Podczas pierwszego wykładu określimy czym jest proces stochastyczny oraz zdefiniujemy proces Wienera – najważniejszy przykład procesu o ciągłych trajektoriach.
Zaczniemy od podania ważnych definicji używanych podczas całego wykładu.
Niech będzie przestrzenią probabilistyczną, przestrzenią mierzalną, zaś dowolnym zbiorem. Procesem stochastycznym o wartościach w , określonym na zbiorze , nazywamy rodzinę zmiennych losowych , przyjmujących wartości w zbiorze .
W czasie wszystkich dalszych wykładów będzie podzbiorem (najczęściej przedziałem, niekoniecznie ograniczonym), zaś lub . Parametr można wówczas interpretować jako czas.
Trajektorią procesu nazywamy funkcję (losową!) , określoną na zbiorze o wartościach w .
Powiemy, że proces , ma przyrosty niezależne jeśli dla dowolnych indeksów ze zbioru , zmienne losowe są niezależne.
Mówimy, że proces stochastyczny ma przyrosty stacjonarne, jeśli rozkład zależy tylko od , czyli
Procesem Wienera (ruchem Browna) nazywamy proces stochastyczny taki, że
Trajektorie są ciągłe z prawdopodobieństwem 1. |
Warunek (W3) oznacza, że istnieje zbiór taki, że oraz dla wszystkich , jest funkcją ciągłą na . Czasami w definicji procesu Wienera zakłada się, że wszystkie trajektorie są ciągłe oraz .
Najpierw podamy twierdzenie, które znacznie ułatwia sprawdzanie, że dany proces jest procesem Wienera. Musimy wpierw podać ważną definicję.
Proces nazywamy gaussowskim, jeśli wszystkie skończenie wymiarowe rozkłady są gaussowskie, tzn. wektor ma rozkład gaussowski dla dowolnych .
Następujące procesy są procesami gaussowskimi:
, gdzie dowolne oraz ,
proces Wienera ,
most Browna .
Procesy , nie są gaussowskie.
Proces jest procesem Wienera wtedy i tylko wtedy, gdy jest procesem gaussowskim, o ciągłych trajektoriach p.n. takim, że oraz .
: Mamy oraz na mocy (W0) i (W2). Ponadto z niezależności przyrostów, dla , .
: Zauważmy, że , więc spełniony jest warunek (W0). Dla , zmienna ma rozkład normalny ze średnią i wariancją , więc zachodzi (W2). By sprawdzić niezależność przyrostów ustalmy . Zauważmy, że wektor ma rozkład gaussowski, więc jego współrzędne są niezależne wtedy i tylko wtedy, gdy są nieskorelowane. Mamy jednak dla ,
oraz
Kolejne twierdzenie pokazuje, że (z dokładnością do drobnych technicznych założeń oraz normalizacji) proces Wienera jest jedynym procesem o ciągłych trajektoriach oraz niezależnych i stacjonarnych przyrostach.
Załóżmy, że proces spełnia warunki (W0), (W1), (W3) (z zastąpionym przez ) oraz
Wówczas jest procesem Wienera.
Określmy dla , oraz . Zauważmy, że na mocy niezależności i stacjonarności przyrostów,
Ponadto oczywiście , zatem funkcja jest addytywna i niemalejąca na , więc dla pewnego , co wobec (W2b) daje . Analogicznie sprawdzamy, że , wiemy też, że , stąd wnioskujemy, że dla wymiernych. Weźmy i wybierzmy dążący do ciąg liczb wymiernych . Na mocy (W2c), , wiemy też, że , zatem dla pewnej stałej . Z ciągłości trajektorii prawie na pewno, czyli również według prawdopodobieństwa. Zatem dla ,
dla dostatecznie dużych . Stąd . Wykazaliśmy więc, że ma średnią zero i wariancję .
Ustalmy , chcemy pokazać, że ma rozkład normalny . Zauważmy, że
Zmienne tworzą układ trójkątny, możemy więc skorzystać z Centralnego Twierdzenia Granicznego i wykazać, że zbiega do według rozkładu. Mamy
wystarczy więc sprawdzić warunek Lindeberga. Dla ,
Zauważmy, że zmienne dla ustalonego są niezależne i mają średnią zero, zatem
Z ciągłości trajektorii wynika, że przy , zatem spełniony jest warunek Lindeberga .
∎Warunek (W2c) nie jest konieczny - zob. Twierdzenie 5 z paragrafu 13.1 książki [3].
Okazuje się, że również nie trzeba zakładać skończoności wariancji ani nawet istnienia wartości średniej - warunek (W2b) ma charakter czysto normalizacyjny. Dokładniej zachodzi następujące twierdzenie.
Załóżmy, że proces stochastyczny spełnia warunki (W0),(W1), (W2a) i (W3). Wówczas istnieją stałe i proces Wienera takie, że dla wszystkich .
Podczas następnych wykładów podamy dość abstrakcyjną konstrukcję procesu Wienera opartą o ogólniejsze twierdzenia dotyczące istnienia i ciągłości trajektorii procesów stochastycznych. Alternatywna, bardziej bezpośrednia konstrukcja (wymagająca pewnej znajomości analizy funkcjonalnej) procesu Wienera jest zawarta w Ćwiczeniach 1.10-1.12.
Trajektorie procesu Wienera mają wiele ciekawych własności, jedną z nich jest to, że prawdopodobieństwem 1 są funkcjami ciągłymi, nieróżniczkowalnymi w żadnym punkcie.
Prawie wszystkie trajektorie procesu Wienera są funkcjami nieróżniczkowalnymi w żadnym punkcie, tzn.
Znajdź rozkład zmiennej .
Dla jakich parametrów i , zmienne oraz są niezależne?
Udowodnij, że p.n.
Znajdź rozkład wektora losowego dla .
Udowodnij, że z prawdopodobieństwem trajektorie procesu Wienera są nieograniczone.
Udowodnij, że z prawdopodobieństwem trajektorie procesu Wienera nie są jednostajnie ciągłe na .
Udowodnij, że następujące procesy też są procesami Wienera:
i) (odbicie);
ii) (przeskalowanie czasu);
iii) dla oraz (inwersja czasu);
iv) ;
v) dla , dla , gdzie
.
Niech , gdzie będzie ciągiem podziałów odcinka oraz oznacza średnicę . Udowodnij, że
jeśli oraz p.n., jeśli .
Udowodnij, że prawie wszystkie trajektorie procesu Wienera mają nieskończone wahanie na każdym przedziale.
Niech będzie dowolną bazą , oraz niech będzie ciągiem niezależnych zmiennych . Wykaż, że szereg jest zbieżny w dla dowolnego oraz ma te same rozkłady skończenie wymiarowe co proces Wienera.
Niech . Układem Haara nazywamy rodzinę funkcji określonych na wzorami oraz dla ,
Układem Schaudera nazywamy rodzinę funkcji określonych na wzorem . Niech będzie rodziną niezależnych zmiennych losowych o rozkładzie , połóżmy
Wykaż, że dla prawie wszystkich ciąg funkcji zbiega jednostajnie na do pewnej funkcji ciągłej . Jeśli określimy np. dla pozostałych to tak zdefiniowany proces stochastyczny jest procesem Wienera na .
Niech będzie procesem Wienera na . Wykaż, że jest procesem Wienera na całej półprostej.
Udowodnij Twierdzenie 1.4.
Wykaż wpierw, że jeśli funkcja jest różniczkowalna w jakimś punkcie przedziału , to
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.