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模型Model

平方 Bessel 过程

Squared Bessel process · BESQ process

平方 Bessel 过程把多维 Brownian 半径平方推广到任意非负维数,并由维数决定是否触及或停留在零边界。

形式陈述 ​

若一个非负量的噪声强度随其平方根变化,怎样描述它的分布与零边界行为?给定维数参数 δ≥0 和起点 z≥0,平方 Bessel 过程 Z 是非负连续的随机微分方程解:

dZt=δdt+2ZtdWt,Z0=z.

记其分布为 BESQz(δ)。若按全实线系数书写一般 SDE,可取 b(x)=δ、σ(x)=2x+,并选取从 z≥0 出发的非负解;在这个不变状态空间上恰好恢复上式。这个方程具有路径唯一的非负强解;“强解”指在给定驱动 Brownian 运动上构造适应解,区别见SDE 的强解与弱解。系数 2z 在零处不是 Lipschitz 函数,因此一般的全局 Lipschitz 存在唯一性定理不能直接替代这里的专门结果。

对 λ≥0,其一时刻 Laplace 变换是

Eze−λZt=(1+2λt)−δ/2exp⁡(−zλ1+2λt).

这个式子同时覆盖整数和非整数维数。“维数”在非整数情形是 SDE 的漂移参数,不表示真的存在半个或一点五个 Brownian 坐标。

直觉

Z 大时随机波动大,接近零时随机系数缩小,而正漂移 δ 仍把它向上推。零附近的行为取决于这两股作用的精确平衡,临界值是 δ=2。

用半径平方而不是半径,消除了半径方程中 1/R 型的奇异漂移。代价是扩散系数在零处只有平方根规则性,但非负状态空间和零边界的含义更加直接。

例子与边界

整数维数来自独立坐标的平方和 ​

设 δ=d 为正整数,W1,…,Wd 是相互独立的标准 Brownian 运动,采用它们的联合自然增广滤过,并令∑ixi2=z。定义

Zt=∑i=1d(xi+Wti)2.

Itô 公式给

dZt=ddt+2∑i(xi+Wti)dWti.

在 Zt>0 时用单位向量 (xi+Wti)/Zt 投影噪声;在 Zt=0 时任取一个固定单位向量。所得一维随机积分的二次变差为 t,由Lévy 刻画是 Brownian 运动,故噪声项可以写成 2ZtdBt。

若 z=0 且 t>0,每个 Wti/t 都是独立标准正态变量,所以 Zt/t 服从自由度 d 的卡方分布。这是整数维数的几何解释,而不是非整数模型的定义。

一个非整数维数的完整边缘分布 ​

取 z=0,δ=3/2,并固定 t>0。Laplace 变换成为 (1+2λt)−3/4,对应密度

pt(y)=y−1/4e−y/(2t)(2t)3/4Γ(3/4),y>0,

其中 Γ(r)=∫0∞vr−1e−vdv。替换 y=2tv 即可检查积分为一。均值为 3t/2,方差为 3t2。密度在零附近很高,却不在零点含概率原子;高密度和点质量是不同概念。

一般地,当 z=0,δ>0,t>0 时,Zt/(2t) 有形状参数 δ/2、尺度一的 Gamma 密度。若 δ=0,z=0,过程恒为零;不能把“形状为零的 Gamma 密度”当作普通密度使用。

零边界的三种行为 ​

  • δ=0:从正点出发几乎处处有限时到零,之后吸收于零
  • 0<δ<2:从正点出发几乎处处有限时到零,之后即时离开;在零处花费的 Lebesgue 时间为零
  • δ≥2:从正点出发不碰零;从零出发则立即进入正半轴,之后不返回零

特别地,二维 Brownian 运动可以反复进入任意小的原点邻域,但从非零点出发不会碰到原点本身。不能把“无限接近”替换成“击中”。

推论与应用

由指数试探函数推导 Laplace 变换 ​

生成元在 y>0 上是 L=δ∂y+2y∂yy。设

v(t,y)=a(t)e−b(t)y,v(0,y)=e−λy.

代入 vt=Lv,分别比较常数项与 y 项,得

b′=−2b2,a′/a=−δb,b(0)=λ,a(0)=1.

解出 b(t)=λ/(1+2λt)、a(t)=(1+2λt)−δ/2。对固定 T,Itô 公式使 v(T−s,Zs) 的漂移为零;它有界于一,局部化后由控制收敛定理可取期望并去掉停时。因此 v(T,z)=Eze−λZT,得到所述变换。

令 ϕ(λ)=Ee−λZt。沿 λ↓0,非负量 (1−e−λZt)/λ 及其平方分别递增到 Zt 和 Zt2。单调收敛定理因此允许用

1−ϕ(λ)λ,1−2ϕ(λ)+ϕ(2λ)λ2

的极限求一、二阶矩,而无需预先假定这些矩有限。代入显式变换展开,得到

EzZt=z+δt,Varz(Zt)=4zt+2δt2.

对 δ>0,令 λ→∞,变换趋零,所以每个固定 t>0 的 P(Zt=0)=0。时间积分与非负性于是说明过程在零处花费的总时间为零。

临界维数二从哪里出现 ​

在 0<a<z<b 间停止,寻找满足 Lh=0 的函数。直接计算得到

h(y)={y1−δ/2,δ≠2,log⁡y,δ=2.

记 τ=Ta∧Tb。它几乎处处有限:δ>0 时由 EZt∧τ=z+δE(t∧τ)≤b 得到退出时间界;δ=0 时用下文的 v 给出同样的有限性。停止后的 h(Z) 有界,应用连续时间的有界可选采样,再以控制收敛去掉时间截断,得到先碰下边界的概率

Pz(Ta<Tb)=h(b)−h(z)h(b)−h(a).

若 δ≥2,a↓0 时这个概率趋零,所以任何有限上界以内都不能碰零。再让上界遍历正整数,排除全部有限时碰零事件。

若 0≤δ<2,令 q=1−δ/2>0,则下边界趋零时,概率趋向 1−(z/b)q。这里还要确认趋向零发生在有限时间。对 δ>0,停止恒等式 EZt∧τ=z+δE(t∧τ)≤b 给统一的退出时间界 Eτ≤b/δ。对 δ=0,使用非负函数 v(y)=12ylog⁡(b/y),它满足 Lv=−1,给出 Eτ≤v(z)。故可以让 a↓0,得到有限时退出到 0 或 b;再令 b→∞,碰零概率趋一。

零维情形到零后,零过程是解,路径唯一性迫使它吸收。正维情形则由前面的无零点原子与强 Markov 性得到即时、无粘滞的离开。边界分类因此既有尺度函数的击中分析,也有到达后的方程与分布分析。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 3 类关系

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