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随机微分方程第二章课后习题解答

随机微分方程第二章课后习题解答

第二章习题及详细解答

中文版

预备知识与符号

设  是一个概率空间,其中:

  •  表示样本空间;
  •  表示事件组成的 -代数;
  •  表示概率测度;
  •  表示随机变量  的数学期望。

若  是从原点出发的一维标准布朗运动,则

对于任意 ,布朗运动的增量满足

此外,布朗运动在互不相交的时间区间上的增量相互独立。

若  是从点  出发的  维布朗运动,则其转移概率密度为


习题 2.1:取可数多个值的随机变量

题目

设函数  只取可数多个可能值

证明以下结论。

(1)

 是随机变量,当且仅当

(2)

若上述可测性条件成立,则

(3)

若进一步有 ,则

(4)

若  是有界可测函数,则

解答

第(1)问:证明可测性的等价条件

首先假设  是随机变量。

按照随机变量的定义, 是从  到  的可测函数。因此,对于任意 Borel 集 ,都有

由于单点集  是 Borel 集,所以

这就证明了必要性。

下面证明充分性。假设对于每个  都有

任取一个 Borel 集 。由于  只可能取值于集合

所以

右端是至多可数个  中集合的并。因为  是 -代数,所以它对可数并封闭,从而

因此  是可测函数,也就是随机变量。

综上,

第(2)问:计算 

假设  互不相同。对于每个 ,恰好存在一个 ,使得

因此可以将  写成

定义部分和

显然,

并且

根据单调收敛定理,

对于每个固定的 

令 ,得到

第(3)问:计算 

则根据第(2)问,

因此级数

绝对收敛。

又因为

所以可以交换期望和无穷求和,得到

第(4)问:计算 

由于  有界,存在常数 ,使得

同时,

注意到

因此该级数绝对收敛,从而


习题 2.2:分布函数与  的密度

题目

设  是随机变量,其分布函数定义为

证明:

  1.  单调不减;
  2.  右连续;
  3. 若  可测且 ,则

最后,求一维标准布朗运动的平方  的概率密度。

解答

分布函数的取值范围

因为  是事件  的概率,所以

当  时的极限

考虑事件列

随着  增大,事件  单调增加,并且

根据概率测度的下连续性,

所以

当  时的极限

考虑事件列

随着  增大, 单调减小,并且

根据概率测度的上连续性,

因此

单调性

若 $x_1

根据概率的单调性,

所以  单调不减。

右连续性

取一列正数 ,满足

根据概率测度的上连续性,

因此  右连续。

Lebesgue–Stieltjes 积分公式

定义  的分布测度为

分布函数满足

由分布函数  生成的 Lebesgue–Stieltjes 测度与  在所有区间  上相同,因此二者是同一个测度。

所以

求  的概率密度

因为

所以  的概率密度为

显然 。当  时,

当  时,

对于 ,对上式求导:

由于正态密度关于原点对称,

所以

最终得到


习题 2.3:-代数的交

题目

设  是  上的一族 -代数。证明

仍然是  上的 -代数。

解答

因为每个  都是 -代数,所以

对所有  都成立。因此

若 ,则

对所有  成立。由于每个  对补集封闭,

对所有  成立,所以

最后,若

则对于所有  和所有 ,都有

由于  对可数并封闭,

这个结论对所有  都成立,因此

所以  是一个 -代数。


习题 2.4:Chebyshev 不等式与指数尾估计

题目

设  是随机变量,并且存在 ,使得

证明对任意 

进一步,若存在 ,使得

证明对任意 

解答

定义事件

在事件  上有

因此,对每个 

两边取期望,得到

所以

对于第二个结论,在事件  上,

因此

取期望得到


习题 2.5:独立随机变量乘积的期望

题目

设  和  是两个相互独立的有界随机变量。证明

解答

先考虑简单随机变量。设

其中

由于  和  相互独立, 和  相互独立。因此

所以

对于一般有界随机变量,可以用简单随机变量列  和  一致逼近:

每个  都是  的可测函数,每个  都是  的可测函数,因此  与  仍然独立。

于是

令 ,由控制收敛定理得到


习题 2.6:Borel–Cantelli 引理

题目

设 ,并且

证明

解答

定义

事件  表示从第  项开始,后面至少有一个事件  发生。

由于

所以  是一个递减事件列。

根据概率的次可加性,

由于级数

收敛,其尾和趋于零,即

因此

由概率测度的上连续性,

所以


习题 2.7:有限 -代数的结构

题目

设  是  的两两不交子集,并且

证明由  以及所有  的并组成的集合族是一个 -代数。

进一步证明,任何有限 -代数都具有这种形式。

最后证明:若  是有限 -代数,且  是 -可测随机变量,则  只能取有限多个值。

解答

定义

当  时,

当  时,

则由于  是一个划分,

因此 

对于任意可数个集合

所以  对可数并封闭,因此  是 -代数。

对于一般有限 -代数 ,在  上定义等价关系:

当且仅当对所有 

等价类构成  的有限划分。记这些等价类为

每个  都是若干个  的并。因此有限 -代数恰好由其原子的所有并组成。

若  是 -可测的,则  在每个原子  上必须为常数。

反设存在 ,使得

$$X(\omega)<x(\eta). $$="" 可以选择有理数 ,满足$$X(\omega)<q<x(\eta). $$="" 由于  可测,

但该集合包含  而不包含 ,与二者属于同一原子矛盾。

因此  在每个  上为常数。设其值为 ,则


习题 2.8:布朗运动的特征函数和矩

题目

设  是从原点出发的一维布朗运动。

证明

进一步证明

以及

解答

因为

所以根据正态分布的特征函数公式,

也可以从积分出发:

展开左端:

展开右端:

右端没有奇数次幂,所以

比较  的系数,有

因此

当  时,


习题 2.9:版本与样本路径的连续性

题目

在无原子概率空间

上定义

以及

证明  和  具有相同的有限维分布,并且  是  的一个版本,但是  的每条样本路径都不连续,而  的每条样本路径都连续。

解答

固定 。有

由于概率测度  对单点集没有质量,

所以

因此,对于每个固定的  与  几乎处处相等,即  是  的一个版本。

任取有限多个时刻 。因为

所以

几乎处处成立。

处处成立,所以二者具有相同的有限维分布。

对于固定的 

是恒等于零的连续函数。

但是

取  且 ,则

因此  在  处不连续。


习题 2.10:布朗运动的平稳增量

题目

证明对任意固定的 ,过程

的分布不依赖于 

解答

固定 ,定义

任取

$$0=h_0<h_1<\cdots<h_m. $$="" 

这些增量对应互不相交的时间区间,因此相互独立。

同时,

该分布只依赖于时间区间的长度,而不依赖于起点 

所以

因此

这就证明了布朗运动具有平稳增量。


习题 2.11:多维布朗运动的坐标过程

题目

是  维布朗运动。证明各个坐标过程

是相互独立的一维布朗运动。

解答

对于任意 $0\leq s

所以其第  个坐标满足

由于  的向量增量在互不相交的时间区间上相互独立,所以每个坐标过程也具有独立增量。

又因为  的路径连续,所以每个坐标函数

都连续。

因此每个  都是一维布朗运动。

对不同坐标 ,有

由于这些随机变量联合服从高斯分布,不相关就意味着独立,因此不同坐标过程相互独立。


习题 2.12:平移后的布朗运动

题目

固定 ,定义

证明  是布朗运动。

解答

首先,

由于  具有连续路径, 也具有连续路径。

对于 $0\leq s

根据布朗运动增量的性质,

而且  在互不相交时间区间上的增量,对应于  在互不相交时间区间上的增量,因此相互独立。

所以  是标准布朗运动。


习题 2.13:二维布朗运动位于圆盘中的概率

题目

设  是从原点出发的二维布朗运动,并定义

计算

解答

二维布朗运动在时刻  的概率密度为

因此

使用极坐标

其中

面积元为

所以

因此

最终得到


习题 2.14:布朗运动在零测集中的停留时间

题目

设  是  中的布朗运动, 的 Lebesgue 测度为零。证明布朗运动在  中停留的总时间的期望为零。

解答

定义停留时间

由于被积函数非负,可以使用 Tonelli 定理:

对每个 

由于  的 Lebesgue 测度为零,

因此

所以

由于 ,还可以推出


习题 2.15:布朗运动的正交不变性

题目

设  是从原点出发的  维布朗运动, 是一个正交矩阵,即

定义

证明  仍然是  维布朗运动。

解答

首先,

由于线性变换是连续的,且  的路径连续,所以  的路径也连续。

对于 $0\leq s

因为

所以变换后的协方差矩阵为

因此

确定性的线性变换不会破坏不同增量之间的独立性,所以  具有独立增量。

故  是  维布朗运动。


习题 2.16:布朗运动的尺度变换

题目

设  是一维标准布朗运动,。定义

证明  仍然是标准布朗运动。

解答

首先,

由于  具有连续路径, 也具有连续路径。

对任意 $0\leq s

因此

不相交区间上的增量仍然相互独立,所以  是标准布朗运动。

尺度变换也可以写成


习题 2.17:二次变差与总变差

题目

给定分割

$$0=t_0<t_1<\cdots<t_m=t, $$="" 

以及

定义

证明

进而证明,当分割的网格趋于零时,

在  中成立。

最后证明,布朗运动几乎所有样本路径在  上都具有无限总变差。

解答

因为

所以

根据正态随机变量的四阶矩公式,

因此

另一方面,

由于不同时间区间上的布朗增量相互独立,所以随机变量  也相互独立。因此

记分割的网格为

所以

当  时,

因此

这说明布朗运动的二次变差为

下面证明总变差为无穷。

假设某条连续函数  在  上具有有限总变差

对于任意分割,

由于  在紧区间上连续,所以它一致连续。当分割网格趋于零时,

因此有限变差连续函数的二次变差必须为零。

但是布朗运动的二次变差为

所以布朗运动的样本路径不可能具有有限总变差。

因此,对于任意 


English Version

Chapter 2 Exercises and Detailed Solutions

Preliminary notation

Let  be a probability space. Let  denote the expectation of a random variable .

