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7/09/2014

[隨機過程] 布朗運動的 Reflection Principle 與 First Passage Time Problem

定義 $\{ W_t\}$ 為標準布朗運動。現給定常數邊界 $b >0$,定義 停止時間 (stopping time) 或稱 首次穿越時間 (First passage time)
\[
\tau_b := \inf \{ t : W_t \ge b\}
\]
我們想要計算 $P(\tau_b \le t) = ?$

上述問題稱為 首次穿越時間問題 (First passage time (FPT) problem)

=========
那麼如何求解上述FPT問題呢?

首先注意到
\[
\{ \tau_b \le t, W_t >b \} \equiv \{ W_t > b\}
\] 上式成立由於布朗運動的 sample path 連續性 (Path Continuity),與 $W(0)=0$,故 $W_t > b  \Rightarrow \tau_b \le t$,亦即 $\{ W_t > b\} \subset \{ \tau_b \le t\}$。故
\[
\{ \tau_b \le t, W_t >b \} \equiv \{ W_t > b\}
\]

現在我們計算 $P(\tau_b \le t) $,利用 Law of total Probability 可得
\[\begin{array}{l}
P({\tau _b} \le t) = P({\tau _b} \le t,{W_t} < b) + P({\tau _b} \le t,{W_t} > b) \\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = P({W_t} < b|{\tau _b} \le t)P\left( {{\tau _b} \le t} \right) + P({\tau _b} \le t,{W_t} > b)\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = P({W_t} < b|{\tau _b} \le t)P\left( {{\tau _b} \le t} \right) + P({W_t} > b) ....\ \ \ \ (*)
\end{array}
\]上式中的 $P(W_t > b)$ 可以由布朗運動定義計算出來,因為 $W_t \sim \cal{N}(0,t)$,故
\[
P(W_t > b) = 1 - P(W_t \le b) = 1 - \Phi(\frac{b}{\sqrt{t}})
\] 其中 $\Phi(\cdot)$ 為 Standard Normal Cumulative Distribution Function.

接著,我們計算 $P({W_t} < b|{\tau _b} \le t)$,事實上由 Path Continuity 我們可知 $W_{\tau_b} = b$,故在給定 $\tau_b \le t$ 的時候,隨機過程在時刻 $t$ 時 高於 邊界 $b$ 的機率 與 低於 邊界 $b$ 的機率應該相同;亦即
\[
P({W_t} < b|{\tau _b} \le t) = \frac{1}{2}
\]
(上述結果稱為 Reflection Principle ,嚴格證明需要利用 Strong Markov property,但此處我們略過)。下圖亦顯示了 Reflection Principle 的想法



故我們將上述結果代回 $(*)$,可得
\[\begin{array}{l}
P({\tau _b} \le t) = P({W_t} < b|{\tau _b} \le t)P\left( {{\tau _b} \le t} \right) + P({W_t} > b)\\
 \Rightarrow P({\tau _b} \le t) = \frac{1}{2}P\left( {{\tau _b} \le t} \right) + P({W_t} > b)\\
 \Rightarrow P\left( {{\tau _b} \le t} \right) = 2P({W_t} > b) = 2\left( {1 - \Phi \left( {\frac{b}{{\sqrt t }}} \right)} \right)
\end{array}\]



Ref: Joseph T. Chang, "Stochastic Processes Lecture Note" Yale University.

11/28/2013

[隨機過程] 隨機過程淺淺談(III) - Brownian motion (or Wiener Process)

這次要介紹的是 隨機過程中一個極為重要的過程,稱作
布朗運動(Brownian motion) or 維納過程(Wiener process)

介紹定義之前先看一下 布朗運動 長什麼樣子
上圖黑線部分即為布朗運動的實現 (Realization);或稱 sample path。
可以發現
  1. Brownian motion 的 sample path 非常不規則(very wiggly),(此不規則性質將導致對任意一處都無法微分)
  2. Brownian motion 隨著時間增大的時候,其散開程度 (之後會用 variance 描述) 越明顯

