前置
问题的提出
给定过滤概率空间 与其上的标准布朗运动 ,目标是把
定义成一个随机变量,其中被积过程 适应于 ,后文会把它精确化为可预测过程。本文固定 为一维标准布朗运动、、,并假设 满足通常条件; 维情形逐坐标进行。
若 是有界变差函数、 连续,则 Riemann–Stieltjes 积分 存在,且极限与分割的取点方式无关。布朗运动的样本路径几乎必然连续,却几乎必然不是有界变差的(见后文),所以不能逐路径地把 当作 Riemann–Stieltjes 积分。
即便暂时不管路径正则性,取点也会真实地改变积分值。取 的分割
以 为例,右端点 Riemann 和与左端点 Riemann 和之差恰是二次变差:
这个差并不趋于零,而是趋于 (下一节的 (1) 将证明收敛在 中成立):取点不是技术细节,必须写进定义。伊藤(Itô)积分固定取左端点,即用 时刻已经确定的量去乘随后的增量。这种“不预见未来”的取法,正是后文零均值、等距与鞅性的来源。
下文的路线是:先证明布朗运动的二次变差为 ,它既解释了上式右端的 ,也说明路径无有界变差;再对分段常值过程用有限和定义积分;最后用等距把定义延拓到一般的可预测过程。读完之后应当能独立算出 ,并说清它与 相差的 从何而来。
涉及随机变量的等式默认在 -a.s. 意义下理解:积分首先作为 中的等价类定义,之后才谈连续版本。
布朗运动的二次变差
命题 设 为一维标准布朗运动, 为 的分割。则当 时
记作 。
证明 由独立增量,,故 。对 有 ,取 得 ,于是
令 ,则 ,且
时 与 独立,故 与 独立,交叉项消失:
对角项给出均方误差
故 (1) 成立。误差上界 只依赖网格尺寸 ,因此收敛对任意满足 的分割列都成立。
(1) 只给出了布朗运动的二次变差。对一般的连续适应过程,同样的求和未必收敛;能收敛的情形值得单独命名。
定义(二次变差) 设 为连续适应过程。若沿 的分割()
依概率收敛到一个与分割列无关的极限,就称该极限为 在 上的二次变差,记作 。由 (1),。
与光滑函数的对比
决定取点是否有影响的是二次变差。若 ,则 ,于是
时间的二次变差为零;布朗运动的二次变差则留下 。下表对比被积过程取 与取 的情形。
| 光滑函数 | 布朗运动 | |
|---|---|---|
| 单步增量 | ||
| 二次变差 | ||
| 总变差 | a.s. | |
| 右端点和 左端点和 | ||
| 积分是否依赖取点 | 否 | 是 |
路径不是有界变差的
二次变差为正还说明路径不是有界变差的。若 的一条样本路径在 上的总变差为 ,则
因为路径在紧集 上一致连续,保证 。若存在正概率事件 ,使 在 上的路径都有界变差,则在 上上述求和沿任意分割趋于 ;但 (1) 给出依概率收敛到 ,因而存在子列在 上几乎必然收敛到 ,矛盾。
布朗运动几乎必然处处不可微(经典结果),当然也不是有界变差的;“ 是 的平方根阶(因而比 大)、 与 同阶”的直觉,正是二次变差的记号化表达。
积分的构造思路
伊藤积分分两步定义:先对分段常值(“简单可预测”)的被积过程用有限和定义,再用等距把定义按 延拓到一般过程。第一步只用初等代数;第二步需要两件事——简单过程在 中稠密(外部事实),以及等距(保证逼近列是 Cauchy 列)。
从泛函分析的角度看,整个构造是:在一个稠密子空间上定义一个等距线性映射,再用 的完备性延拓。等距是关键——没有它,逼近列可能根本不收敛。
左端点取法保证系数先于增量确定,由此得到三条基本性质:
- 零均值:;
- 鞅性: 关于 是鞅;
- 等距:。
下文逐条证明。全文约定 :被积函数非负,Tonelli 定理保证两种写法一致。此外照例把 -a.e. 相等的过程视为同一元素,于是 范数才是真正的范数。
简单可预测过程
定义(简单可预测过程) 设 为 的分割。若
其中每个 都是 -可测的平方可积随机变量(),则称 为关于 的简单可预测过程。 处的取值不影响积分,取 -可测即可。
它的积分先定义为有限和,而不是极限:
例 取 , 于 , 于 ,则
两段系数都在对应增量出现之前确定:第二段的 是 -可测的。
简单可预测过程左连续且适应,因而可预测:在每个分点 处, 仍取左侧区间上的值 ,所以 只依赖 之前的信息。反过来,可预测且 的过程可以由这类过程在 中逼近(见“推广到一般可预测过程”一节)。
关键在“左”: 只用到 及之前的信息,与随后的增量 独立;若允许系数预见增量,零均值与等距都会失效。若把系数换成 -可测的随机变量(例如 ),系数就可以依赖随后的增量,得到的是右端点型积分(文献中也称 backward 积分):对 (),它等于伊藤积分加 。Stratonovich 积分取中点,见后文。
