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Brownian 运动

Brownian motion · Wiener process · 布朗运动 · Wiener 过程

从零出发、具有独立平稳高斯增量与几乎处处连续路径的连续时间随机过程。

条目类型
模型

形式陈述

(Ω,F,(Ft)t0,P) 满足通常条件:F0 含全部 P-零集,且滤过右连续,Ft=u>tFu。实值过程 W=(Wt)t0 称为相对于该滤过的标准 Brownian 运动,若:

  1. W0=0 几乎处处,且 WtFt 可测;
  2. 0s<tWtWsN(0,ts),并且该增量与 Fs 独立
  3. 存在零测集 N,使每个 ωN 的路径 tWt(ω)[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[WsWt]=min(s,t),所以 W 是零均值高斯过程。又因 E[WtFs]=WsE|Wt|<,它是路径连续的连续时间鞅。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|WtWs|4=3|ts|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。WtWs 不只与过去位置 Ws 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 Fs,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

0s<t,写 Wt=Ws+(WtWs)。独立性与零均值给出

E[Wt2Fs]=Ws2+E[(WtWs)2]=Ws2+ts.

所以 Wt2t 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 Bt=c1/2Wct。它从零出发且路径连续;增量 BtBsN(0,ts),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 ZN(0,1),取 Xt=tZ。每个 XtN(0,t) 且路径连续,但所有时刻共享同一个 Z;例如 X2X1=(21)ZX1=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 Wt+μt 有连续独立平稳增量,却因增量均值为 μ(ts) 而不是标准 Brownian 运动。

推论与应用

独立增量先给 Markov 性:给定 Fs 后,未来 Ws+tWs 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(suputWua)=2P(Wta)

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 dWt 后,解的增量在小时间尺度呈 dt,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。
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