有了上述直覺之後我們看定義會比較清楚。

以下是 Brownian motion 的定義
===================
Definition: (Standard Brownian Motion or Wiener Process)
一個實數連續時間的隨機過程 $\{ B_t\}_{0 \leq t < \infty}$ 為一個標準布朗運動(Standard Brownian Motion),如果其滿足下列四個性質:

(1) $B_0 =0$ almost surely (亦即: 機率 $P(\{B_0 =0\}) =1$)

(2) 考慮時間區間 $(t_1,t_2], (t_2,t_3],...(t_n,t_{n+1}]$ 互為分離(disjoint)的區間,則其對應的增量增量彼此獨立;亦即對任意 $0=t_0 < t_1 < ... < t_n$,隨機變數
\[
\{ B_{t_1} - B_{t_0}, B_{t_2} - B_{t_1}, ..., B_{t_n} - B_{t_{n-1}} \text{are independent}\}
\](3) 布朗運動的增量服從高斯分佈;亦即$B_t - B_s \sim \mathcal{N}(0,t-s)$

(4) 對 almost every $\omega$ 而言,$t \mapsto B_t(\omega)$ 為連續;亦即
\[
P(\{ \omega \in \Omega: B_t(\omega) \text{ is a continuous function of $t$}\}) =1
\]
===========================

Comments:
1. 注意到性質 (4),布朗運動為"連續"函數,(但處處不可微分;此性質會在之後再作介紹。)
2. 若性質(3) 改為 布朗運動的增量服從高斯分佈;亦即
$$
B_t - B_s \sim \mathcal{N}(0,\sigma^2(t-s))
$$ 我們稱此為 Brownian motion (不再是 "standard" Brownian motion),也就是說 $\sigma =1$ 稱為 standard Brownian motion

3. 由於性質(3),布朗運動增量服從高斯分佈,故另外布朗運動還有一個等價定義,
4. 上述 Brownian motion 可透過 MATLAB 進行模擬,有興趣的讀者我們將 MATLAB 程式碼給出如下:



===================
Definition: (Standard Brownian Motion is a Gaussian Process)
一個實數連續時間的標準布朗運動隨機過程 $\{ B_t\}_{0 \leq t < \infty}$ 為一個
mean 為 $E[B_t]=0$ 且 covariance 為 $E[B_s B_t] = s \wedge t$ 的高斯過程(Gaussian Process)
且對 almost every $\omega$ 而言,$t \mapsto B_t(\omega)$ 為連續
===========================

Comment:
1. 對於布朗運動有兩種常見的修正變體,稱作 算術布朗運動 Arithmetic Brownian Motion (ABM) 與 幾何布朗運動 Geometric Brownian Motion (GBM)。有興趣的讀者可以參閱本部落格內相關文章。

現在我們首先看個 Brownian motion 的結果:



==================
FACT 1:
給定 $B_t$ 為 Brownian motion 則 $E[B_t] = 0$ 且 $E[B_t^2] = \sigma^2t$ 以及 $Var[B_t^2]=  E[B_t^2]  =\sigma^2 t$
==================
Proof: omitted (easy to show).


Comments: 除了透過定義求證上述 FACT 之外,我們還有其他方法值得一提:回憶 Brownian motion 滿足 $B_t - B_s \sim \mathcal{N}(0,\sigma^2(t-s))$,故我們可以利用 Moment Generating Function (mgf) 來求得對應的 一階動差 與 二階動差 ,回憶 mgf 定義 我們可寫下
\[{M_{{B_t} - {B_s}}}(q): = E[{e^{q\left( {{B_t} - {B_s}} \right)}}] = \exp \left( {\frac{{{q^2}{\sigma ^2}}}{2}{{\left( {t - s} \right)}}} \right)\]由此不難求得 FACT 1 所給出的待求的各項。




==================
FACT 2:
考慮 $W_t$ 為 Brownian motion,現若給定任意時間 $t_1, t_2$,則其對應的 covariance 為
\[
cov(W_{t_1} W_{t_2}) = \sigma^2 \min(t_1, t_2)
\]==================

