現在我們有Picard iteration 與 如下 LEMMA
==============================
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 (∗)==============================
===============================
Lemma
若 μ,σ 滿足Lipschitz condtion:
|μ(t,x)−μ(t,y)|2+|σ(t,x)−σ(t,y)|2≤K|x−y|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[sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|2]≤C∫t0E[|X(n)s−X(n−1)s|2]===============================
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)t→Xt almost surely & uniformly。
現在令
gn(t):=E[sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|2]
則Lemma告訴我們
E[sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|2]≤C∫t0E[|X(n)s−X(n−1)s|2]⇒gn(t)≤C∫t0gn−1(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(X≥a)≤E[Xr]ar, r>0可知
P(sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|≥2−n)≤E[sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|2](2−n)2⇒P(sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|≥2−n)≤(12−2n)(MCntnn!)⇒P(sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|≥2−n)≤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
若 {Ai} 為任意事件sequence,則
∞∑i=1P({Ai})<∞⇒P(∞∑i=11{Ai}<∞)=1----
也就是說事件
{sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|≥2−n}只會發生有限次。故我們得到 對n夠大的時候,我們有
sup0≤s≤t|X(n+1)s−X(n)s|<2−n 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)s−X(n)s||<2−n 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)t→Xt a.s.
接著如果我們可以證明極限 Xt 是 L2 boundedness;則我們就可得到
X(n)t→Xt∈L2(dP), ∀ t∈[0,T]
故現在觀察
E[(X(n+1)t→X(n)t)2]≤gn(t)≤MCnTn22nn!⇒(E[(X(n+1)t→X(n)t)2])1/2≤(MCnTn22nn!)1/2⇒‖X(n)t→Xt‖L2(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)t→XtinL2X(n)t→Xta.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)dBs−∫t0σ(s,Xs)dBs‖L2=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)s−Xs|2ds]1/2(Lipschitz.)≤K1/2∞∑m=n{E[∫t0|Xm+1s−Xs(m)|2ds]}1/2≤K1/2∞∑m=n(∫t0gm(s)ds)1/2→0.(Δ−ineq.)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)]2ds→0
故我們現在有
{∫t0μ(s,X(n)s)ds→∫t0μ(s,Xs)ds,inL2∫t0σ(s,X(n)s)ds→∫t0σ(s,Xs)ds,inL2現在我們可以檢驗 Xt 確實為SDE的解:
令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)t→Xt 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)ds→∫t0μ(s,Xs)ds,a.s.∀t∈[0,T]∩Q∫t0σ(s,X(nk)s)dBs→∫t0σ(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)dBs 對 ∀t∈[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。 ◻
沒有留言:
張貼留言