A one-dimensional standard Brownian motion satisfies

and

Its increments over disjoint time intervals are independent.


Exercise 2.1: Countably valued random variables

Problem

Suppose that  takes only countably many values

Prove that  is a random variable if and only if

for every . Derive formulas for , and .

Solution

If  is measurable, then each singleton  is a Borel set. Hence

Conversely, suppose that every set  is measurable. For any Borel set ,

The right-hand side is a countable union of measurable sets, so  is measurable.

Pointwise,

By the monotone convergence theorem,

If , then

For a bounded measurable function ,

and therefore


Exercise 2.2: Distribution functions and the density of 

Solution

The distribution function

satisfies

Since the events  increase to ,

Since the events  decrease to the empty set,

If $x_1<x_2$, then<="" p="">

so  is nondecreasing.

For ,

Therefore,

which proves right continuity.

If  is measurable and , then

Now set

Since ,

For ,

Differentiating gives

By symmetry,

Therefore,


Exercise 2.3: Intersections of sigma-algebras

Let

Every  contains , so .

If , then  for every , and hence

for every . Thus .

If , then

for every . Hence

Therefore  is a sigma-algebra.


Exercise 2.4: Chebyshev's inequality

On the event ,

Hence

Taking expectations gives

Thus

Similarly, on ,

Therefore,

and


Exercise 2.5: Products of independent random variables

For simple independent random variables,

independence gives

Thus

General bounded random variables can be uniformly approximated by simple random variables. Passing to the limit gives


Exercise 2.6: The Borel–Cantelli lemma

Define

Then  decreases and

Since the series converges, its tail tends to zero. Hence

By continuity from above,

Thus infinitely many  occur with probability zero.


Exercise 2.7: Finite sigma-algebras

Suppose  form a partition of . The family of all unions of the  contains , is closed under complements, and is closed under countable unions. Hence it is a sigma-algebra.

Conversely, every finite sigma-algebra can be decomposed into finitely many atoms

Every measurable set is a union of these atoms.

If  is measurable, then it must be constant on every atom. Therefore,

Hence  takes only finitely many values.


Exercise 2.8: Moments of Brownian motion

Since ,

Expanding both sides and comparing coefficients gives

and

In particular,

For an -dimensional Brownian motion, let

where the  are independent  variables. Then


Exercise 2.9: Versions and continuous paths

For every fixed ,

Hence  almost surely.

For finitely many times ,

Thus  and  have the same finite-dimensional distributions.

However, for each fixed ,

is discontinuous at , whereas

is continuous everywhere.


Exercise 2.10: Stationary increments

Define

For

$$0=h_0<h_1<\cdots<h_m, $$="" the increments

are independent and satisfy

Thus the finite-dimensional distributions of  do not depend on . Therefore,


Exercise 2.11: Coordinate Brownian motions

If

is an -dimensional Brownian motion, then

Hence every coordinate increment satisfies

The coordinates have zero cross-covariance. Since they are jointly Gaussian, they are independent. Thus the coordinate processes are independent one-dimensional Brownian motions.


Exercise 2.12: Shifted Brownian motion

Define

Then

Moreover,

The increments are independent over disjoint intervals, and the paths are continuous. Therefore  is Brownian motion.


Exercise 2.13: Brownian motion inside a disk

For two-dimensional Brownian motion,

Thus

Therefore,


Exercise 2.14: Occupation time of a null set

Let

By Tonelli's theorem,

Since  has Lebesgue measure zero, the inner integral is zero. Hence

Because ,

almost surely.


Exercise 2.15: Orthogonal invariance

Let

where

Then

The covariance matrix is

Therefore,

The transformed process has independent increments and continuous paths, so it is an -dimensional Brownian motion.


Exercise 2.16: Brownian scaling

Define

Then

Since

we obtain

Thus  is standard Brownian motion.


Exercise 2.17: Quadratic variation

Let

Since

and

we obtain

The squared increments are independent, so

If

then

Therefore,

Hence

in .

Every continuous function of finite total variation has zero quadratic variation. Brownian motion has quadratic variation

Therefore Brownian paths have infinite total variation almost surely: