Stochastic calculus for fractional Brownian motion
参考文献[1]胡迪鹤.随机过程论(基础、理论、应用)[M],第2版.武汉武汉
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完全市场中的资产定价--有限离散时间情形

完全市场中的资产定价--有限离散时间情形韩琦;包守鸿;胡永云【摘要】In this paper, we discussed asset pricing of single period model and multi-period model based on the complete market and limited discrete time situations. First, we gave the concept of the risk-free return and defined risk neutral probability by the concept of risk-free return. Based on risk neutral probability, we got the formula of asset rice. Second, by means of the risk neutral probability, we discussed multiphase asset pricing model, and got the stock pricing equation, particularly we got the European call option equation and discount price of asset price is a martingale about risk neutral proba-bility.% 研究完全市场中有限离散时间情形下的资产定价问题。
首先,给出了无风险收益的概念,借助无风险收益定义了一种风险中性概率。
基于这个概率,得到了资产的价格等于随机现金流与随机贴现因子乘积的期望,而且资产的价格还等于资产支付关于 q 的期望对无风险收益的贴现值。
其次,借助无风险概率考虑了资产在多期情形下的资产定价,得出了相应的股票期权公式,尤其作为推论给出了欧式看涨期权的定价公式,并对资产价格过程的鞅性作了讨论【期刊名称】《金融理论与实践》【年(卷),期】2012(000)009【总页数】5页(P6-10)【关键词】状态价格;无风险利率;风险中性概率;鞅;无套利;贴现【作者】韩琦;包守鸿;胡永云【作者单位】西北师范大学数学与统计学院,甘肃兰州730070;西北师范大学数学与统计学院,甘肃兰州730070;西北师范大学数学与统计学院,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】F830.9金融资产的定价问题是现代金融理论的一个基本问题,以金融资产为标的资产的期权,是主要的金融衍生品,它是金融工程的主要工具,也是构成其他金融衍生产品的基础。
分数brown运运动驱动的非lipschitz随随机微分方程

分数Brown运动驱动的非Lipschitz随机微分方程引言随机微分方程是描述具有随机性质的物理、生物、金融等领域中的动力学系统的数学模型。
分数Brown运动是一种具有长程记忆特性的随机过程,常用于描述非平稳时间序列的行为。
本文将讨论分数Brown运动驱动的非Lipschitz随机微分方程,包括定义、性质和数值解法等内容。
定义随机微分方程随机微分方程描述了一个未知函数与一个随机过程之间的关系。
一般形式的随机微分方程可以写作:dX(t)=b(X(t),t)dt+σ(X(t),t)dW(t)其中,X(t)表示未知函数,b(X(t),t)和σ(X(t),t)分别表示确定性部分和随机部分的函数。
dW(t)表示标准Wiener过程(或布朗运动)的增量。
分数Brown运动分数Brown运动是一种具有长程记忆特性的随机过程,其定义如下:S H(t)=∫x(t)−x(s)|t−s|1+H +∞−∞ds其中,S H(t)表示分数Brown运动,x(t)表示随机过程。
H称为Hurst指数,描述了分数Brown运动的长程记忆特性。
当H=0.5时,分数Brown运动退化为标准布朗运动。
非Lipschitz随机微分方程非Lipschitz随机微分方程是一类具有非线性增长项且满足非Lipschitz条件的随机微分方程。