从离散时间看,(2) 就是鞅变换: 是第 轮的“下注额”, 是第 轮的结果,左端点取法等价于“下注额在开奖前确定”。
伊藤等距
命题(伊藤等距) 对简单可预测过程 ,
证明 记 ,,展开
交叉项 设 ,则 ,故 与 都是 -可测的,而 ,于是
这里不需要 与 独立,二阶正交就够了。
对角项 独立于 ,而 是 -可测的,故
这里同样不需要假设 与 独立;只要 是 -可测的,且 关于 的条件一阶矩为零、条件二阶矩为 。合并两项即得 (3)。
由线性性,(3) 对差也成立:对两个简单可预测过程 ,
又因 ,有 。
因此 是从简单可预测过程的空间(模去 -a.e. 相等,配 范数)到 的等距线性映射:被积过程靠近,积分就在 中靠近。等距把关于随机变量(积分值)的收敛问题,换成了关于被积过程的收敛问题——后者容易逼近得多。
推广到一般可预测过程
定理(稠密性) 设 可预测且
则存在一列简单可预测过程 使
由 (4) 与 的三角不等式, 是 中的 Cauchy 列: 时
完备,故极限存在。这就给出了积分的定义。
定义( 伊藤积分)
良定义性 若 是另一列逼近 的简单可预测过程,则由 (4) 与三角不等式,
两条逼近列给出同一个 极限,即几乎处处相等的随机变量。故 (5) 只依赖 ,不依赖逼近列的选取。
与上限的相容性 对 ,把 截断到 后积分,与直接在 上积分一致:
在简单可预测过程上两端是同一个有限和;由 (4),两端都连续依赖于被积过程,故对一般 也成立。于是
对每个固定的 , 都作为一个 等价类有定义;不同 的定义由上述相容性拼接。取连续版本后, 才是一条真正路径连续的过程。这一相容性是下一节讨论鞅性的前提。
可预测
“可预测”指关于可预测 -代数可测:
它由左连续适应过程生成。简单可预测过程在
中稠密。这是构造中唯一的外部输入(测度论中的单调类论证);后文另需 Doob 极大不等式来取连续版本,其余步骤都是自足的。
可预测比适应更强:左连续适应过程可预测,但一般的适应过程未必可预测。
例 不是简单可预测过程(它连续且不取分段常值),但 连续适应,故可预测,并且
所以 关于自身可积。
收敛是均方意义
(5) 中的极限是 中的极限,不是逐路径极限:固定 时相应的 Riemann 和一般并不收敛。适当挑选子列使 ,再由 Borel–Cantelli 可得沿该子列的几乎必然收敛;逐路径结论需要这样的额外论证。
顺带一提(本文不使用):当 的路径连续且适应时,左 Riemann 和实际上在 上依概率一致收敛(ucp)到伊藤积分,但几乎必然收敛仍要靠抽子列。
基本性质
设 可预测,且 、。
线性
对 ,
对简单过程这是有限和的性质,而 (5) 中取 极限保持线性。
零均值与等距
在 (5) 中取极限,
于是 。
交叉等距
记 、。(3) 对一般的可预测 也成立(在 (5) 中取极限),把它用在 上再做极化:
特别地 。这说明 不仅保持范数,也保持内积:它是从 到 的等距嵌入。
鞅性
令
即把 截断到 后积分(与上限的相容性见上一节)。由构造, 是 -可测的。则 关于 是鞅:对简单过程,把 在 处细分( 在每个子区间上不变,积分值不变)。细分后,左端点 的项满足
右端点 的项,加上跨过 的区间在 上的那段,正好组成 ;而该区间在 上的那段条件期望为零。一般情形由 逼近(、)与条件期望的 压缩性取极限得到。此外
并且 有连续版本(对逼近列用 Doob 极大不等式取一致收敛子列;此后仍记该连续版本为 )。该不等式还给出定量估计
它在 SDE 的存在性证明与误差估计中反复出现。
二次变差
先设 为简单可预测过程且有界,, 为其分割。取 的一个分割,使它细化 ;细化后的分点为 ,落在 内的子区间下标集合记为 ,并记 。在 上 ,故二次变差的求和可按 分块:
内层求和是 在 上的二次变差,由 (1) 在 中收敛到 ;乘以 (它与内层求和独立)再对有限个块求和,整个和依概率收敛到 。
对不细化 的分割,把它在落在区间内部的那些 处切开(涉及至多 个分点),即可化为上面的情形。当 小于 的最小相邻间距时,每个粗区间至多跨过一个 。设跨过 的粗区间为 ,切开后平方项由 变成 ,其中
是两段互不重叠区间上的增量,长度记为 ;它们分别是 、 乘以一段布朗增量。 是 -可测的,而 ,故 。又
所以每个这样的区间贡献的 误差不超过 。这样的区间至多 个,总差在 中不超过 。因此极限与分割列的选取无关。
