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定理Theorem

Itô 等距

施工中 · 内容逐步修订

Itô isometry · Ito isometry

把 Brownian Itô 积分的终点二阶矩精确等同于被积过程的预测平方能量。

形式陈述 ​

设 (Ω,F,(Ft),P) 满足通常条件,W 是一维 Brownian 运动,0<T<∞。若 H,K 可预测且

E∫0T(Ht2+Kt2)dt<∞,

则 Itô 积分满足

E[(∫0THtdWt)(∫0TKtdWt)]=E∫0THtKtdt.

取 K=H 得到等距公式

E|∫0THtdWt|2=E∫0T|Ht|2dt.

积分均值为零,所以左侧也是方差。等式在乘积测度 P⊗dt 几乎处处的等价类上成立;两个被积过程若仅在该测度零集上不同,其积分不可分辨。积分映射因此是从预测 Hilbert 空间 Lpred2(Ω×[0,T]) 到 L2(Ω,FT,P) 的线性等距,其像是闭子空间,并不靠等距本身等于整个 L2(FT)。

对由 d 个相互独立标准 Brownian 坐标组成的 W,以及 m×d 矩阵被积过程 H,假设 E∫0T‖Ht‖HS2dt<∞,则

E‖∫0THtdWt‖2=E∫0T‖Ht‖HS2dt.

若只局部平方可积,等式只能先对能量停时后的积分使用;未证明全局二阶矩前,不应把两边写成有限数。

直觉

简单过程积分是许多“已知系数 × 新噪声增量”的和。交叉项在条件期望下消失:较晚增量给定过去均值为零,而它以前的全部系数与增量都已知。剩余对角项贡献 Hk2(tk+1−tk)。所以随机输出的平方大小被精确压回时间—概率空间上的普通 L2 范数。

这个精确恒等式承担了构造中的唯一性工作。简单被积过程若在预测 L2 中逼近同一个 H,积分像也必在 L2(Ω) 中逼近同一极限;无需逐路径决定 Brownian 的无限振荡怎样求和。等距控制终点,而 Doob 最大不等式再把它升级到整段路径的 ucp 或最大二阶矩控制。

例子与边界

对确定性 Ht=t,

E(∫0TtdWt)2=∫0Tt2dt=T33.

确定性阶梯积分是有限 Brownian 增量的线性组合,因而为 Gaussian。它们在 L2 中趋向积分,由高斯变量的均方极限封闭性,该积分实际服从 N(0,T3/3)。这比仅知方差更强,但高斯性来自确定性被积过程;随机 H 的积分一般不是无条件高斯。

再取 Ht=Wt。由 ∫0TWtdWt=12(WT2−T),等距右侧为

E∫0TWt2dt=∫0Ttdt=T22.

左侧可独立复算:E[WT4]=3T2,故

14E(WT2−T)2=14(3T2−2T2+T2)=T22.

平方可积假设不能用“每条路径能积分”替代。令 Y 为 F0-可测、几乎处处有限但 E[Y2]=∞,并取 Ht=Y。每条路径上 ∫0THt2dt=TY2<∞,局部化后积分为 YWT;若 Y 与 W 独立,则 E[Y2WT2]=TE[Y2]=∞,全局 L2 等距只给扩展值,不能据此称其平方可积。若 Ht=WT,问题更早出现:它不预测,交叉项消失的证明根本不成立。

推论与应用

若 Hn→H 于预测 L2,等距立即给

∫0THtndWt→∫0THtdWt于 L2(Ω).

对连续的积分差过程,先在有限网格使用Doob 的 $L^2$ 最大不等式,再取稠密网格极限,得到整个积分过程在 L2 最大范数中收敛。这条连续性让简单过程定义无歧义,也让随机微分方程的 Picard 迭代可在二阶矩空间中闭合。

极化公式把范数恒等式变成协方差计算,进而说明不同 Brownian 坐标驱动的积分在正交条件下互不相关。鞅表示定理则补充像空间何时足够大:在增广 Brownian 滤过中,每个零均值 L2(FT) 随机变量都能表示为一个终点 Itô 积分;换用更大的滤过时,等距仍成立,满射性却可能失败。

参考资料
  • Bernt Øksendal, Stochastic Differential Equations: An Introduction with Applications, 6th ed., Springer, 2003, Ch. 3, §3.1, construction and isometry of the Itô integral。
  • Ioannis Karatzas and Steven E. Shreve, Brownian Motion and Stochastic Calculus, 2nd ed., Springer, 1991, Ch. 3, §3.2, isometric construction of stochastic integration。
  • Daniel Revuz and Marc Yor, Continuous Martingales and Brownian Motion, 3rd ed., Springer, 1999, Ch. IV, §2, stochastic integrals and brackets。
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