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数学 / wiener-process

维纳过程

维纳过程是具有连续路径和独立高斯增量的连续时间随机过程,是布朗运动的标准数学模型。

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维纳过程是一种实值、连续时间的随机过程,从零开始,具有连续的样本路径,其增量相互独立且服从正态分布,增量的方差等于相应时间间隔的长度。它也称为标准布朗运动,为不规则运动提供了精确的数学模型,也是随机分析中一种基本的随机性来源。维纳过程以诺伯特·维纳的名字命名,他在20世纪20年代为这一过程奠定了严格的数学基础。这一数学对象应与它所理想化描述的物理现象相区分。(stat.uchicago.edu)

定义与分布

在概率空间 (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal F,\mathbb P) 上,标准维纳过程是一族满足以下条件的随机变量 (Wt)t≥0(W_t)_{t\geq0}:

  1. W0=0W_0=0 以概率1成立。

  2. 样本路径 t↦Wt(ω)t\mapsto W_t(\omega) 几乎必然连续。

  3. 不相交时间区间上的增量具有统计独立性。

  4. 对于 0≤s<t0\leq s<t,

    Wt−Ws∼N(0,t−s).W_t-W_s\sim\mathcal N(0,t-s).

这里,N(m,v)\mathcal N(m,v) 表示均值为 mm、方差为 vv 的正态分布。因此,增量的分布仅取决于时间区间的长度,而不取决于其起始时刻,即增量是平稳的。连续性是一项单独的要求;仅规定各个时刻的取值服从高斯分布,并不足以定义维纳过程。(stat.uchicago.edu)

在任一时刻 tt,其期望值为零,方差为 tt。其协方差函数为

Cov⁡(Ws,Wt)=min⁡(s,t).\operatorname{Cov}(W_s,W_t)=\min(s,t).

更一般地,任意有限个时刻的过程取值都服从多元正态分布。因此,维纳过程是一种高斯过程,其零均值、协方差函数以及路径连续性要求共同构成了完整的刻画。尽管不相交区间上的增量相互独立,不同时刻的取值通常仍然相互依赖。(stat238.berkeley.edu)

缩放、记忆与条件化

对于任意 c>0c>0,缩放后的过程

W~t=c−1/2Wct\widetilde W_t=c^{-1/2}W_{ct}

与 WtW_t 具有相同的概率分布。这种布朗缩放体现了典型位移与经过时间的平方根之间的关系。反射也保持其分布不变:−Wt-W_t 仍是标准维纳过程。对于固定的 ss,平移后的过程 Ws+t−WsW_{s+t}-W_s 也是一个标准维纳过程,并且独立于截至时刻 ss 的全部历史。(stat.uchicago.edu)

自然滤过 Ft=σ(Wr:0≤r≤t)\mathcal F_t=\sigma(W_r:0\leq r\leq t) 记录了上述历史。相对于这一滤过,维纳过程具有马尔可夫性质:给定条件后的未来行为取决于当前值,而非全部过去。它也是一个鞅,满足

E[Wt∣Fs]=Ws,s≤t.\mathbb E[W_t\mid\mathcal F_s]=W_s,\qquad s\leq t.

这一等式通过条件期望表达了不存在可预测漂移的性质。对自然滤过作通常的增广后,布朗运动还具有强马尔可夫性质,将从某一时刻重新开始的原理推广到适当的随机停时。(stat.uchicago.edu)

样本路径的不规则性

虽然每条典型路径都是连续函数,但它处处不可微,并且在每个非退化的有界区间上都具有无穷大的全变差。因此,维纳路径不存在通常意义下的速度。在紧区间上,路径几乎必然对每个严格小于 1/21/2 的指数都满足霍尔德连续性,这为其粗糙程度提供了定量描述。(wias-berlin.de)

然而,其二次变差是有限的。对于最大子区间长度趋于零的确定性分割 0=t0<⋯<tn=t0=t_0<\cdots<t_n=t,

∑i=1n(Wti−Wti−1)2⟶t\sum_{i=1}^{n}(W_{t_i}-W_{t_{i-1}})^2\longrightarrow t

在均方意义下收敛,因而也依概率收敛。沿二进分割,上述收敛还几乎必然成立。通常将这一结果记为 [W]t=t[W]_t=t。非零的二次变差将维纳路径与连续可微路径区分开来,也是随机积分的核心所在。(ocw.mit.edu)

构造与随机游走极限

一种构造方法是先给出相容的有限维高斯分布,再证明存在一个连续版本。由此得到的、定义在从零出发的连续路径空间上的概率分布称为维纳测度。它描述的是整条轨迹的概率,而不仅仅是选定时刻上位置的概率。(wias-berlin.de)

维纳过程也可以作为随机游走的缩放极限出现。设各步增量独立同分布,均值为零,方差为有限的正数 σ2\sigma^2,将其部分和记为 SkS_k。在时刻 k/nk/n 取值 Sk/(σn)S_k/(\sigma\sqrt n),并在这些取值之间作线性插值。唐斯克定理指出,这些随机路径依分布收敛到标准维纳过程。这是中心极限定理的函数型推广,涉及整条路径,而非仅仅一个标准化后的和。(math.cmu.edu)

随机微积分与扩散

由于维纳路径具有无穷变差,以其为积分器进行积分需要超出通常逐路径积分的框架。伊藤积分 ∫0tHs dWs\int_0^t H_s\,dW_s 是针对适当的非预见性被积过程构造的。对于二阶连续可微函数 ff,伊藤公式给出

df(Wt)=f′(Wt) dWt+12f′′(Wt) dt.df(W_t)=f'(W_t)\,dW_t+\tfrac12f''(W_t)\,dt.

其中的二阶项反映了二次变差,并修正了通常的链式法则。因此,维纳过程可作为随机微分方程的驱动过程,将确定性漂移与随机波动区分开来。(live.ocw.mit.edu)

维纳过程与扩散的联系可由转移密度表示:

p(t,x,y)=12πtexp⁡ ⁣(−(y−x)22t).p(t,x,y)=\frac{1}{\sqrt{2\pi t}} \exp\!\left(-\frac{(y-x)^2}{2t}\right).

它满足热方程 ∂tp=12∂yyp\partial_t p=\tfrac12\partial_{yy}p。因此,布朗运动所描述的概率演化,对应于密度在微分方程支配下的确定性演化。(stat.uchicago.edu)

在有限时间网格上进行数值模拟时,可以按下式依次生成各时刻的取值:

Wtk+1=Wtk+tk+1−tk Zk,W_{t_{k+1}}=W_{t_k}+\sqrt{t_{k+1}-t_k}\,Z_k,

其中 ZkZ_k 是相互独立的标准正态随机变量。这些网格点上的取值具有精确的维纳过程有限维分布;在它们之间进行线性插值,只是对连续随机路径的近似。(stat238.berkeley.edu)

参考来源

  1. Brownian Motionstat.uchicago.edu
  2. Wiener’s Construction of the Brownian Motionlink.springer.com
  3. STAT 238 — Bayesian Statistics Lecture Twenty Onestat238.berkeley.edu
  4. Stochastic Calculusmath.cmu.edu
  5. Brownian Motion and Itô Calculuswias-berlin.de
  6. Lecture 8: Quadratic Variationocw.mit.edu
  7. Lecture 17: Ito Process and Formulalive.ocw.mit.edu