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定义Definition

连续时间鞅

施工中 · 内容逐步修订

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。

形式陈述 ​

设 (Ω,F,(Ft)t≥0,P) 为滤过概率空间,本页假定滤过完备且右连续,并选取 càdlàg 版本,即路径右连续且在每个正时刻有左极限。这样的实值过程 M=(Mt)t≥0 称为连续时间鞅,若对每个 t,Mt 为 Ft-可测、E|Mt|<∞,并且对所有确定时刻 0≤s≤t,

E[Mt∣Fs]=MsP-a.s.

“连续时间”指 t 遍历整个时间区间。路径可以连续,也可以有跳跃;路径在一个共同零集外连续的过程称为连续鞅。若先只要求适应、逐时可积和上述条件均值等式,Doob 正则化定理在通常条件下提供 càdlàg 修改;本页的停止、局部化和路径分类均使用这个正则版本。

修改在每个固定时刻几乎处处相等;两个 càdlàg 修改则可先在可数个有理时刻合并零集,再由右连续性得到所有时刻同时相等。这样就能把逐时刻的随机变量关系用于整条路径。

对 càdlàg 鞅及有界停时 σ≤τ,可选采样定理给出

E[Mτ∣Fσ]=Mσ.

证明可固定包含 σ,τ 的确定上界 T,在越来越细的有限网格上从右侧逼近两个停时。网格限制是离散鞅,有界可选停止的有限求和论证给出停止值的条件均值关系。特别地,每个网格停止值都是 MT 关于相应停止信息的条件期望。

闭鞅证明中的条件期望族判据说明这些停止值一致可积。路径右连续性给出几乎处处收敛,再由Vitali 判据升级为 L1 收敛。对任意 A∈Fσ 将网格等式乘以 1A 并取极限,就得到所述条件等式。对无界停时,仍需一致可积的停止族或适当支配条件控制极限。

平方可积鞅还满足 E[Mt2]<∞。在固定区间 [0,T],若 {Mτ:τ≤T} 对所有停时组成一致可积族,就称过程在该区间属于 class D。càdlàg 真鞅在每个有限区间都有这一性质:停止后的值可表示为终值 MT 的条件期望。在整个半轴上要求所有有界停时的取值共同一致可积,则是更强的全时间 class D 条件。

每个 càdlàg 真鞅都是局部鞅:取局部化停时 τn=n,各停止过程仍是鞅。局部鞅把这一要求放在逐步扩大的停止区间上;要恢复未停止过程的鞅恒等式,可用一致可积性把条件期望传过局部化极限。

直觉

离散鞅只在逐步时刻核对公平性,连续时间鞅要让任意早晚两刻之间都没有可预测的条件漂移。路径可以振荡、跳跃,方差也能增长;被固定的是当前信息下未来水平的平均值,而不是未来变化的大小。

càdlàg 路径可由稠密的有理时刻及右侧极限恢复,使时间网格上的估计能够传到整段轨道。右连续滤过满足 Ft=⋂u>tFu,将任意稍后时刻都已知道的信息纳入时刻 t,与从右侧逼近停时的过程相配合。

例子与边界

令 W 为自然增广滤过下的 Brownian 运动,并设 Mt=Wt2−t。对 s<t,由 Wt=Ws+(Wt−Ws) 以及新增量独立、均值为零、方差为 t−s,

E[Mt∣Fs]=Ws2+(t−s)−t=Ws2−s=Ms.

其路径连续且每时刻可积,因此是真正的连续鞅。相同机制给出 exp⁡(θWt−12θ2t):条件化后剩余增量的矩母函数恰好抵消 −12θ2(t−s),故它也是正鞅。

条件均值比无条件均值包含更多信息。例如定义

Xt={Wt,t<1,−W1,t≥1.

它对 Brownian 滤过适应、路径在 1 处有跳跃且 càdlàg,并满足 E[Xt]=0。但对 s<1,E[X1∣Fs]=−Ws≠Ws=Xs,所以不是鞅。若改用预先包含 W1 的扩张滤过,连原过程 Wt 在 t<1 时也失去鞅性质,显示滤过是定义数据的一部分。

推论与应用

对平方可积鞅,条件 Jensen 不等式使 Mt2 成下鞅;Doob 最大不等式先在有限时间网格上把终点二阶矩控制升级为路径最大值的界,再借 càdlàg 正则性传到整个有限区间。再结合闭鞅表示 Mt=E[X∣Ft],其一致可积性可控制时间极限;在整数时刻 n→∞ 取样时,鞅的 L¹ 收敛定理明确给出极限 E[X∣F∞],其中 F∞=σ(⋃t≥0Ft)。

连续鞅的随机振荡由二次变差而非普通总变差计量。若连续局部鞅 M 满足 M0=0,且二次变差满足 ⟨M⟩t=t,Lévy 刻画定理在通常条件下把它识别为 Brownian 运动;若 ⟨M⟩∞=∞,Dambis–Dubins–Schwarz 定理进一步把 M 写成某个 Brownian 运动的随机时间变换。这条逻辑把一般连续噪声归约到标准噪声,也解释二次变差为何是随机积分中的自然时钟。

参考资料
  • Daniel Revuz and Marc Yor, Continuous Martingales and Brownian Motion, 3rd ed., Springer, 1999, Ch. II, §§1–2, continuous-parameter martingales and regularization。

  • Ioannis Karatzas and Steven E. Shreve, Brownian Motion and Stochastic Calculus, 2nd ed., Springer, 1991, Ch. 1, §§1.3–1.5, continuous-time martingales, sampling and convergence。

  • L. C. G. Rogers and David Williams, Diffusions, Markov Processes and Martingales, Vol. 1, 2nd ed., Cambridge University Press, 2000, Ch. II, martingale regularity and stopping。

  • J. R. Norris, Advanced Probability,§14.2, Theorem 14.2.2;§14.3, Theorem 14.3.6 及其网格逼近、一致可积证明。

关系图谱19 个相邻概念 · 3 类关系

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