Proof
首先注意到給定任意 $t>0$,$E[W_t - W_0] = 0$,亦即 $E[W_t] =0$。現在給定 $t_1, t_2$;在不失一般性情況下我們令 $t_2 > t_1$,由 covariance 的定義可知
\[\begin{array}{l}
 \Rightarrow cov({W_{{t_1}}}{W_{{t_2}}}) = E\left[ {\left( {{W_{{t_1}}} - E\left[ {{W_{{t_1}}}} \right]} \right)\left( {{W_{{t_2}}} - E\left[ {{W_{{t_2}}}} \right]} \right)} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = E\left[ {{W_{{t_1}}}{W_{{t_2}}}} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = E\left[ {{W_{{t_1}}}\left( {\left( {{W_{{t_2}}} - {W_{{t_1}}}} \right) + {W_{{t_1}}}} \right)} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = E\left[ {{W_{{t_1}}}\left( {{W_{{t_2}}} - {W_{{t_1}}}} \right)} \right] + E\left[ {{W_{{t_1}}}{W_{{t_1}}}} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = \underbrace {E\left[ {{W_{{t_1}}}} \right]}_{ = 0}\underbrace {E\left[ {{W_{{t_2}}} - {W_{{t_1}}}} \right]}_{ = 0} + E\left[ {{W_{{t_1}}}^2} \right]
\end{array}\]最後一行等號成立由於 Brownian motion 的 independent increment,故現在我們有
\[cov({W_{{t_1}}}{W_{{t_2}}}) = E\left[ {{W_{{t_1}}}^2} \right] = E\left[ {{{\left( {{W_{{t_1}}} - {W_0}} \right)}^2}} \right] = {\sigma ^2}{t_1}
\]
注意到如果我們當初讓 $t_1 > t_2$,則有 $cov(W_{t_1}W_{t_2}) = \sigma^2 t_2$,故總結如下:
\[
cov(W_{t_1}W_{t_2}) = \sigma^2 \min(t_1,t_2). \ \ \ \ \ \square
\]





後記:布朗運動性質與相關研究 非常非常廣泛,有興趣讀者可以閱讀 Stochastic Process/Stochastic Calculus  或者 Advanced Probability 相關書籍或者論文。


8/27/2013

[隨機過程] Wiener Integral (2) - arbitrary function

回憶先前我們曾定義對於 (nonrandom) simple function 的 Wiener integral,亦即對時間 $t$ 做有限個數區間內做分割 且對 $t_i < t \le t_{i+1}$, $g(\tau) = g_i$,反之則 $g(\tau) = 0$。

則我們定義 Wiener integral 為
\[\int_0^\infty  {g\left( \tau  \right)d{W_\tau }} : = \sum\limits_i^{} {{g_i}\left( {{W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}}} \right)}
\]且由於此積分為對一組 independent, zero mean Gaussian random variable 做 summation,故此積分必為 zero mean Gaussian random variable 且 variance 為
\[E\left[ {{{\left( {\int_0^\infty  {g\left( \tau  \right)d{W_\tau }} } \right)}^2}} \right] = {\sigma ^2}\sum\limits_i^{} {{g_i}^2\left( {{t_{i + 1}} - {t_i}} \right)}  = {\sigma ^2}\int_0^\infty  {{g^2}\left( \tau  \right)d\tau } \]

現在我們要拓展 Wiener integral 到對任意函數 $g$ 。為了拓展到更廣的函數 $g$ 需要一些限制,我們要求 $g$ 必須滿足平方可積條件亦即
\[
\int_0^\infty g^2(\tau) d\tau < \infty
\]
現在我們看個結果:
===================
FACT: (Dense property) 若 $g$ 為平方可積 (亦即 $\int_0^\infty g^2(\tau) d\tau < \infty$),則必定存在一 piecewise-constant 函數 sequence $g_n$ 且此 $g_n \rightarrow g$ in $L^2$
\[\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \int_0^\infty  {{{\left| {{g_n}\left( \tau  \right) - g\left( \tau  \right)} \right|}^2}d\tau }  = 0 \ \ \ \ (*)
\]===================
Proof: omitted.