非Lipschitz条件要求在某些点上,增长项的斜率无界。
这种方程的解是局部唯一的,并且可能存在多个解。
性质局部存在性和唯一性对于非Lipschitz随机微分方程,存在一个关于初值的局部存在性和唯一性定理,称为扰动Lipschitz条件。
该定理指出,当初值位于某个固定的区间内时,方程的解存在且唯一。
长程记忆性分数Brown运动驱动的非Lipschitz随机微分方程具有长程记忆性。
由于分数Brown运动本身具有长程记忆特性,它引入方程的解中,导致解的行为与时间间隔的选择密切相关。
这种长程记忆性是非平稳时间序列的典型特征。
基于混沌理论检测微弱信号研究综述

(下转第47页)基于混沌理论检测微弱信号研究综述广东理工学院 曾丽萍传统信号检测方法的最低检测信噪比有限,而Duffing 振子由于具有对微弱周期信号敏感而对白噪声免疫的特性,在极低信噪比微弱信号的检测中得到了广泛的应用。
本文对基于Duffing 振子检测微弱信号在三个方面的研究进展进行了概述,即改进或提出混沌检测模型、混沌检测方法的实际应用、混沌检测方法与其他方法的结合。
本文还指出今后混沌微弱信号检测的发展方向。
1 引言微弱信号检测技术是指应用各种电子学、数学物理等检测方法检测出淹没在强噪声环境中有用的微弱信号,广泛应用于医学、通信、生命科学、电磁学等领域。
目前,传统的微弱信号检测方法主要分为以下几种:电子学检测方法、相关检测方法、高阶统计量法、自适应噪声抵消法等。
传统微弱信号检测方法大多是基于噪声抑制的角度,即通过分析噪声的规律以及信号的特点,利用噪声和信号的不同提取出微弱待测信号,所能检测的最低信噪比有限。
在微弱信号检测领域,基于混沌理论检测微弱信号的方法在近几年引起了广泛关注。
与传统的弱信号检测方法不同,混沌振子不直接抑制噪声,而是直接针对微弱的目标信号进行提取,并且基于模型的混沌运动特性直接求解出期望信号的频率、幅值和相位信息,有利于提取复杂干扰环境下的微弱周期信号。
2 混沌振子检测原理基于混沌系统检测微弱信号主要采用Duffing振子,其数学模型为:其中k 是阻尼比;是非线性恢复力;是内置驱动信号。
当内置驱动信号幅值γ从零逐渐增加时,系统将历经同宿轨道、倍周期分叉、混沌、周期等运动状态。
使系统处于混沌状态,当γ增加到某一临界值γd 时,γ的微小增量都将使系统迅速进入大尺度周期状态,γd 即为系统从混沌状态到周期状态的相变临界幅值,也称为系统固有分叉值。
Duffing 系统具有对微弱周期信号敏感而对高斯白噪声免疫的特性,基于这一特性可以利用Duffing 振子检测微弱周期信号。
3 混沌检测方法研究概况混沌检测方法是基于混沌系统对微弱周期信号敏感而对白噪声免疫的特性,即微弱周期信号会使系统状态发生改变,而白噪声不会使系统发生相变。
几类随机微分方程解的存在性和稳定性

引入均方 S 渐近 ω 周期随机过程的概念。对于由 Le´vy 噪声驱动的分段连 续 型 随 机 分 数 阶 微 分 方 程 和 由 Le´vy 噪 声 驱 动 的 分 段 连 续 型 随 机 整 数 阶 微 分 方程,证明了它们适度解的存在性,并且给出了它们均方 S 渐近 ω 周期解存 在 的 充 分 条 件;同 时 给 出 Le´vy 噪 声 驱 动 的 分 段 连 续 型 随 机 整 数 阶 微 分 方 程 的均方 S 渐近 ω 周期解全局均方渐近稳定的充分条件。
For a stochastic prey-predator system with stage structure for the predator, we prove the existence of the unique global positive solution, and we give sufficient conditions for the global attractivity of the positive equilibrium. Based on the existence of the unique global positive solution of a stochastic cooperative system driven by white noise in a polluted environment, we get the asymptotical behavior of every species in the time average sense.
