形式陈述
设 ( Ω , F , ( F t ) t ≥ 0 , P ) 满足通常条件:F 0 含全部 P -零集,且滤过右连续,F t = ⋂ u > t F u 。实值过程 W = ( W t ) t ≥ 0 称为相对于该滤过 公理库 滤过与适应过程 Filtration · Adapted process · Natural filtration 以递增 σ-代数表示信息积累,并刻画过程在每一时刻不使用未来信息。 的标准 Brownian 运动,若:
W 0 = 0 几乎处处,且 W t 对 F t 可测;
对 0 ≤ s < t ,W t − W s ∼ N ( 0 , t − s ) ,并且该增量与 F s 独立 公理库 独立性 Statistical independence 若干事件、σ-代数或随机元素的所有有限联合概率都按边缘概率乘积分解。 ;
存在零测集 N ,使每个 ω ∉ N 的路径 t ↦ W t ( ω ) 在 [ 0 , ∞ ) 上连续。
第二条同时给出独立增量和平稳增量:互不相交时间区间上的增量相互独立,其分布只依赖区间长度。由增量分解可得 E [ W s W t ] = min ( s , t ) ,所以 W 是零均值高斯过程 公理库 高斯过程 Gaussian process · Gaussian random process 任意有限组坐标都服从联合高斯分布、因而由均值函数与半正定协方差核确定其有限维分布的随机过程。 。又因 E [ W t ∣ F s ] = W s 且 E | W t | < ∞ ,它是路径连续的连续时间鞅 公理库 连续时间鞅 Continuous-time martingale 在连续时间滤过下适应且逐时可积,并满足任意早晚时刻条件均值恒等式的过程。 。这里两项是严格分类结论;定义所需的信息前置仍是滤过与独立性。
也可先用均值零、核 min ( s , t ) 的有限维高斯律构造坐标过程。此时
E | W t − W s | 4 = 3 | t − s | 2 , Kolmogorov 连续性定理保证存在连续修改。必须明确选取这个连续版本;仅有相同有限维分布的任意版本不保证每条所见路径连续。连续版本彼此不可分辨,即在一个共同零集外对所有时刻同时相等。
直觉
Brownian 运动把时间区间的长度转成新噪声的方差。把一段区间拆开,各小段贡献独立,方差因而相加;这迫使尺度为 t ,而非与 t 成正比。连续性说明位置没有跳跃,却不表示运动平滑:独立的新扰动在所有尺度持续注入,使典型路径处处不可微,并具有无限总变差。
滤过条件把“新噪声”说得更精确。W t − W s 不只与过去位置 W s 独立,还与时刻 s 的全部允许信息独立。若人为把未来值加入 F s ,同一坐标过程仍连续,却不再是相对于扩张滤过的 Brownian 运动。
例子与边界
对 0 ≤ s < t ,写 W t = W s + ( W t − W s ) 。独立性与零均值给出
E [ W t 2 ∣ F s ] = W s 2 + E [ ( W t − W s ) 2 ] = W s 2 + t − s . 所以 W t 2 − t 是鞅。这个计算同时展示为什么普通平方会产生确定性漂移:新高斯噪声的条件方差正好累积为时间。
Brownian 缩放可以直接复核。对任意 c > 0 ,令 B t = c − 1 / 2 W c t 。它从零出发且路径连续;增量 B t − B s 为 N ( 0 , t − s ) ,不同区间仍对应 W 的不交增量,故 B 仍是 Brownian 运动。该自相似性解释扩散距离的平方与时间同阶。
仅有正确的一维边缘不够。令 Z ∼ N ( 0 , 1 ) ,取 X t = t Z 。每个 X t ∼ N ( 0 , t ) 且路径连续,但所有时刻共享同一个 Z ;例如 X 2 − X 1 = ( 2 − 1 ) Z 与 X 1 = Z 完全相关,既非独立增量,增量方差也不是 1 。另一方面,带漂移过程 W t + μ t 有连续独立平稳增量,却因增量均值为 μ ( t − s ) 而不是标准 Brownian 运动。
推论与应用
独立增量先给 Markov 性:给定 F s 后,未来 W s + t − W s 是一份与过去无关的新 Brownian 噪声。把确定时刻推广到停时并使用连续性与逼近,可得强 Markov 性;反射原理随后把首次越过水平 a 的概率转为终点尾概率,P ( sup u ≤ t W u ≥ a ) = 2 P ( W t ≥ a ) 。
核 min ( s , t ) 与连续版本把 Brownian 运动同时连接到高斯分析和路径空间测度;鞅性质则打开停止、二次变差和随机积分。它还是扩散模型中的驱动噪声:把确定性微分方程的速度项替换为 d W t 后,解的增量在小时间尺度呈 d t ,这正是普通微积分二阶项不能再忽略的来源。
参考资料
Ioannis Karatzas and Steven E. Shreve, Brownian Motion and Stochastic Calculus , 2nd ed., Springer, 1991, Ch. 2, §§2.1–2.2, definition and construction of Brownian motion。
Daniel Revuz and Marc Yor, Continuous Martingales and Brownian Motion , 3rd ed., Springer, 1999, Ch. I, §§1–2, continuous processes and Brownian motion。
L. C. G. Rogers and David Williams, Diffusions, Markov Processes and Martingales , Vol. 1, 2nd ed., Cambridge University Press, 2000, Ch. 1, Brownian motion and path properties。