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定理Theorem

Brownian 凸函数的 Itô–Tanaka 公式

Ito-Tanaka formula for Brownian convex functions · Brownian generalized Ito formula

把凸函数的二阶导数理解为曲率测度,Brownian 变换中的修正项就成为局部时间对该测度的积分。

形式陈述 ​

普通 Itô 公式要求二阶可微。若函数有多个折点,甚至同时含平滑曲率,随机链式法则怎样统一处理?设 W 为一维标准 Brownian 运动,Lta 取局部时间的联合连续版本,归一化为 ∫g(a)Ltada=∫0tg(Ws)ds。

设 f:R→R 是有限值凸函数,或两个这种凸函数之差。凸函数的左导数 f−′ 存在且局部有界;其分布二阶导数是局部有限的Radon 曲率测度 f″(da)。则

f(Wt)=f(W0)+∫0tf−′(Ws)dWs+12∫RLtaf″(da).

对两个凸函数之差,f″ 在每个紧区间上是两份有限测度之差,公式中的紧支撑测度积分按两部分相减理解;不对无界集合制造 ∞−∞。若导数在无穷远增长较快,随机积分先停在 Brownian 路径离开紧区间之前,再作局部化;有限时间的路径范围紧,测度积分也只涉及这个范围。

本页限定 Brownian 运动,使用上述联合连续且左右一致的局部时间版本。

直觉

平滑曲线的曲率铺在整个空间上,折线的曲率集中在转折点。普通二阶导数只记录前一种情形;曲率测度把二者放进同一个对象中。

Brownian 路径每经过一个弯曲区域,都产生 Itô 的二阶修正。曲率连续分布时,按普通占据时间累加;曲率集中在一点时,按该点的局部时间累加。公式前的 1/2 与曲率原子的质量必须一起计算。

例子与边界

平滑曲率加两个不同折点 ​

取

f(x)=x2+|x−1|+2(x−2)+,(z)+=max(z,0).

三个部分的二阶曲率分别是 2da、2δ1、2δ2,所以

f″(da)=2da+2δ1(da)+2δ2(da).

在非折点处,f−′(x)=2x+sgn(x−1)+21{x>2};在 1,2 处使用左极限。若 W0=0,f(0)=1,于是

f(Wt)=1+∫0tf−′(Ws)dWs+t+Lt1+Lt2.

连续曲率贡献 ∫Ltada=t,两个折点各贡献一份局部时间。这不是简单地给 |Wt| 平移一个阈值,而是同时核算空间连续部分与多个原子。

若只取 g(x)=(x−K)+,斜率从零跳到一,故 g″=δK,修正项是 LtK/2。绝对值函数的斜率跳跃是二,才得到整份局部时间。混用这两个原子质量会产生常见的二倍误差。

哪些不光滑函数仍不在范围内 ​

局部 Lipschitz 连续本身并不保证在每个紧区间上是两个凸函数之差。这里需要导数具有局部有界变差,才能把二阶分布导数变成局部有限测度。若只有一般分布而没有这样的测度结构,就不能直接写 ∫Ltaf″(da)。

推论与应用

从左导数构造曲率测度 ​

对有限凸函数,三点弦斜率的不等式使左右导数存在、在紧区间上有界,并给出 f−′ 左连续且非减。对 a<b,定义

μf([a,b))=f−′(b)−f−′(a).

它扩张成非负Radon 测度。特别地,点 a 的质量是

μf({a})=f+′(a)−f−′(a),

恰等于斜率的跳跃。若 f∈C2,该测度就是 f″(a)da。半开区间的方向与采用左导数的约定相配;若改用右导数,区间约定也要相应调整。

对紧支撑光滑测试函数 φ 分部积分,可得 ∫φdμf=∫fφ″da,所以这个斜率增量构造确实就是分布二阶导数。

光滑化如何保留折点质量 ​

取由非负、积分为一的光滑紧支撑函数缩放得到的近似恒等核 ρε,令 fε=f∗ρε。由于核紧支撑,这个卷积只读取局部可积的 f,每个位置都定义良好。要在固定紧区间上应用近似恒等定理,可先把 f 乘以在稍大区间等于一的光滑紧支撑截断;足够小的卷积窗口看不到截断,且截断后的连续函数有界、一致连续。于是局部的一致逼近来自该定理的有界一致连续版本。分布求导给出

fε″=μf∗ρε,

原本集中在点上的曲率被摊成一小团,总质量保持不变。先把 Brownian 运动停在离开 [−R,R] 的时刻,记 τR。对光滑 fε 使用Itô 公式与占据公式:

fε(Wt∧τR)−fε(W0)=∫0t∧τRfε′(Ws)dWs+12∫RLt∧τRa(μf∗ρε)(a)da.

第一项的极限由Itô 等距控制。凸函数导数的跳点至多可数,Brownian 在每个固定水平花费的时间为零;在其他点,fε′→f′。导数在稍大的紧区间上一致有界,控制收敛定理先给出预测 L2 收敛,因而随机积分均方收敛到 ∫f−′(Ws)dWs。

第二项用局部时间的空间连续性。核紧支撑、局部时间有界且曲率测度在相应紧集上有限,保证双重积分绝对可积。用Fubini 定理将卷积转移到 L 上,得到 ∫(L∗ρˇε)(a)μf(da)。局部时间在有限时间的路径范围外为零,是连续紧支撑函数;其卷积一致收敛于自身,而曲率测度在附近紧集上质量有限,故积分趋向 ∫Laμf(da)。

函数值项在紧集上一致收敛。最后让 R→∞,每条有限时间 Brownian 路径终会被某个紧区间包含,便得到所述公式。对两个凸函数之差,逐项相减即可。

普通 Itô 公式成为连续曲率特例 ​

若 f∈C2,占据公式直接给

12∫Ltaf″(a)da=12∫0tf″(Ws)ds.

若 f 是分段线性,修正项则是各折点局部时间乘以斜率跳跃的一半。两种熟悉的公式因此来自同一种曲率测度,而不是彼此无关的技巧。

参考资料
关系图谱30 个相邻概念 · 2 类关系

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