Będziemy zakładać, że T jest lewostronnie domkniętym przedziałem (typowo T=0,∞),
choć większość definicji i wyników można uogólnić na szerszą klasę zbiorów.
4.1. Filtracje z czasem ciągłym
Definicja 4.1
FiltracjąFtt∈T przestrzeni probabilistycznej
Ω,F,P
nazywamy rosnącą rodzinę σ-ciał zawartych w F,
tzn. Ft⊂Fs⊂F
dla t≤s,t,s∈T.
Zdarzenia z σ-ciała Ft możemy interpretować jako zdarzenia obserwowalne do
chwili t.
Definicja 4.2
Niech X=Xtt∈T będzie procesem stochastycznym. Filtracją generowaną przez
X nazywamy rodzinę FtXt∈T daną wzorem
FtX=σ(Xs:s≤t).
Stwierdzenie 4.1
Proces Xt ma przyrosty niezależne wtedy i tylko wtedy, gdy dla dowolnych t<s, t,s∈T
przyrost Xs-Xt jest niezależny od σ-ciała FtX.
⇒: Rodzina A zdarzeń niezależnych od Xs-Xt tworzy
λ-układ, ponadto,
z niezależności przyrostów X, zawiera π-układ zdarzeń postaci
Xt1∈A1,…,Xtn∈An dla t1<…<tn≤t, który generuje σ-ciało
FtX. Zatem, na mocy twierdzenia o π- i λ-układach,
A⊃FtX.
⇐: Ustalmy t1<…<tn oraz zbiory borelowskie A1,…,An. Zdarzenie
Xt1∈A1,Xt2-Xt1∈A2,…,Xtn-1-Xtn-2∈An-1 należy
do σ-ciała Ftn-1X, więc jest niezależne od zmiennej Xtn-Xtn-1.
Stąd
|
P( | Xt1∈A1,Xt2-Xt1∈A2,…,Xtn-Xtn-1∈An) |
|
|
| =P(Xt1∈A1,…,Xtn-1-Xtn-2∈An-1)P(Xtn-Xtn-1∈An). |
|
Iterując to rozumowanie pokazujemy, że
|
P(Xt1∈ | A1,Xt2-Xt1∈A2,…,Xtn-Xtn-1∈An) |
|
|
| =P(Xt1∈A1)P(Xt2-Xt1∈A2,)⋯P(Xtn-Xtn-1∈An). |
|
∎
Definicja 4.3
Proces X=Xt nazywamy zgodnym z filtracją Ftt∈T,
Ft-adaptowalnym lub adaptowanym do filtracji Ftt∈T,
jeśli dla wszystkich t∈T, Xt jest Ft mierzalne.
Uwaga 4.1
Oczywiście proces X jest zgodny z filtracją Ftt∈T wtedy i tylko wtedy, gdy
FtX⊂Ft dla t∈T. W szczególności
każdy proces X jest zgodny z filtracją przez siebie generowaną.
4.2. Momenty zatrzymania
Definicja 4.4
Momentem zatrzymania (momentem Markowa, czasem zatrzymania) względem filtracji
Ftt∈T nazywamy zmienną losową o wartościach w T∪∞ taką, że
{τ≤t}∈Ft dla wszystkich t∈T.
Moment zatrzymania to strategia przerwania eksperymentu losowego (np.
zakończenia udziału w pewnej grze losowej) taka, że decyzję o przerwaniu do chwili t podejmujemy
tylko na podstawie obserwacji dostępnych w tym czasie.
Dla zbioru A⊂R i procesu stochastycznego Xtt∈T określmy
Stwierdzenie 4.2
Jeśli Xtt∈T jest Ft-adaptowalnym procesem o ciągłych trajektoriach, zaś
A zbiorem domkniętym, to
τA jest momentem zatrzymania względem filtracji Ft.
Niech T0⊂T będzie gęstym podzbiorem T zawierającym lewy
koniec. Z domkniętości zbioru A i ciągłości X dostajemy dla t∈T,
|
{τA≤t}={∃s≤tXs∈A}=⋂n=1∞⋃s≤t,s∈T0{Xs∈A1/n}∈Ft, |
|
gdzie
|
Aε:=x∈Rn:dx,A<ε (ε-otoczka zbioru A). |
|
∎
Uwaga 4.2
Jeśli w powyższym przykładzie A będzie zbiorem otwartym, to τA nie musi być
momentem zatrzymania względem filtracji Ftt∈T, ale musi być momentem
zatrzymania względem filtracji Ft+t∈T, gdzie dla t<supT
a jeśli t jest największym elementem T, to kładziemy Ft+=Ft.
Powyższa uwaga motywuje poniższą definicję, która ma nieco techniczny charakter, ale
jest powszechnie używana w teorii procesów.
Definicja 4.5
Filtrację Ftt∈T nazywamy prawostronnie ciągłą, jeśli
Ft+=Ft dla wszystkich t∈T. Mówimy, że filtracja
Ftt∈T spełnia zwykłe warunki, jeśli
a) jest prawostronnie ciągła,
b) dla wszystkich t, Ft zawiera wszystkie zbiory miary zero, tzn.
jeśli A∈F, PA=0, to A∈Ft.
Definicja 4.6
Niech τ będzie momentem zatrzymania względem filtracji Ftt∈T.
Definiujemy σ-ciało zdarzeń obserwowalnych do chwili τ wzorem
|
Fτ:=A∈F∞:=σ⋃t∈TFt:∀t∈TA∩τ≤t∈Ft. |
|
Stwierdzenie 4.3
a) Zbiór Fτ jest σ-ciałem.
b) Jeśli τ≤σ, to Fτ⊂Fσ.
c) Zmienna losowa τ jest Fτ mierzalna.
a) Zbiór Ω∈Fτ, bo Ω∩{τ≤t}={τ≤t}∈Ft. Jeśli
A∈Fτ, to A′∩{τ≤t}={τ≤t}∖(A∩{τ≤t})∈Ft, czyli A′∈Fτ. Jeśli An∈Fτ, to
⋃nAn∩τ≤t=⋃nAn∩τ≤t∈Ft,
zatem ⋃nAn∈Fτ.
b) Weźmy A∈Fτ, wówczas dla t∈T, A∩{σ≤t}=A∩{τ≤t}∩{σ≤t}∈Ft, czyli A∈Fσ.
c) Wystarczy pokazać, że {τ≤s}∈Fτ, ale
{τ≤s}∩{τ≤t}={τ≤s∧t}∈Fs∧t⊂Ft.
∎
Stwierdzenie 4.4
Załóżmy, że τ i σ są momentami zatrzymania. Wówczas Fτ∧σ=Fτ∩Fσ oraz zdarzenia {τ<σ},{σ<τ},{τ≤σ},{σ≤τ},{τ=σ} należą do Fτ∧σ.
Zauważmy, że τ∧σ jest momentem zatrzymania oraz
τ∧σ≤τ i τ∧σ≤σ, zatem na mocy
Stwierdzenia 4.3 dostajemy Fτ∧σ⊂Fτ∩Fσ. Na odwrót, jeśli A∈Fτ∩Fσ, to
A∩{τ∧σ≤t}=A∩({τ≤t}∪{σ≤t})=(A∩{τ≤t})∪(A∩{σ≤t})∈Ft, czyli
A∈Fτ∧σ. Dalszą część stwierdzenia pozostawiamy do samodzielnego udowodnienia w ramach prostego ćwiczenia.
∎
4.3. Progresywna mierzalność
Okazuje się, że adaptowalność procesu nie gwarantuje np. mierzalności zmiennych Xτ
dla wszystkich momentów zatrzymania τ. Dlatego wprowadzimy jeszcze jedną techniczną
definicję.
Definicja 4.7
Proces X=Xtt∈T nazywamy progresywnie mierzalnym względem filtracji
Ftt∈T, jeśli dla każdego t∈T, funkcja s,ω→Xsω
traktowana jako funkcja ze zbioru T∩-∞,t×Ω w R jest mierzalna
względem σ-algebry BT∩-∞,t⊗Ft. Równoważnie
|
∀t∈T∀A∈BRs,ω∈T×Ω:s≤t,Xsω∈A∈BT∩-∞,t⊗Ft. |
|
Stwierdzenie 4.5
Załóżmy, że T jest przedziałem oraz dany jest proces X=Xtt∈T oraz
filtracja Ftt∈T.
a) Jeśli proces X jest progresywnie mierzalny względem Ft, to
jest Ft-adaptowalny.
b) Jeśli proces X jest Ft-adaptowalny oraz ma prawostronnie ciągłe trajektorie,
to jest progresywnie mierzalny względem Ft.
a) Zbiór ω:Xtω∈A jest przekrojem zbioru
s,ω∈T×Ω:s≤t,Xsω∈A, a zatem należy do Ft.
b) Ustalmy t∈T i połóżmy dla s∈T, s≤t, Xsn:=Xt-2-nk, gdzie
k jest liczbą całkowitą taką, że t-2-nk+1<s≤t-2-nk. Wówczas
|
{(s,ω)∈T×Ω: | s≤t,Xsn(ω)∈A} |
|
|
| =⋃k=0∞T∩t-k+12n,t-k2n×ω:Xt-k2nω∈A |
|
|
| ∈BT∩-∞,t⊗Ft. |
|
Zatem funkcja Xsnω,s∈T∩-∞,t,ω∈Ω jest
BT∩-∞,t⊗Ft mierzalna. Wobec prawostronnej ciągłości X mamy
Xsω=limn→∞Xsnω, więc funkcja
Xsω,s∈T∩-∞,t,ω∈Ω jest
BT∩-∞,t⊗Ft mierzalna jako granica funkcji mierzalnych.
∎
Jeśli τ jest momentem zatrzymania, a X=Xtt∈T procesem, to zmienna Xτ
jest dobrze zdefiniowana tylko na zbiorze τ<∞. Musimy zatem określić co mamy
na myśli mówiąc, że zmienna Xτ jest mierzalna.
Definicja 4.8
Mówimy, że zmienna losowa X określona na zbiorze A jest mierzalna względem σ-ciała
G zawierającego A, jeśli ω∈A:Xw∈B∈G dla
dowolnego zbioru borelowskiego B.
Przed sformułowaniem kolejnego stwierdzenia wprowadzimy jeszcze jedną użyteczną definicję.
Definicja 4.9
Jeśli X=Xtt∈T jest procesem stochastycznym, a τ zmienną o wartościach w
T∪∞, to definujemy Xτ=Xtτt∈T – proces X zatrzymany
w czasie τ wzorem Xtτ=Xτ∧t.
Stwierdzenie 4.6
Załóżmy, że X=Xtt∈T jest procesem progresywnie mierzalnym względem filtracji
Ftt∈T, a τ jest momentem zatrzymania. Wówczas zmienna losowa
Xτ określona na zbiorze {τ<∞}∈Fτ jest Fτ
mierzalna. Ponadto Xτ – proces X zatrzymany w chwili τ
jest progresywnie mierzalny.
Odwzorowanie
|
s,ω→τω∧s,ω:T∩-∞,t×Ω→T∩-∞,t×Ω |
|
jest mierzalne względem σ-ciała B(T∩(-∞,t])⊗Ft).
Jeśli złożymy je z odwzorowaniem
|
s,ω→Xsω mierzalnym z T∩-∞,t×Ω,BT∩-∞,t⊗Ft w R, |
|
to otrzymamy odwzorowanie
|
s,ω→Xτω∧sω mierzalne z T∩-∞,t×Ω,BT∩-∞,t⊗Ft w R. |
|
Stąd wynika progresywna mierzalność procesu Xτ. By zakończyć dowód zauważmy, że
|
{Xτ∈A}∩{τ≤t}={Xτ∧t∈A}∩{τ≤t}∈Ft |
|
na mocy progresywnej mierzalności (a właściwie adaptowalności) Xτ.
∎
4.4. Zadania
Ćwiczenie 4.1
Załóżmy, że T jest przedziałem i określmy:
|
Ft+:=⋂s>tFs,Ft-:=σ⋃s<tFs. |
|
a) Wykaż, że filtracja Ft+ jest prawostronnie ciągła, tzn. Ft+A+=Ft+.
b) Udowodnij, że jeśli Ft=FtX jest filtracją generowaną przez
proces X o lewostronnie ciągłych trajektoriach, to Ft-=Ft.
c) Niech T=0,∞,A∈F oraz Xt=t-1+IA. Znajdź FtX.
d) Dla X jak w punkcie c) określmy τ:=inft:Xt>0. Wykaż, że τ
nie jest momentem zatrzymania względem FtX ale jest momentem zatrzymania
względem Ft+X.
Ćwiczenie 4.2
Załóżmy, że T jest przedziałem, wykaż, że:
a) jeśli τ jest momentem zatrzymania, to {τ<t}∈Ft dla wszystkich t;
b) jeśli {τ<t}∈Ft dla wszystkich t, to τ jest momentem zatrzymania
względem Ft+.
Ćwiczenie 4.3
Niech T=0,∞, a τ będzie momentem zatrzymania, które ze zmiennych
τ+1,τ2,τ-1 muszą być momentami zatrzymania?
Ćwiczenie 4.4
Niech T=0,∞, a Xt procesem Ft-adaptowalnym o ciągłych
trajektoriach. Wykaż, że dla A otwartego τA:=inft:Xt∈A
jest momentem zatrzymania względem Ft+.
Ćwiczenie 4.5
Wykaż, że jeśli τ i σ są momentami zatrzymania, to zdarzenia
{τ<σ},{τ=σ} i τ≤σ należą do
Fτ, Fσ i Fτ∧σ.
Ćwiczenie 4.6
Wykaż, że jeśli τ jest momentem zatrzymania, to proces Xt:=I0,τt
jest progresywnie mierzalny.
Ćwiczenie 4.7
Niech τ będzie momentem zatrzymania względem Ftt∈T,
a Xt będzie procesem Ft-adaptowalnym. Wykaż, że
a) τ jest Fτ-mierzalne;
b) jeśli τ przyjmuje przeliczalnie wiele wartości, to Xτ jest Fτ
mierzalny na zbiorze τ<∞.
Ćwiczenie 4.8
Wykaż, że jeśli σ jest momentem zatrzymania, τ≥σ oraz
τ jest Fσ mierzalny, to τ jest momentem zatrzymania.
Ćwiczenie 4.9
Wykaż, że jeśli proces Xt ma niezależne przyrosty i prawostronnie ciągłe trajektorie,
to dla s≥t zmienna Xs-Xt jest niezależna od Ft+X.