聚丙烯生产工艺发展

聚丙烯(PP)晶体结构规整,具备易加工、抗冲击强度、抗挠曲性以及电绝缘性好等优点,它的应用十分广泛,特别是在纤维和长丝、薄膜挤压、注塑加工等方面,是合成树脂中消费增速最快、用途最广的品种。
随着催化剂技术的进步、设备制造能力的提高和市场对新产品需要的不断增加,聚丙烯生产工艺也在不断的改进和完善。
1聚丙烯生产工艺发展根据反应介质及反应器构型的不同,聚丙烯生产工艺主要有:淤浆法、本体法(包括本体-气相法组合)和气相法。
1.1浆液法世界上最早用于聚丙烯生产,直到20世纪80年代,它还占主要地位。
特点是将丙烯溶于惰性烃类稀释剂中进行聚合,主要有意大利的Montecatini 工艺、美国Hercules 工艺、日本三井东压化学工艺、美国Amoco 工艺、日本三井油化工艺以及索维尔工艺等。
该工艺流程长,成本高,操作与投资费用较高。
除生产少量高性能的塑料合金外,自20世纪80年代以后,新、改建的大型聚丙烯装置基本不再采用。
1.2本体法(本体-气相法组合)该工艺特点是反应体系中不加任何其它溶剂,将催化剂直接分散在液相丙烯中进行聚合反应。
20世纪70年代后期的装置大都基于此法。
本体法工艺有过多种工艺路线。
根据聚合反应器的不同,可分为釜式聚合工艺和管式聚合工艺,经过多年的发展和竞争,目前应用较多的主要有Basell 公司的Spheripol 工艺、日本三井化学公司的Hypol 工艺和Borealis 公司的的Borstar 工艺等。
Spheripol 工艺自1982年首次工业化以来,是迄今为止最成功、应用最为广泛的聚丙烯生产工艺。
它是一种液相预聚合同液相均聚和气相共聚相结合的聚合工艺,采用一个或者多个环管反应器和一个或多个串联的气相流化床反应器,在环管反应器中进行均聚和无规共聚,在气相流化床中生产抗冲共聚物。
虽然流程相比之下较长,但设备简单,投资不高,操作稳定可靠,产品性能好。
Hypol 工艺于20世纪80年代初期开发成功,采用HY-HS-II 催化剂(TK-II),是一种多级聚合工艺。
stochastic calculus for fractional brownian motion and related processes附录

kH (t, u)dWu = CH Γ (1 + α)
(2)
R
α (I− 1(0,t) )(x)dWx
(see Lemma 1.1.3). Therefore, the first equality is evident, since
0 R t
(kH (t, u))2 x)α )2 dx +
k n
2H
2
.
C . n2
(B.0.12)
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Hilfer_分数阶脉冲随机发展方程的平均原理

第 63 卷第 1 期2024 年 1 月Vol.63 No.1Jan.2024中山大学学报(自然科学版)(中英文)ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENIHilfer分数阶脉冲随机发展方程的平均原理*吕婷1,杨敏1,王其如21. 太原理工大学数学学院,山西太原 0300242. 中山大学数学学院,广东广州 510275摘要:利用分数阶微积分理论、半群性质、不等式技巧和随机分析理论,建立了分数布朗运动驱动的Hilfer 分数阶脉冲随机发展方程的平均原理,证明了原方程的适度解均方收敛于无脉冲平均方程的适度解,并通过实例说明了所得理论结果的适用性.关键词:平均原理;Hilfer分数阶导数;脉冲随机发展方程;分数布朗运动中图分类号:O211.63 文献标志码:A 文章编号:2097 - 0137(2024)01 - 0145 - 09Averaging principle for Hilfer fractional impulsivestochastic evolution equationsLÜ Ting1, YANG Min1, WANG Qiru21. School of Mathematics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China2. School of Mathematics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, ChinaAbstract:By using fractional calculus,semigroup theories,inequality techniques and stochastic analysis theories, an averaging principle for Hilfer fractional impulsive stochastic evolution equations driven by fractional Brownian motion is established. The mild solution of the original