現在我們回憶 函數的 $L^2$-norm:
\[\left\| g \right\|_2^2: = \int_0^\infty  {{g^2}\left( \tau  \right)d\tau } \]那麼對於上述 FACT的式 $(*)$ 而言,事實上我們有
\[
\lim_{n \rightarrow \infty}||g_n - g||_2^2 =0
\]另外,由於 $g_n$ 為收斂到 $g$ 的 piecewise-constant 函數 sequence,且我們知道收斂 sequence 必為 Cauchy sequence。故存在一夠大的 $N>0$ 使得 $n,m \ge N$,
\[
||g_n - g_m||_2^2 \rightarrow 0
\]故我們知道 $g_n$ 為 Cauchy,且由於 $g_n$ 為 nonrandom simple function (piecewise-constant 函數),故我們可以利用之前對 piecewise-constant 的定義建構 Wiener integral。故令隨機變數 $Y_n$ 定為 Wiener integral
\[
Y_n := \int_0^\infty g_n(\tau) dW_{\tau}
\]其中 $g_n$ 為 piecewise-constant function 。由之前討論可知 $Y_n$ 為 zero mean 的 Gaussian 隨機變數且 variance 為
\[{\sigma ^2}\int_0^\infty  {{g^2}\left( \tau  \right)d\tau }
\]現在我們觀察
\[\begin{array}{l}
\left\| {{Y_n} - {Y_m}} \right\|_2^2: = {\rm{E}}\left[ {{{\left| {{Y_n} - {Y_m}} \right|}^2}} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}&{}&{}
\end{array} = {\rm{E}}\left[ {{{\left| {\int_0^\infty  {{g_n}} (\tau )d{W_\tau } - \int_0^\infty  {{g_m}} (\tau )d{W_\tau }} \right|}^2}} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}&{}&{}
\end{array} = {\rm{E}}\left[ {{{\left| {\int_0^\infty  {\left[ {{g_n}(\tau ) - {g_m}(\tau )} \right]} d{W_\tau }} \right|}^2}} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}&{}&{}
\end{array} = {\sigma ^2}\underbrace {\int_0^\infty  {{{\left[ {{g_n}(\tau ) - {g_m}(\tau )} \right]}^2}} d\tau }_{: = \left\| {{g_n}(\tau ) - {g_m}(\tau )} \right\|_2^2}
\end{array}\]故我們有
\[\left\| {{Y_n} - {Y_m}} \right\|_2^2 = {\sigma ^2}\left\| {{g_n}(\tau ) - {g_m}(\tau )} \right\|_2^2\]又因為$g_n$ 為 Cauchy,故 $Y_n$ 亦為 Cauchy,由 $L^2$ 為 complete,可知必存在一個隨機變數 $Y \in L^2$ 使得 $||Y_n - Y||_2 \rightarrow 0$。故此我們定義此隨機變數為
\[
Y:= \int_0^\infty g(\tau) dW_{\tau}
\]並稱其為對任意函數 $g$ 的 Wiener integral。

8/26/2013

[隨機過程] Wiener Integral (1) - simple function

在介紹之前,建議讀者須具備 Brownian motion (or Wiener process)的基本定義與相關性質。

事實上,Brownian motion $W_t$ 的行為可被視為是對 White noise 隨機過程 積分;也就是說 如果我們令 $X_t$ 為一 White noise 隨機過程 ,則 Brownian motion 可視為是 將此 White noise 送入 一組 積分器 (integrator) ,且其對應的輸出隨機過程 $Y_t$可表示成
\[
Y_t := \int_0^t X_{\tau} d\tau = W_t
\]

