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4/08/2012

[隨機分析] Uniqueness and Existence theorem for S.D.E. (4) - The Existence of Solution

延續前篇。繼續逐步完成 Existence 的證明:
現在我們有Picard iteration 與 如下 LEMMA

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Iteration Scheme (Picard Iteration):
給定 X(0)t:=x0,與下列跌代過程:
X(n+1)t=x0+t0μ(s,X(n)s)ds+t0σ(s,X(n)s)dBs    ()==============================

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Lemma 
μ,σ 滿足Lipschitz condtion:
|μ(t,x)μ(t,y)|2+|σ(t,x)σ(t,y)|2K|xy|2則存在一個常數 C 使得 由Picard iteration所定義的隨機過程 X(n)t滿足下列不等式:
E[sup0st|X(n+1)sX(n)s|2]Ct0E[|X(n)sX(n1)s|2]===============================

有了這個Lemma 我們便可以開始證明Picard iteration 的跌代過程sequence X(n)tXt almost surely。(why we need almost surely?) 因為事實上我們需要證明SDE的解為連續,為了要保持連續性,我們需要almost sure uniformly convergence。故想法如下:

注意到為了要證明 uniform convergence,我們需要先製造出Cauchy Sequence 再透過Completeness 推得 Picard iteration 產生的 X(n)tXt almost surely & uniformly。

現在令
gn(t):=E[sup0st|X(n+1)sX(n)s|2]
則Lemma告訴我們
E[sup0st|X(n+1)sX(n)s|2]Ct0E[|X(n)sX(n1)s|2]gn(t)Ct0gn1(s)ds    ()注意到對t[0,T],存在一個常數M 使得 g0(t)M (WHY?)


;利用 ()我們可以計算下一步跌代的上界為 g1(t)MCt,且by induction,可以推得對第n步跌代的上界為
gn(t)MCntnn!由Markov inequality: P(Xa)E[Xr]ar, r>0可知
P(sup0st|X(n+1)sX(n)s|2n)E[sup0st|X(n+1)sX(n)s|2](2n)2P(sup0st|X(n+1)sX(n)s|2n)(122n)(MCntnn!)P(sup0st|X(n+1)sX(n)s|2n)MCnTn22nn!上述機率為summable (亦即加到無窮大不會爆掉,因為 分母項的 n! dominated 分子項,故當 n 夠大的時候,上式收斂到0)。

現在我們手上有summable的機率,則由 Borel-Cantelli Lemma 給予我們Almost surely limit。
----
Borel Cantelli Lemma
{Ai} 為任意事件sequence,則
i=1P({Ai})<P(i=11{Ai}<)=1----

也就是說事件
{sup0st|X(n+1)sX(n)s|2n}只會發生有限次。故我們得到 對n夠大的時候,我們有
sup0st|X(n+1)sX(n)s|<2n almost surely (a.s.)亦即對n夠大的時候,我們有 almost surely 的 Cauchy sequence of functions。
||X(n+1)sX(n)s||<2n a.s.由 Completeness 與 FACT: Cauchy sequence of functions 必為 uniform convergence,我們可知極限存在且連續性被保證。我們稱此almost sure continuous limit 為 Xt亦即
X(n)tXt  a.s.

接著如果我們可以證明極限 XtL2 boundedness;則我們就可得到
X(n)tXtL2(dP),  t[0,T]
故現在觀察
E[(X(n+1)tX(n)t)2]gn(t)MCnTn22nn!(E[(X(n+1)tX(n)t)2])1/2(MCnTn22nn!)1/2X(n)tXtL2(dP)(MCnTn22nn!)1/2
也就是說X(n)t 為 Cauchy sequence in L2。又由先前證明我們知道Xn)t 有 almost sure 極限。
{X(n)tXtinL2X(n)tXta.s.由極限的唯一性我們知道此兩個極限 (L2 limit 與 a.s limit) 必須相等。

現在我們開始利用 L2 limit 來幫助我們計算
t0σ(s,X(n)s)dBst0σ(s,Xs)dBsL2=E[(t0[σ(s,X(n)s)σ(s,Xs)]dBs)2]1/2由Ito isometry可知
E[t0[σ(s,X(n)s)σ(s,Xs)]2ds]1/2    ()
再由Lipschitz condition 與 三角不等式 我們可得
()K1/2E[t0|X(n)sXs|2ds]1/2(Lipschitz.)K1/2m=n{E[t0|Xm+1sXs(m)|2ds]}1/2K1/2m=n(t0gm(s)ds)1/20.(Δineq.)最後式成立是因為由Lemma的結果得知其收斂。
同樣的對 n
t0[μ(s,X(n)s)μ(s,Xs)]2ds0
故我們現在有
{t0μ(s,X(n)s)dst0μ(s,Xs)ds,inL2t0σ(s,X(n)s)dst0σ(s,Xs)ds,inL2現在我們可以檢驗 Xt 確實為SDE的解:
n,觀察 Picard iteration
X(n+1)t=x0+t0μ(s,X(n)s)ds+t0σ(s,X(n)s)dBs    ()上式的左邊,我們知道
X(n)tXt uniformly on [0,T]至於上式右方,我們由L2 convergence 表示 存在一個 almost convergent 的子序列 (subsequence);故對任意固定 t[0,T]我們有一個subsequence {nk}使得
{t0μ(s,X(nk)s)dst0μ(s,Xs)ds,a.s.t[0,T]Qt0σ(s,X(nk)s)dBst0σ(s,Xs)dBs,a.s.t[0,T]Q因此,若我們取 nk,則可得到
Xt=x0+t0μ(s,Xs)ds+t0σ(s,Xs)dBst[0,T]Q
最後,因為上式左右兩邊為連續,故對 t[0,T]Q 成立的結果可以被拓展到 t[0,T] 至此證明完畢。





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