equations converges to the mild solution of the reduced averaged equations without impulses in the mean square sense is proved. And an example is presented to illustrate the applicability of our obtained theoretical results.Key words:averaging principle; Hilfer fractional derivative; impulsive stochastic evolution equations;fractional Brownian motion在实际生活中,系统常受外力影响或内部产生的“噪声”干扰,所以,随机微分方程可以更加准确的刻画系统的变化特征,因而研究随机微分方程是很有必要的且存在实际的应用价值. 另外,现实生活中的许多现象都有长期后效作用,Mandelbrot et al.(1968)研究表明分数布朗运动可以较好的描述长期后效现象,这推动了更多学者们对分数布朗运动驱动的随机微分方程的广泛关注. 分数布朗运动(fBm)最早是由Kolmogorov(1940)提出的一个依赖于Hurst参数H∈(0,1)的高斯随机过程,当H=1/2时,分数布朗运动简化为标准布朗运动;当H≠1/2时,分数布朗运动既不是半鞅也不是Markov过程;当H >1/2 时,分数布朗运动具有自相似性、长时记忆性等特征,这些性质使分数布朗运动可以引入到数理金融(Bollerslev et al.,1996)、网络通信(Leland et al.,1994)、生物医学工程(de la Fuente et al.,2006;Boudrahem et al.,2009)等随机模型中作为随机噪声项,得以更好的描述系统特征和保证模型性能. 除此之外,具有脉冲干扰的微分方程能准确的呈现出系统的瞬时变化规律,因此,脉冲随机微分方程吸引了很多学者的关注,详见文DOI:10.13471/ki.acta.snus.2023A006*收稿日期:2023 − 01 − 16 录用日期:2023 − 03 − 22 网络首发日期:2023 − 11 − 15基金项目:国家自然科学基金(12001393,12071491);山西省自然科学基金(201901D211103)作者简介:吕婷(1999年生),女;研究方向:分数阶随机微分方程;E-mail:********************通信作者:杨敏(1986年生),男;研究方向:泛函微分方程理论及其应用;E-mail:******************第 63 卷中山大学学报(自然科学版)(中英文)献(Sakthivel et al.,2013;Ren et al.,2014;Liu et al.,2020).另一方面,平均原理作为一种高效、准确的近似分析方法,在非线性动力系统的研究中发挥着重要作用. 它的主要思想是对原始动力系统进行简化得到一个平均系统,并且这个简化后的平均系统可以反映原系统的动力学行为. 目前为止,随机微分系统的平均原理理论已经获得了极大的发展. 例如,Cerrai et al.(2009)研究了一类随机反应扩散模型的平均原理;Ma et al.(2019)研究了Lévy 噪声驱动的脉冲随机微分方程的周期平均原理;Cui et al.(2020)在非Lipschitz 系数条件下,考虑了脉冲中立型随机微分方程的平均原理;Ahmed et al.(2021)探索出含泊松跳和时滞的Hilfer 分数阶随机微分方程的平均原理;Liu et al.(2022a )在非Lipschitz 系数条件和无周期条件下,考虑了由分数布朗运动驱动的脉冲随机微分方程的平均原理.但现有研究存在两方面不足:一是大多数平均原理建立在有限维空间上,很少考虑空间是无穷维的情形(Xu et al.,2020;Liu et al.,2022b ),二是Caputo 分数阶脉冲随机微分方程已有相应的平均原理研究(Wang et al.,2020;Xu et al.,2011;刘健康等,2023),但Hilfer 分数阶脉冲随机发展方程的平均原理尚未见到研究结果. 基于上述讨论,本文在Hilbert 空间上考虑如下Hilfer 分数阶脉冲随机发展方程的平均原理ìíîïïïïïïD γ,β0+x (t )=Ax (t )+f (t ,x t )+h (t ,x t )d B H Q (t )d t , t ≠t k , t ∈J =(0,b ],Δx (t k )=I k (x (t k ))=x (t +k )-x (t -k ), t =t k ,k =1,2,⋯,m ,x (t )=φ(t ), -λ≤t <0,I (1-β)(1-γ)0+x (0)=φ0,(1)其中D γ,β是Hilfer 分数阶导数,γ∈[]0,1,β∈()12,1,x (⋅)取值于实可分Hilbert 空间X . 