Comment:
1. White noise 為( Wide-sense stationary, WSS )隨機過程
2. WSS 隨機過程訊號輸入 LTI系統 必得到輸出亦為 WSS,且輸入輸出互為 Jointly-WSS。關ˊ於 jointly-WSS 的部分有興趣的讀者請參閱:[系統理論] (弱)平穩隨機過程特性 與 線性非時變系統 (2)- Jointly wide-sense stationary and Frequency domain property

現在如果將 White noise 送入一個具有脈衝響應為 $h(t)$的 relaxed LTI 系統 (relaxed 意指在初始時間為 $0$之前系統為靜止狀態 ),那麼其輸出仍可寫為 convolution integral 形式如下:
\[\int_0^\infty  {h\left( {t - \tau } \right){X_\tau }} d\tau  = \int_0^\infty  {h\left( \tau  \right){X_{t - \tau }}} d\tau \]或者我們令 $g(\tau) := h(t- \tau)$可改寫上式如下
\[\int_0^\infty  {g\left( \tau  \right){X_\tau }} d\tau  \ \ \ \ (*)
\]那麼上述對 "White noise" 的積分是否可以定義??

現在我們令 $g(\tau)$ 為在 (被分割 partitioned)區間 $(t_i, t_{i+1}]$上取值為 $g_i$ 的分段常數(piecewise constant) 或稱為 simple function:
\[g(\tau ): = \sum\limits_{i = 1}^n {{{\rm{g}}_i}{1_{\left( {{t_i},{t_{i + 1}}} \right]}}\left( \tau  \right)} \]其中 $1(\cdot)$為 indicator function。
則我們可以將 $(*)$ 改寫為
\[\begin{array}{*{20}{l}}
{\int_0^\infty  {g\left( \tau  \right){X_\tau }} d\tau  = \int_0^\infty  {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\rm{g}}_i}{1_{\left( {{t_i},{t_{i + 1}}} \right]}}\left( \tau  \right)} {X_\tau }} d\tau }\\
{\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = \sum\limits_{i = 1}^n {{{\rm{g}}_i}\int_0^\infty  {{1_{\left( {{t_i},{t_{i + 1}}} \right]}}\left( \tau  \right)} {X_\tau }} d\tau }\\
{\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = \sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}\int_{{t_i}}^{{t_{i + 1}}} {{X_\tau }} d\tau } }\\
{\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array} = \sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}\left( {\int_0^{{t_{i + 1}}} {{X_\tau }} d\tau  - \int_0^{{t_i}} {{X_\tau }} d\tau } \right)} : = \sum\limits_{i=1}^{n} {{g_i}\left( {{W_{{t_{i+1}} }} - {W_{{t_i}}}} \right)} }
\end{array}\]其中 $W_t$ 為 Wiener process 或稱 Brownian motion。


故我們定義 Wiener integral 如下
============================
Definition: Wiener Integral for piecewise constant function
對一個 piecewise constant 函數 $g(\tau)$,其 Wiener integral 定義為
\[
\int_0^\infty g(\tau) dW_\tau := \sum_{i=1}^n g_i (W_{t_{i+1}} - W_{t_i})
\]============================

注意到上式定義中,等號右方為 加總(summation ) 一組 互相獨立 且 zero mean 的 Gaussian 隨機變數。故此 summation 之後亦必仍為 Gaussian 隨機變數 且其 mean 為 $0$ , variance 為
\[\begin{array}{l}
E\left[ {{{\left( {\int_0^\infty  g (\tau )d{W_\tau }} \right)}^2}} \right] = E\left[ {{{\left( {\sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}} ({W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}})} \right)}^2}} \right]\\
 = E\left[ {\sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}^2} {{({W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}})}^2} + \sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}} ({W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}})\sum\limits_{j = 1}^n {{g_j}} ({W_{{t_{j + 1}}}} - {W_{{t_j}}})} \right]\\
 = \underbrace {E\left[ {\sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}^2} {{({W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}})}^2}} \right]}_{for\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}i = j} + \underbrace {E\left[ {\sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}} ({W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}})\sum\limits_{j = 1}^n {{g_j}} ({W_{{t_{j + 1}}}} - {W_{{t_j}}})} \right]}_{for\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}i \ne j}\\
 = \sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}^2} E\left[ {{{({W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}})}^2}} \right] + \sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}} \sum\limits_{j = 1}^n {{g_j}} E\left[ {({W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}})({W_{{t_{j + 1}}}} - {W_{{t_j}}})} \right]\\
 = \sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}^2} {\sigma ^2}\left( {{t_{i + 1}} - {t_i}} \right) + \underbrace {\sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}} \sum\limits_{j = 1}^n {{g_j}} E\left[ {{W_{{t_{i + 1}}}} - {W_{{t_i}}}} \right]E\left[ {{W_{{t_{j + 1}}}} - {W_{{t_j}}}} \right]}_{ = 0}\\
 = \sum\limits_{i = 1}^n {{g_i}^2} {\sigma ^2}\left( {{t_{i + 1}} - {t_i}} \right) = \int_0^\infty  {{g^2}} (\tau )d\tau
\end{array}\]故我們得到
\[E\left[ {{{\left( {\int_0^\infty  g (\tau )d{W_\tau }} \right)}^2}} \right] = \int_0^\infty  {{g^2}} (\tau )d\tau \]

Comment:
1. 對於 $g(\tau)$ 不再是 piecewise constant,但若滿足平方可積條件
\[
\int_0^\infty g(\tau)^2d\tau <\infty
\]則 Wiener integral 仍可透過取極限來定義。
2. \[E\left[ {{{\left( {\int_0^\infty  g (\tau )d{W_\tau }} \right)}^2}} \right] = \int_0^\infty  {{g^2}} (\tau )d\tau \]又稱為 Ito isometry。
3. 若 Wiener integral 允許對隨機過程積分,如
\[
\int_0^\infty W_\tau d W_\tau, \;\; \int_0^\infty B_{\tau} d B_\tau
\]其中 $W_t$ (or $B_t$) 稱為 Wiener process 或者 Brownian motion。此種 積分稱為 Ito integral。有興趣讀者請參閱
[隨機分析] Ito Integral 淺談 (I) - Ito Integral 的建構與 Ito Isometry property

4/29/2012

[隨機分析] How to solve SDE practically (4) - Geometric Brownian Motion

這次要介紹的是如何直接求解隨機微分方程 (SDE)? 我們這邊將以 Geometric Brownian Motion 為例:

考慮如下 SDE:
\[
dX_t = \mu X_t dt + \sigma X_t dB_t
\] 其中 $\mu, \sigma$ 為固定常數滿足 $-\infty < \mu < \infty, \ \sigma >0$ ,且給定初始條件 $X_0$

Comment: 
1. 上述 SDE 稱為 Geometric Brownian Motion (GBM)。此 process 在財務上有重要的應用:EX: GBM 為股價波動的基本模型。

2. Compare to Arithmetic Brownian Motion (ABM):
\[
dX_t = \mu dt + \sigma dB_t
\]
Sol:
首先檢驗 Uniqueness 與 Existence :

由 SDE 的 Uniqueness 與 Existence Theorem,
考慮 $t \in [0,T]$,SDE:
\[
dX_t = \mu(t,X_t)dt + \sigma(t,X_t) dB_t, \ X(0)=x_0
\]若其係數 $\mu, \sigma$滿足  Lipschitz condition
\[
|\mu(t,x) - \mu(t,y)|^2 + |\sigma(t,x) - \sigma(t,y)|^2 \leq K |x-y|^2
\]與 Growth condition
\[
|\mu(t,x)|^2 + |\sigma(t,x)|^2 \leq K(1 + |x|^2)
\]則我們的 SDE 解存在且唯一。

