Zagadnienia

4. Filtracje, momenty zatrzymania

Pokażemy jak zmodyfikować definicje omawiane podczas kursowego wykładu z rachunku prawdopodobieństwa z przypadku czasu dyskretnego na czas ciągły.

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

FiltracjąFttT przestrzeni probabilistycznej Ω,F,P nazywamy rosnącą rodzinę σ-ciał zawartych w F, tzn. FtFsF dla ts,t,sT.

Zdarzenia z σ-ciała Ft możemy interpretować jako zdarzenia obserwowalne do chwili t.

Definicja 4.2

Niech X=XttT będzie procesem stochastycznym. Filtracją generowaną przez X nazywamy rodzinę FtXtT daną wzorem FtX=σ(Xs:st).

Stwierdzenie 4.1

Proces Xt ma przyrosty niezależne wtedy i tylko wtedy, gdy dla dowolnych t<s, t,sT 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 Xt1A1,,XtnAn dla t1<<tnt, który generuje σ-ciało FtX. Zatem, na mocy twierdzenia o π- i λ-układach, AFtX.

: Ustalmy t1<<tn oraz zbiory borelowskie A1,,An. Zdarzenie Xt1A1,Xt2-Xt1A2,,Xtn-1-Xtn-2An-1 należy do σ-ciała Ftn-1X, więc jest niezależne od zmiennej Xtn-Xtn-1. Stąd

P(Xt1A1,Xt2-Xt1A2,,Xtn-Xtn-1An)
=P(Xt1A1,,Xtn-1-Xtn-2An-1)P(Xtn-Xtn-1An).

Iterując to rozumowanie pokazujemy, że

P(Xt1A1,Xt2-Xt1A2,,Xtn-Xtn-1An)
=P(Xt1A1)P(Xt2-Xt1A2,)P(Xtn-Xtn-1An).
Definicja 4.3

Proces X=Xt nazywamy zgodnym z filtracją FttT, Ft-adaptowalnym lub adaptowanym do filtracji FttT, jeśli dla wszystkich tT, Xt jest Ft mierzalne.

Uwaga 4.1

Oczywiście proces X jest zgodny z filtracją FttT wtedy i tylko wtedy, gdy FtXFt dla tT. 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 FttT nazywamy zmienną losową o wartościach w T taką, że {τt}Ft dla wszystkich tT.

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 AR i procesu stochastycznego XttT określmy

τA=inftT:XtA.
Stwierdzenie 4.2

Jeśli XttT jest Ft-adaptowalnym procesem o ciągłych trajektoriach, zaś A zbiorem domkniętym, to τA jest momentem zatrzymania względem filtracji Ft.

Niech T0T będzie gęstym podzbiorem T zawierającym lewy koniec. Z domkniętości zbioru A i ciągłości X dostajemy dla tT,

{τAt}={stXsA}=n=1st,sT0{XsA1/n}Ft,

gdzie

Aε:=xRn: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 FttT, ale musi być momentem zatrzymania względem filtracji Ft+tT, gdzie dla t<supT

Ft+:=s>tFs,

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 FttT nazywamy prawostronnie ciągłą, jeśli Ft+=Ft dla wszystkich tT. Mówimy, że filtracja FttT spełnia zwykłe warunki, jeśli
a) jest prawostronnie ciągła,
b) dla wszystkich t, Ft zawiera wszystkie zbiory miary zero, tzn. jeśli AF, PA=0, to AFt.

Definicja 4.6

Niech τ będzie momentem zatrzymania względem filtracji FttT. Definiujemy σ-ciało zdarzeń obserwowalnych do chwili τ wzorem

Fτ:=AF:=σtTFt:tTAτtFt.
Stwierdzenie 4.3

a) Zbiór Fτ jest σ-ciałem.
b) Jeśli τσ, to FτFσ.
c) Zmienna losowa τ jest Fτ mierzalna.

a) Zbiór ΩFτ, bo Ω{τt}={τt}Ft. Jeśli AFτ, to A{τt}={τt}(A{τt})Ft, czyli AFτ. Jeśli AnFτ, to nAnτt=nAnτtFt, zatem nAnFτ.

b) Weźmy AFτ, wówczas dla tT, A{σt}=A{τt}{σt}Ft, czyli AFσ.

c) Wystarczy pokazać, że {τs}Fτ, ale {τs}{τt}={τst}FstFt.

Stwierdzenie 4.4

Załóżmy, że τ i σ są momentami zatrzymania. Wówczas Fτσ=FτFσ oraz zdarzenia {τ<σ},{σ<τ},{τσ},{στ},{τ=σ} należą do Fτσ.

Zauważmy, że τσ jest momentem zatrzymania oraz τστ i τσσ, zatem na mocy Stwierdzenia 4.3 dostajemy FτσFτFσ. Na odwrót, jeśli AFτFσ, to A{τσt}=A({τt}{σt})=(A{τt})(A{σt})Ft, czyli AFτσ. 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=XttT nazywamy progresywnie mierzalnym względem filtracji FttT, jeśli dla każdego tT, funkcja s,ωXsω traktowana jako funkcja ze zbioru T-,t×Ω w R jest mierzalna względem σ-algebry BT-,tFt. Równoważnie

tTABRs,ωT×Ω:st,XsωABT-,tFt.
Stwierdzenie 4.5

Załóżmy, że T jest przedziałem oraz dany jest proces X=XttT oraz filtracja FttT.
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:XtωA jest przekrojem zbioru s,ωT×Ω:st,XsωA, a zatem należy do Ft.

b) Ustalmy tT i połóżmy dla sT, st, Xsn:=Xt-2-nk, gdzie k jest liczbą całkowitą taką, że t-2-nk+1<st-2-nk. Wówczas

{(s,ω)T×Ω:st,Xsn(ω)A}
=k=0Tt-k+12n,t-k2n×ω:Xt-k2nωA
BT-,tFt.

Zatem funkcja Xsnω,sT-,t,ωΩ jest BT-,tFt mierzalna. Wobec prawostronnej ciągłości X mamy Xsω=limnXsnω, więc funkcja Xsω,sT-,t,ωΩ jest BT-,tFt mierzalna jako granica funkcji mierzalnych.

Jeśli τ jest momentem zatrzymania, a X=XttT 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 ωA:XwBG dla dowolnego zbioru borelowskiego B.

Przed sformułowaniem kolejnego stwierdzenia wprowadzimy jeszcze jedną użyteczną definicję.

Definicja 4.9

Jeśli X=XttT jest procesem stochastycznym, a τ zmienną o wartościach w T, to definujemy Xτ=XtτtTproces X zatrzymany w czasie τ wzorem Xtτ=Xτt.

Stwierdzenie 4.6

Załóżmy, że X=XttT jest procesem progresywnie mierzalnym względem filtracji FttT, 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,ωτωs,ω:T-,t×ΩT-,t×Ω

jest mierzalne względem σ-ciała B(T(-,t])Ft). Jeśli złożymy je z odwzorowaniem

s,ωXsω mierzalnym z T-,t×Ω,BT-,tFt w R,

to otrzymamy odwzorowanie

s,ωXτωsω mierzalne z T-,t×Ω,BT-,tFt w R.

Stąd wynika progresywna mierzalność procesu Xτ. By zakończyć dowód zauważmy, że

{XτA}{τt}={XτtA}{τt}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-:=σs<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,,AF 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:XtA jest momentem zatrzymania względem Ft+.

Ćwiczenie 4.5

Wykaż, że jeśli τ i σ są momentami zatrzymania, to zdarzenia {τ<σ},{τ=σ} i τσ należą do Fτ, Fσ i Fτσ.

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 FttT, 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, τσ 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 st zmienna Xs-Xt jest niezależna od Ft+X.

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.