闭线性算子A :D (A )⊂X →X 是强连续算子半群{S (t )}t ≥0的无穷小生成元. B H Q (t )是定义在实可分Hilbert 空间Y 上的分数布朗运动,其中Hurst 参数H ∈()12,1. P C ()[]-λ,0;X 指从[]-λ,0到X 上所有具有càdlàg 路径的连续函数φ构成的空间,其范数 φP C =sup-λ≤t ≤0φ(t )<+∞,x t =x (t +τ)(τ∈[-λ,0])是P C -值的随机过程. x (t -k )和x (t +k )分别表示x (t )在t =t k 时的左极限和右极限,I k 表示x (t )在t =t k 时刻的脉冲扰动,脉冲时间序列{t k }满足0<t 1<⋯<t m <t m +1=b . 系数函数 f :J ×P C →X ,h :J ×P C →L 02(Y ,X ). 1 预备知识假设(Ω,F ,{F t }t ≥0,P )是一个带流的完备概率空间,其中{F t }t ≥0满足通常条件,即{F t }t ≥0是右连续的且F 0包含所有零测集. {B H (t )}t ∈R 是带有Hurst 参数H ∈()12,1的一维分数布朗运动,即B H (t )是一个中心高斯过程且具有以下协方差函数R H (t ,s )=E (B H (t )B H (s ))=12()t 2H +s 2H -|t -s |2H, t ,s ∈R =(-∞,+∞).记X 和Y 是两个实可分Hilbert 空间,L (Y ,X )是从Y 映射到X 上所有有界线性算子构成的空间. Q ∈L (Y )是一个非负自伴算子,满足Qe n =λn e n ,有限迹tr Q =∑n =1∞λn <+∞,其中{λn }≥0,(n =1,2,⋯)是一个非负有界实数序列,{e n }(n =1,2,⋯)是空间Y 上一组标准正交基. {B H n (t )}n ∈N +是独立于完备概率空间(Ω,F ,P )的一维标准分数布朗运动序列,现在我们在空间Y 上定义无穷维分数布朗运动如下:B HQ(t )=∑n =1∞B H n(t )Q 12e n =∑n =1∞B H n (t )λn e n , t ≥0,则B H Q (t )∈L 2(Ω,Y )且在空间Y 中收敛,其中L 2(Ω,Y )表示所有强可测,平方可积的Y -值随机过程组成的146第 1 期吕婷,等:Hilfer 分数阶脉冲随机发展方程的平均原理空间.若ψ∈L (Y ,X )并且使得ψQ 12是Hilbert-Schmidt 算子,满足范数 ψ2L 02=∑n =1∞λn ψe n 2<+∞,则ψ被称为从Y 映射到X 的Q -Hilbert-Schmidt 算子. 记L 02≔L 02(Y ,X )是所有Q -Hilbert-Schmidt 算子ψ∈L (Y ,X )构成的空间,定义空间L 02的内积为ψ1,ψ2L 02=∑n =1∞ψ1e n ,ψ2e n ,则L 02(Y ,X )是一个可分Hilbert 空间. 引理1(Abouagwa et al.,2021) 对任意ϕ:J →L 02(Y ,X ),∫0bϕ(s )2L 02d s <+∞成立, 当t ∈J ,∑n =1∞ϕ(t )Q 12e n 一致收敛,则对任意t 1,t 2∈J 且t 2>t 1,有E∫t 1t 2ϕ(s )d B H Q(s )2≤2H (t 2-t 1)2H -1∫t 1t 2ϕ(s )2L 02d s .定义1(Yang et al.,2017a ) 函数f :[a ,+∞)→R 是一个Lebesgue 可积函数,对任意β∈(0,1),函数f 的β阶Riemann-Liouville 积分定义为I βa +f (t )=1Γ(β)∫a t (t -s )β-1f (s )d s , t >a ,β>0,其中Γ(⋅)是Gamma 函数.定义2(Yang et al.,2017a ) 函数f :[a ,+∞)→R 的β阶Riemann-Liouville 分数阶导数定义为LD βa +f (t )=1Γ(n -β)d nd t n∫at (t -s )n -1-βf (s )d s , t >a , n -1<β<n ,其中n ∈N +. 定义3(Yang et al.,2017a ) 函数f :[a ,+∞)→R 且f ∈C n [a ,+∞),f 的β阶Caputo 分数阶导数定义为CD βa +f (t )=1Γ(n -β)∫at (t -s )n -1-βf (n )(s )d s , t >a , n -1<β<n ,其中C n [a ,+∞)表示在区间[a ,+∞)上n 次连续可微的函数构成的空间,n ∈N +.定义4(Sheng et al.,2022) 函数f :[a ,+∞)→R 的Hilfer 分数阶导数定义为D γ,βa+f (t )=I γ(1-β)a +d d t I (1-γ)(1-β)a+f (t ), 0≤γ≤1,0<β<1.注1(Sheng et al.,2022) 当γ=0,0<β<1,a =0,则Hilfer 分数阶导数对应经典的Riemann-Liou ‐ville 分数阶导数D 0,β+f (t )=d d tI 1-β0+f (t )=L D β0+f (t ).