故此 我們首先檢驗 Lipschitz Condition : 觀察 GBM 可知 $\mu(t, X_t) =\mu X_t$, $\sigma(t,X_t) = \sigma X_t $,計算
\[
 |(\mu x) - (\mu y){|^2} + |(\sigma x) - (\sigma y){|^2} = \left( {{\mu ^2} + {\sigma ^2}} \right)|x - y{|^2}
\]令 $K \geq {{\mu ^2} + {\sigma ^2}}$,則我們有如下關係:
\[|(\mu x) - (\mu y){|^2} + |(\sigma x) - (\sigma y){|^2} \le K|x - y{|^2}
\]亦即滿足 Lipschitz Condition。

接著我們檢驗 Growth Condition:
\[|\mu x{|^2} + |\sigma x{|^2} = \left( {{\mu ^2} + {\sigma ^2}} \right){x^2}
\]故我們可選與 Lipschitz condition 相同的 $K$ 滿足 $K \geq {{\mu ^2} + {\sigma ^2}}$ ,則我們有
\[|\mu x{|^2} + |\sigma x{|^2} \le K\left( {{{\left| x \right|}^2}} \right) \le K\left( {1 + {{\left| x \right|}^2}} \right)
\]亦即滿足 Growth Condition。

由於 Lipschitz 與 Growth Condition皆滿足,故由 SDE 的 Uniqueness 與 Existence Theorem 我們可知 GBM 解存在且唯一。

故現在開始求解:
改寫 GBM 如下
\[\begin{array}{l}
d{X_t} = \mu {X_t}dt + \sigma {X_t}d{B_t}\\
 \Rightarrow d{X_t} - \left( {\mu dt + \sigma d{B_t}} \right){X_t} = 0
\end{array}
\]定義積分因子:
\[{U_t}: = {e^{ - \int_0^t {\left( {\mu dt + \sigma d{B_t}} \right) + \frac{1}{2}{\sigma ^2}t} }} = {e^{ - \mu t + \frac{1}{2}{\sigma ^2}t - \sigma {B_t}}}
\] 由 Integration by part,計算
\[d\left( {{X_t}{U_t}} \right) = {X_t}d{U_t} + {U_t}d{X_t} + d\left\langle {{X_t},{U_t}} \right\rangle \ \ \ \ (*)
\]其中
\[\left\{ \begin{array}{l}
d{U_t} = \left( { - \mu  + \frac{1}{2}{\sigma ^2}} \right){U_t}dt - \sigma {U_t}d{B_t} + \frac{1}{2}\sigma {U_t}dt\\
 \Rightarrow d{U_t} = {U_t}\left[ { - \mu dt + {\sigma ^2}dt - \sigma d{B_t}} \right]\\
d\left\langle {{X_t},{U_t}} \right\rangle  = d{X_t} \cdot d{U_t}\\
 = \left( {\mu {X_t}dt + \sigma {X_t}d{B_t}} \right)\left( {{U_t}\left[ { - \mu dt + {\sigma ^2}dt - \sigma d{B_t}} \right]} \right) =  - {\sigma ^2}{X_t}{U_t}dt
\end{array} \right.
\]注意到上述結果 $dU_t$ 為利用 Ito Formula 而得。