当分割恰为 时还能给出显式的 误差。记
由于 ,有
每个 都是 -可测的,且 。与等距的证明相同, 时由 与 得 ,所以平方和只剩对角项。 有界,故 ,于是
这里用了 是 -可测、 独立于 。于是
故 ;对每个 重复同一论证即得
一般情形分两步:先用有界可预测过程逼近 的 ,再用简单可预测过程逼近有界可预测过程。每一步的误差 都由等距给出 ,交叉项由 控制,所以二次变差的求和仍收敛到 。 几乎必然成立的情形再作停时局部化。
对两个积分 、,极化恒等式给出交叉变差
与交叉等距一致。这条性质把二次变差从布朗运动推广到伊藤积分:被积过程 决定积分的波动强度。
去掉平方可积条件
本文的构造要求 。若只有 几乎必然成立,可用停时局部化把上述结论逐段拼接,得到的是连续局部鞅而不是鞅;实际使用的 SDE 通常正是在这种局部意义下成立。
确定性被积过程的高斯性
被积过程确定时,积分是高斯随机变量;这不仅给出方差,还直接给出分布。
命题 设 不依赖 、可测,且 。则
方差为 时该分布理解为退化分布 。更一般地,对两个确定性被积过程 ,
证明 先设 为分段常值。此时积分为 ,是独立正态变量的线性组合,故服从 。一般情形取分段常值 于 ;由等距,
故 于 ,从而依分布收敛;正态分布的方差收敛时极限仍为正态,方差由等距给出。协方差公式由交叉等距给出。
例 时
被积过程一旦随机,结论就可能改变:由下一节,,它不是正态的。
对线性组合重复同一论证可知,任意有限个确定性被积过程的积分与 的任意有限维分布都是联合正态的:取共同细化分割,把该向量写成独立增量 的线性变换,再取 极限即可。线性 SDE 的解是高斯过程,正源于此,见 线性高斯扩散。
例: 关于自身的积分
命题
证明 取 于 ,它是简单可预测过程,且
故 于 ,从而由 (5),
另一方面,由代数恒等式
求和得
由 与二次变差 (1),右端在 中收敛到 ,与上式比较即得 (6)。
不同取点给出不同的值
同一个被积过程 ,三种取点的结果分别是
相邻两种取点相差 ,左右端点相差一个整的 ,正是二次变差留下的痕迹。取期望后分别是 、、:只有左端点的结果零均值,与鞅性质一致。
与 Stratonovich 积分的关系
定义(Stratonovich 积分)
被积过程足够正则时该极限存在。对 (),两种积分的关系是
启发式推导 把中点值展开:
乘上 后,第一项给出伊藤积分,第二项是 ,由二次变差收敛到 ,余项是 ,其 范数不超过 。取 即得 ,与上面的例子一致。
两者没有优劣,只是用途不同:伊藤积分保持零均值与鞅性,等距使 计算方便,是概率论与 SDE 的标准语言;Stratonovich 积分满足经典链式法则,在坐标变换下形式不变,便于流形上的几何表述,代价是它一般不再是鞅,等距也要换成含协变差的版本。二者由 (7) 中的二次变差项相互转换。
常见误区
- 把 写成 。 伊藤积分给出 ,差的 是二次变差项; 属于 Stratonovich 积分。
- 以为积分可以逐路径计算。 (5) 是 中的极限,不是固定 下的 Riemann–Stieltjes 极限。
- 以为等距需要 与 独立。 在 是 -可测的前提下,只需 与 ;交叉项也不必依赖独立性,二阶正交足够。
- 把“适应”当成“可预测”。 被积过程必须可预测,适应还不够。例如取 ,则 是适应的,但在 时刻突然归零,左极限无法预知,因而不可预测;()更不是适应的,自然也不在定义域内。
- 把 当作代数等式。 它是二次变差 (1) 的简写: 在 中成立,而不是逐路径的恒等式。同理 是比 更高阶的小量(即 );这类“随机泰勒展开”的每一项都要回到分割和去验证。
- 把 条件当成积分存在的必要条件。 只是本构造的要求;若只有 几乎必然成立,停时局部化后积分仍有定义,只是从鞅退化为连续局部鞅。
小结
伊藤积分由三件事拼成:二次变差使取点成为定义的一部分;取左端点保证非预见性(可预测性);等距把有限和的定义延拓到 。由此得到的对象零均值、满足等距、作为上限的函数是鞅,但它不是逐路径的 Riemann–Stieltjes 积分。
把主要结论集中如下:
| 内容 | 结论 |
|---|---|
| 构造 | 先用 (2) 对简单可预测过程定义积分,再由 (5) 取 极限 |
| 等距 | |
| 交叉等距 | |
| 鞅性 | 是鞅,有连续版本, |
| 二次变差 | |
| 确定性 | |
| 自身积分 | |
| Stratonovich |
后续
伊藤积分是随机微积分的起点,几处直接延续: