<<
>>

§ lb. Процессы Леви

1. Будучи случайными процессами с независимыми приращениями, вводимые ниже процессы Леви образуют один из основных классов стохасти-ческих процессов, к которому относятся такие фундаментальные объекты теории вероятностей, как броуновское движение и процесс Пуассона.

Определение 1.

Случайный процесс X = (Xt)t^o, заданный на вероятностном пространстве (Q, З, Р) и принимающий значения в d-мерном евклидовом пространстве называется (d-мерным) процессом Леви, если выполнены следующие условия:

Хо = 0 (Р-п.н.);

для любого п р 1 и набора 0 < to < tx < ••• < tn величины Xt0, Xtl — Xt0, • ¦ •, Xtn — Xtn_l являются независимыми (свойство "независимостиприращений");

для любых s р 0 и t р 0

Xt+s — Хя = Xt — Xо

(свойство "стационарности" "однородности" приращений);

для каждого t р 0 и є > 0

lim P(|XS -Xt\\ > є) = 0 (свойство "стохастической непрерывности");

5) траектории (Xt( € П принадлежат пространству Dd, состоящему из (векторных) функций / = (/t)tJ.Q, ft = {ft\' ft\' ¦ ¦ ¦ > ft)\' каждая компонента которых /* = (fl)t^o, і = 1,..., d, непрерывна справа и имеет пределы слева при t > 0.

Замечание 1. Если в данном определении требовать от процесса X — (Xt)t^о только выполнения свойств 1)—4), то можно показать, что существует версия (модификация) X\' = (Xj)t^o процессах = (Xt)t^o (т.е. выполнено свойство P(Xt\' ф Xt) = 0, t ^ 0), обладающая свойством 5). Тем самым, с точки зрения выполнения свойств 1)-4) процесс X\' ничем не отличается от X, но уже имеет некоторое свойство "регулярности" траекторий. Именно поэтому в определение процессов Леви сразу вносится (как видим, без ограничения общности) требование 5) на свойства траекторий.

Замечание 2. Исходя из смысла условий 1)—5), можно переформулировать определение процесса Леви так: это стохастически непрерывный процесс со стационарными независимыми приращениями, выходящий из нуля и имеющий траектории, непрерывные справа с левосторонними пределами.

Классическим примером такого процесса является d-мерное броуновское движение Х = {X1,X2,...,Xd), состоящее из независимых между собой стандартных броуновских движений Xі = (Xi)t^о> г = 1,..., d.

Имеет смысл дать определение (одномерного) броуновского движения непосредственно, без вложения его в общую схему процессов Леви.

Определение 2.

Непрерывный гауссовский случайный процесс X — (Xt)t>o называется (стандартным) броуновским движением ют вине- ровским процессом, если Хо = 0 и

ЕХ«=0, EXsXt = min (s,t).

Из гауссовости и свойств (1) автоматически следует, что такой процесс является процессом со стационарными независимыми (гауссовскими) приращениями. Поскольку

Xt - Xa ~ JT{0,t - з), t^s,

то E|Xt - Xs|3 = 3|f - s|2, и из критерия Колмогорова ([470; (7) в §2Ь]) следует существование непрерывной версии такого процесса. Отсюда видно, что винеровский процесс, или броуновское движение, будучи процессом

Леви, имеет дополнительное важное свойство - непрерывность траекторий.

2. Процессы Леви X = (Xt)t^о являются процессами с однородными независимыми приращениями, и поэтому их распределения полностью определяются одномерными распределениями Pt(dx) = P(Xt Є dx). (Напомним, что Хо =0.) Из самого определения этих процессов вытекает, что распределение Pt(dx) является при каждом t безгранично делимым. Пусть

ЧН{0) = Ее**\'** = [ Рt{dx) (2)

J&d

- характеристическая функция. Тогда, в соответствии с формулой (22) из § 1а (ср. также с (24) из того же § 1а),

+ [ (е«в,«) _ І _ i(e>x)j(|x| ^ і)) (3)

J&d J

где Bt Є E.d, Ct - симметричная неотрицательно определенная матрица порядка dxdvti->t {dx) - мера Леви (при каждом t) со свойством (23) из § 1а. В силу однородности и независимости приращений

щ+М = <Р№Ч>№, (4)

откуда следует, что (5)

(Функцию ф = \'ф(в) называют кумулянтой.)

Поскольку триплеты (Bt,Ct,vt) однозначно определяются по характеристической функции, то из (5) можно вывести (см., подробнее, например, [250; гл. II, 4.19]), что

Bt=t-B, Ct=t-C, vt{dx) = t ¦ v{dx), (6)

где В = Bi, С = Ci, v = і/і. Понятно, тем самым, что в (5)

гР(в)=і(0,В)-~(в,Св)

+ [ (еі(в,«) _ і _ г(в) ^Jflj.) ^ і)) v(dx). (7) JRd

Представление (5) с кумулянтой ф(в) из (7) является основным средством изучения аналитических свойств процессов Леви.

