1
Niech X=Xtt∈T oraz Y=Ytt∈T będą dwoma procesami
stochastycznymi, określonymi na tej samej przestrzeni probabilistycznej.
Powiemy, że:
a) X jest modyfikacją Y (lub X jest stochastycznie równoważny
Y), jeśli
b) X i Y są nierozróżnialne, jeśli
Zauważmy, że procesy nierozróżnialne są oczywiście stochastycznie równoważne. Ponadto
dwa procesy stochastycznie równoważne mają ten sam rozkład. Poniższy przykład
pokazuje, że z rozkładu procesu nie można wnioskować o własnościach trajektorii.
Przykład 3.1
Niech Z≥0 będzie dowolną zmienną losową o rozkładzie bezatomowym tzn.
PZ=z=0 dla wszystkich z∈R. Zdefiniujmy dwa procesy na T=0,∞:
|
Xt≡0 oraz Ytω=0 dla t≠Zω,1 dla t=Zω. |
|
Wówczas Y jest modyfikacją X, bo PXt≠Yt=PZ=t=0.
Zauważmy jednak, że wszystkie trajektorie Y są nieciągłe. W szczególności
P∀t≥0Xt=Yt=0, a zatem procesy
X i Y nie są nierozróżnialne.
Stwierdzenie 3.1
Załóżmy, że T jest przedziałem oraz procesy X=Xtt∈T i
Y=Ytt∈T mają prawostronnie ciągłe trajektorie.
Wówczas, jeśli X jest modyfikacją Y, to X i Y są nierozróżnialne.
Wybierzmy przeliczalny podzbiór T0⊂T, gęsty w T,
zawierający dodatkowo supT, jeśli T jest przedziałem prawostronnie domkniętym.
Niech
wówczas PA=1, jako przeliczalne przecięcie zbiorów pełnej miary.
Ponadto, jeśli ω∈A, to dla dowolnego t∈T,
|
Xtω=lims→t+,s∈T0Xsω=lims→t+,s∈T0Ysω=Ytω, |
|
czyli
∎
3.2. Twierdzenie o ciągłej modyfikacji
Najważniejsze twierdzenie tego wykładu podaje kryterium istnienia modyfikacji
procesu, która ma ciągłe trajektorie. Zanim sformułujemy dokładny wynik
przypomnijmy definicję funkcji hölderowskiej.
Definicja 3.2
Funkcja f:a,b→R jest hölderowsko ciągła z wykładnikiem
γ, jeśli dla pewnej stałej C<∞,
|
fs-ft≤Ct-sγ dla wszystkich s,t∈a,b. |
|
Twierdzenie 3.1
Załóżmy, że X=Xtt∈a,b jest procesem takim, że
|
∀t,s∈a,bEXt-Xsα≤Ct-s1+β |
| (3.1) |
dla pewnych stałych dodatnich α,β,C. Wówczas istnieje proces
X~=X~tt∈a,b, będący modyfikacją procesu
X, którego wszystkie trajektorie są ciągłe. Co więcej trajektorie każdej
modyfikacji X o ciągłych trajektoriach są, z prawdopodobieństwem 1,
hölderowsko ciągłe z dowolnym wykładnikiem γ<βα.
Zainteresownych dowodem odsyłamy np. do [4] lub [8].
Wniosek 3.1
Twierdzenie 3.1 jest prawdziwe, gdy przedział a,b zastąpimy
nieskończonym przedziałem, o ile hölderowskość trajektorii zastąpimy
lokalną hölderowskością (tzn. hölderowskością na każdym przedziale
skończonym).
Co więcej, wystarczy, by warunek (3.1) zachodził dla s-t≤δ,
gdzie δ jest ustaloną liczbą dodatnią.
Przedział nieskończony T można zapisać jako przeliczalną sumę przedziałów
an,an+1, długości nie większej od δ.
Z Twierdzenia 3.1
wynika istnienie modyfikacji X~tn procesu X
na przedziale an,an+1, o
ciągłych trajektoriach. Niech
An={X~an+1n≠X~n+1an+1}, wówczas
A=⋃nAn ma miarę zero.
Możemy więc położyć:
|
X~tω=X~tnω dla t∈an,an+1,ω∉A,0 dla ω∈A. |
|
∎
Wniosek 3.2
Istnieje proces Wienera, tzn. proces spełniający warunki (W0)-(W3).
Mamy EWs-Wt4=Et-sW14=s-t2EW14=3s-t2 i możemy zastosować Wniosek 3.1
z β=1, α=4 i C=3.
∎
Wniosek 3.3
Prawie wszystkie trajektorie procesu Wienera są lokalnie hölderowsko ciągłe z dowolnym
parametrem γ<1/2.
Mamy EWs-Wtp=s-tp/2EW1p=Cps-tp/2 dla dowolnego p<∞. Stosując
Twierdzenie 3.1 z β=p/2-1, α=p dostajemy hölderowską ciągłość
trajektorii z dowolnym γ<12-1p. Biorąc p→∞
dostajemy tezę.
∎
Uwaga 3.1
Prawie wszystkie trajektorie procesu Wienera nie są jednostajnie ciągłe na 0,∞,
nie mogą więc być globalnie hölderowskie z żadnym wykładnikiem.
Uwaga 3.2
Założenia β>0 nie można opuścić – wystarczy rozważyć proces Poissona Ntt≥0 (tzn. proces
o prawostronnie ciaglych trajektoriach, startujący z zera,
o przyrostach niezależnych taki, że
Nt-Ns ma rozkład Poissona z parametrem λt-s – zob. np. rozdział 23 w [1]).
Wówczas
ENt-Ns=λt-s, a oczywiście proces Poissona przyjmuje wartości całkowite, więc
nie ma modyfikacji o ciągłych trajektoriach.
3.3. Uwagi i uzupełnienia
W tym wykładzie koncentrowaliśmy uwagę nad procesami o trajektoriach ciągłych. Warto
jednak wspomnieć o innych formach ciągłości procesów stochastycznych.
Definicja 3.3
Niech X=Xtt∈T będzie procesem stochastycznym. Mówimy, że
a) proces X jest stochastycznie ciągły, jeśli
b) proces X jest ciągły wg p-tego momentu (ciągły w Lp), jeśli
Uwaga 3.3
Ciągłość trajektorii oraz ciągłość wg p-tego momentu
implikują ciągłość stochastyczną procesu. Z pozostałych czterech implikacji między powyższymi
pojęciami ciągłości procesu żadna nie jest prawdziwa bez dodatkowych założeń.
3.4. Zadania
Ćwiczenie 3.1
Proces X jest modyfikacją procesu Wienera. Które z następujących
własności są spełnione dla procesu X:
a) niezależność przyrostów,
b) stacjonarność przyrostów,
c) ciągłość trajektorii,
d) limt→∞Xtt=0 p.n.,
e) limt→∞Xtt=0 według prawdopodobieństwa?
Ćwiczenie 3.2
Wykaż, że trajektorie procesu Wienera nie są lokalnie 1/2-hölderowskie.
Ćwiczenie 3.3
Scentrowany proces gaussowski nazywamy ułamkowym ruchem Browna, jeśli
EXt-Xs2=t-s2α (można wykazać, że
taki proces istnieje dla 0<α<1).
Udowodnij, że ułamkowy ruch Browna ma ciągłą modyfikację. Co można powiedzieć
o hölderowskości jej trajektorii?
Ćwiczenie 3.4
Udowodnij tezę Uwagi 3.3.