現在將上述結果代入 $(*)$ 可得
\[\begin{array}{l}
 \Rightarrow d\left( {{X_t}{U_t}} \right) = {X_t}{U_t}\left[ { - \mu dt + {\sigma ^2}dt - \sigma d{B_t}} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}&{}&{}
\end{array} + {U_t}\left( {\mu {X_t}dt + \sigma {X_t}d{B_t}} \right) - {\sigma ^2}{X_t}{U_t}dt\\
 \Rightarrow d\left( {{X_t}{U_t}} \right) = 0
\end{array}
\]現在將其轉換回積分形式:
\[\begin{array}{l}
d\left( {{X_t}{U_t}} \right) = 0\\
 \Rightarrow {X_t}{U_t} - {X_0}{U_0} = 0\\
 \Rightarrow {X_t}{U_t} = {X_0}{U_0} = {X_0}\\
 \Rightarrow {X_t}{e^{ - \mu t + \frac{1}{2}{\sigma ^2}t - \sigma {B_t}}} = {X_0}\\
 \Rightarrow {X_t} = {X_0}{e^{\mu t - \frac{1}{2}{\sigma ^2}t + \sigma {B_t}}}
\end{array}
\] 故我們得到一個 GBM 的解,現在我們檢驗此解確實滿足 GBM:
定義
\[
{X_t} = {X_0}\underbrace {{e^{\mu t - \frac{1}{2}{\sigma ^2}t + \sigma {B_t}}}}_{: = {V_t}}: = {X_0}{V_t}
\]利用 integration by part:
\[d{X_t} = d\left( {{X_0}{V_t}} \right) = {X_0}d\left( {{V_t}} \right) + {V_t}d\left( {{X_0}} \right) + d\left\langle {{X_0},{V_t}} \right\rangle  \ \ \ \ (\star)
\]其中
\[\left\{ \begin{array}{l}
d{V_t} = {V_t}\left[ {\left( {\mu  - \frac{1}{2}{\sigma ^2}} \right)dt + \sigma d{B_t} + \frac{1}{2}{\sigma ^2}dt} \right] = {V_t}\left[ {\mu dt + \sigma d{B_t}} \right]\\
d\left( {{X_0}} \right) = 0\\
d\left\langle {{X_0},{V_t}} \right\rangle  = d{X_0}d{V_t} = 0\\
\end{array} \right.
\]將上述結果代入 $\star$ 可得
\[\begin{array}{l}
d{X_t} = {X_0}d\left( {{V_t}} \right) + {V_t}d\left( {{X_0}} \right) + d\left\langle {{X_0},{V_t}} \right\rangle \\
 \Rightarrow d{X_t} = {X_0}{V_t}\left[ {\mu dt + \sigma d{B_t}} \right] = {X_0}{e^{\mu t - \frac{1}{2}{\sigma ^2}t + \sigma {B_t}}}\left[ {\mu dt + \sigma d{B_t}} \right]
\end{array}
\] 又因為我們之前定義 $X_t := X_0 V_t$,故 ${X_t}{e^{ - \mu t + \frac{1}{2}{\sigma ^2}t - \sigma {B_t}}} = {X_0}$,將此結果也代入上式中的 $X_0$ 我們得到
\[\begin{array}{l}
d{X_t} = {X_t}{e^{ - \mu t + \frac{1}{2}{\sigma ^2}t - \sigma {B_t}}}{e^{\mu t - \frac{1}{2}{\sigma ^2}t + \sigma {B_t}}}\left[ {\mu dt + \sigma d{B_t}} \right]\\
 \Rightarrow d{X_t} = \mu {X_t}dt + \sigma {X_t}d{B_t}
\end{array}
\]此為 GBM ,故 ${X_t} = {X_0}{e^{\mu t - \frac{1}{2}{\sigma ^2}t + \sigma {B_t}}}$ 確實為 GBM 的 (唯一) 解。 $\square$

Comments:
關於上述的 GBM 的解可寫作下列形式
\[{X_t} = {X_0}{e^{\mu t - \frac{1}{2}{\sigma ^2}t + \sigma {B_t}}} = {X_0}{e^{t\left( {\mu  - \frac{1}{2}{\sigma ^2} + \sigma \frac{{{B_t}}}{t}} \right)}}
\]注意到上式中的 $\frac{B_t}{t} \rightarrow 0 \ \text{almost surely}$ 當 $t \rightarrow \infty$ ,(此結果可利用 Strong Law of Large number 證明,在此略過),故現在觀察上式,當 $t \rightarrow \infty$ 我們得到以下的結果:
\[{X_t} = \left\{ \begin{array}{l}
\infty ,\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\text{if}\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}\mu  > \frac{1}{2}{\sigma ^2}\\
0,\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\text{if}\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}\mu  < \frac{1}{2}{\sigma ^2}\\
{X_0}{e^{\sigma {B_t}}},\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\text{if}\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}\mu  = \frac{1}{2}{\sigma ^2}
\end{array} \right.
\]

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