С точки же зрения их траєкторних свойств важным является так называемое кано-ническое представление (подробнее см. §3а, гл. VI, и [250; гл. II, § 2с]), обобщающее на случай непрерывного времени рассмотренные в гл. II, § lb канонические представления для стохастических последовательностей Н = (Я„)„^о (см. (16) в §1Ь и §3е в гл. IV).

Остановимся на смысловой стороне компонент триплета (Bt,Ct,vt)t^о- Образно говоря, (Bt)t^o - это "трендовая составляющая, ответственная за среднее движение процесса X : (Xt)t>o" Компонента (Ct)t^o определяет дисперсию непрерывной гауссовской составляющей процесса X, а меры Леей (i^t)t^o "ответственны за поведение скачкообразной компоненты процесса X, показывая, как часто появляются скачки и какова их величина"

Эта, несколько вольная, интерпретация должна быть, конечно, подкреплена точными утверждениями. Вот одно из них (см. [250; гл. II, 2.21] по поводу общего случая).

Пусть процесс X = (Xt)t^o таков, что его "скачки" |AXt| < 1, t ^ 0, Хо = 0и(1?(, С(, его триплет. Тогда ЕХ2 < оо ,? > 0, и следующие

процессы являются мартингалами (см. § 1с в гл. II):

Mt=Xt-Bt- Хо, t ^ 0;

М2 -Ct,t> 0;

/ / g{x)nt{dx)- / / g{x)vt{dx), t ^ 0, Jo ** |хI^ 1 J0 J|x|^t

где nt (A) = 22 Є A, AXS ф 0) - мера "скачков" процесса X на

о

временном интервале (0, t], g = g(x) - непрерывные функции, равные нулю в окрестности точки х = 0.

Как уже отмечено выше, классическим примером непрерывного процесса Леви является стандартное броуновское движение (с Bt = 0, С« = t, Щ = 0).

Обратимся теперь к примерам разрывных процессов Леви, что заодно даст лучшее понимание смысла меры Леви v = i>(dx).

Случайковечной меры Леви 1>{Ж) < оо.

Здес% классическим является, конечно, процесс Пуассона X = (Xt)t^o с параметром А > 0, т. е. (по определению) процесс Леви с Х0 = 0, для

которого Xt имеет распределение Пуассона с параметром Xt:

P{xt = k) = e~Xt^t)k, к = 0,1,

В этом случае Bt = Xt (= EXt), Ct = 0 и мера Леви "сидит" в одной точке:

v{dx) = XI ^(dx).

Представление (3) имеет здесь следующий вид:

4(<*е) j = expji<9(At) + J (еівх - 1 - івхІ(х = I)) A*/{1}(ete) j = ехр{А*(еів-1)}. (8)

Весьма примечательно, что, отправляясь от процесса Пуассона, можно по-лучить широкий класс чисто скачкообразных процессов Леви.

Именно, пусть N = (Nt)t^о ~ процесс Пуассона с параметром А > 0 и ? = - последовательность независимых одинаково распределенных

случайных величин (независимых также от N), распределение которых

р(6 є л) = ^, а є ад,

где А = I/(R) < 00 и м({0}) = 0.

Образуем процесс X = (Xt)t^o с Хо = 0 и

= *>°> (9)

з=і

который может быть записан также в виде

оо 3=1

где 0 < Ті < Т2 < • ¦ • - моменты скачков процесса N = (iVt)t^0-

Прямой подсчет показывает, что

оо

чь(6) = Ееівх* = Е(еівХі I Nt=k) P(Nt = к) *=о

= f)(Ee»&)* = exp{* J{еівх - 1) „(*)}. (11)

Процесс X = (Xt)t^Q, образованный согласно (10), называется составным (compound) процессом Пуассона. Нетрудно видеть, что этот процесс является процессом Леви. "Обычный" процесс Пуассона получается, если положить = 1, j ^ 1.

6. Случай бесконечной меры Леви: i/(R) = оо.

Простейший пример процесса Леви с мерой и такой, что f(R) = оо, можно получить следующим образом.

Пусть А = (Afc)fc^i - последовательность положительных чисел, Р — (Pk)k^i - последовательность чисел Рк є Е\\{0} таких, что

оо fc=l

Положим

оо

u{dx) = Y, Xkl{0k}(dx) (13)

к=1

и обозначим N^ = к > 1, последовательность независимых

процессов Пуассона с параметрами А^, к ^ 1, соответственно. Если положить

xln) = ?pk(Nt(k)-Akt), (14)

к=1

то нетрудно видеть, что при каждом п ^ 1 процесс Х^ = (xjn^)t^o является процессом Леви с мерой Леей

п

vW(dx) = YlX\'fc=l

и

^\\е) = Eeiextn) = expj* J (еівх - 1 - І0х) i/(")(dr)|. (16)

Предельный процесс X = {XT)T>O,

Xt = f>(iVfc=i

понимаемый как L2-предел величин , t ^ 0, при п —> оо, также является процессом Леви с мерой Леви, задаваемой формулой (13).

Замечание 3.

Выполнение здесь свойства 5) из определения 1 вытекает из того, что Х^ являются квадратично-интегрируемыми мартингалами, для которых в силу неравенства Дуба (см. формулу (36) в § ЗЬ, а также [250; гл. 1,1.43] или [439; гл. VII, §3]) Emax - Xs|2 -)-0при п оо.

оо

Замечание 4. Поскольку = Y1 ^к, ^({0}) = 0 и

к=1

Is.

(z2 Л l^dz) < ? Afc$ < оо, k=1

то мера и = i/(dx), определенная в (13), удовлетворяет всем условиям, предъявляемым к мере Леви (см. (22)-(23) из § 1а).

оо

Если Aj. = оо, но выполнено условие (12), то получаем пример про- к=і

цесса Леви, у которого мера Леви и такова, что f(R) = оо.

Приведем еше один известный "явный" случай процесса Леви с f(®) = оо. Мы имеем в виду так называемый Г-процесс (Gamma process) X — (Xt)t^о, У которого XQ = 0 И (гамма-) распределение вероятностей P(Xt ^ х) имеет плотность (ср. с табл. 6 в §1а)

rt-ie-x/p

W

PT(X) = т7(0,оо) (*)¦ (18)

Отсюда следует, что

Vt(0) = (l -і9р)~*. (19)

Покажем, что характеристическая функция щ (в) может быть представлена в виде

е-®/*9 1 (е1вх-1 )——dx\\, (20)

из которого следует, что vt{dx) = t v(dx), где

е-"Л3

u(dx) = I(o,oo)(x) dx. (21)

Ясно, что здесь г/(0, оо) = оо, но

оо

(г2 Л 1) v{dx) < оо. (22)

/

•/О

\'о

Обратимся к доказательству представления (20).

Рассмотрим преобразование Лапласа

Lt(u) = Ee~uXt = / e-uXa:) dx = (1 + /?«)~4 Jo

= exp{-*ln(l+?«)} = exp(-4 f I

I Jo p + У J

= expdy J е~І~ух dx^

Аналитическое продолжение в комплексную полуплоскость {z = а -І- г\'Ь, а < 0} приводит к равенству

J ezxpt(dx) = expjf jTV* - dx},

из которого, полагая z = ів, получим требуемое представление (20).

7. В связи с "явными" представлениями (10), (14) и (17) некоторых (скачкообразных) процессов Леви мы получаем способ их моделирования, основанный на моделировании литтть случайных величин Рк и экспоненциально распределенных величин А І — ТІ — (промежутков между двумя скачками в моменты ТІ- \\ и ТІ процесса Пуассона). В свою очередь, при моделировании безгранично-делимых случайных величин важное значение приобретает вопрос об их представимости в виде функций от "простых" "стандартных" случайных величин. Вот пример, иллюстрирующий возникающие здесь возможности: пусть X и Y - две независимые случайные величины, причем X ^ 0 (и произвольна), а У имеет экспо-ненциальное распределение. Тогда, как показал Ч. Голди (Ch. Goldie), произведение XY является безгранично делимой случайной величиной.

В следующем параграфе мы увидим, как из просто устроенных процессов можно их "композицией" получать устойчивые процессы.

<< | >>
Источник: Ширяев А. Н.. Основы стохастической финансовой математики. Том 1. Факты. Модели.Москва: ФАЗИС,1998. 512 с. (Стохастика, вып.2). 1998

Еще по теме § lb. Процессы Леви:

- Авторское право - Аграрное право - Адвокатура - Административное право - Административный процесс - Арбитражный (хозяйственный) процесс - Аудит - Банковская система - Банковское право - Бухгалтерский учет - Военное право - Гражданское право и процесс - Денежное обращение, финансы и кредит - Деньги - Жилищное право - Земельное право - Избирательное право - Инвестиционное право - Информационное право - Исполнительное производство - История - История государства и права - История политических и правовых учений - Конкурсное право - Конституционное право - Корпоративное право - Криминалистика - Криминология - Маркетинг - Медицинское право - Международное право - Менеджмент - Муниципальное право - Налоговое право - Наследственное право - Нотариат - Обязательственное право - Оперативно-розыскная деятельность - Права человека - Право зарубежных стран - Право социального обеспечения - Правоведение - Правоохранительная деятельность - Предпринимательское право - Семейное право - Страховое право - Судопроизводство - Таможенное право - Теория государства и права - Трудовое право - Уголовно-исполнительное право - Уголовное право - Уголовный процесс - Философия - Финансовое право - Хозяйственное право - Хозяйственный процесс - Экологическое право - Экономика - Ювенальное право - Юридическая техника - Юридические лица -