当γ=1,0<β<1,a =0,则Hilfer 分数阶导数对应经典的Caputo 分数阶导数D 1,β0+f (t )=I 1-β0+dd tf (t )=C D β0+f (t ).引理2 方程(1)等价于如下的积分方程x (t ) = φ0t (γ-1)(1-β)Γ(γ(1-β)+β)+1Γ(β)∫0t (t -s )β-1(Ax (s )+f (s ,x s ))d s+1Γ(β)∫0t (t -s )β-1h (s ,x s )d B H Q(s )+t (γ-1)(1-β)Γ(γ(1-β)+β)∑0<t k <tIk(x t k). (2)证明 可参考文献(Yang et al.,2017a ;Ahmed et al.,2018). 为了给出方程(1)的适度解,引入以下Wright-type 函数M β(θ)=∑n =1∞(-θ)n -1(n -1)Γ(1-βn ), 0<β<1,θ∈C .147第 63 卷中山大学学报(自然科学版)(中英文)引理3(Yang et al.,2017a ) 若积分等式(2)成立,其等价于如下的等式:x (t )=S γ,β(t )φ0+∫0t Tβ(t -s )f (s ,x s )d s +∫0t Tβ(t -s )h (s ,x s )d B H Q (s )+∑0<t k <tSγ,β(t -t k )I k (x t k)=S γ,β(t )φ0+∫0t (t -s )β-1P β(t -s )f (s ,x s )d s +∫0t (t -s )β-1P β(t -s )h (s ,x s )d B H Q (s )+∑0<t k <tSγ,β(t -t k )I k (x t k),(3)其中P β(t )=∫∞βθM β(θ)S (t βθ)d θ,T β(t )=t β-1P β(t ),S γ,β(t )=I γ(1-β)0+T β(t ).定义5 若一个P C -值的随机过程x :[-λ,b ]→X 满足以下条件,则称x (t )是方程(1)的适度解.(i ) x (t )是F t -适应的且∫0bE x (s )2d s <+∞几乎必然成立;(ii ) x (t )=φ(t ),-λ≤t ≤0;(iii ) 当t ∈J 时,x (t )具有càdlàg 路径且对任意t ∈J 有x (t )=S γ,β(t )φ0+∫0t (t -s )β-1P β(t -s )f (s ,x s )d s+ ∫t(t -s )β-1P β(t -s )h (s ,x s )d B H Q (s )+∑0<t k <tSγ,β(t -t k )I k (x t k). (4)本文中,我们假设如下条件成立:(H0)当t ≥0时,S (t )是一致算子拓扑连续的,且S (t )是一致有界的,即存在M >1,使得supt ∈[0,+∞)S (t )<M .引理4(Yang et al.,2017b ) 在条件(H0)下,对任意t >0,{P β(t )}t >0和{S γ,β(t )}t >0是线性算子,且对任意x ∈X 有P β(t )x ≤M Γ(β) x , S γ,β(t )x ≤Mt (γ-1)(1-β)Γ(γ(1-β)+β) x .定义6(Liu ,2007) 设X n (n ≥1),X 是同一概率空间(Ω,F ,P )上的随机变量,若E (|X n |2)<+∞,且lim n →∞E (|X n -X |2)=0成立,则称X n 均方收敛于X .2 平均原理接下来,我们建立Hilfer 分数阶脉冲随机发展方程的平均原理.首先,定义方程(1)的扰动形式为ìíîïïïïïïD γ,β0+x ε(t )=Ax ε(t )+εf (t ,x ε,t )+εHh (t ,x ε,t )d B H Q (t )d t , t ≠t k ,t ∈J =(0,b ],Δx ε(t k)=x ε(t +k )-x ε(t -k )=εI k (x ε(t k )), t =t k ,k =1,2,⋯,m ,x ε(t )=φ(t ), -λ≤t <0,I (1-β)(1-γ)0+x ε(0)=φ0.(5)然后根据方程(1)适度解的定义,可以得到方程(5)的适度解为:x ε(t )=S γ,β(t )φ0+ε∫0t (t -s )β-1P β(t -s )f (s ,x ε,s )d s+ εH∫0t (t -s )β-1P β(t -s )h (s ,x ε,s )d B HQ (s )+ε∑0<t k <tSγ,β(t -t k )I k (x ε,t k), (6)其中ε∈(0,ε0]是一个很小的正参数,ε0是一个固定的常数.为了得出本文的主要结果,假设系数函数f ,h 具有周期T ,则存在正整数m ∈N +,使得0<t 1<…<t m <T ,那么对整数k >m ,有t k =t k -m +T ,I k =I k -m . 现引入可测的系数函数f ˉ:P C →X ,h ˉ:148第 1 期吕婷,等:Hilfer 分数阶脉冲随机发展方程的平均原理P C →L 02(Y ,X ),-I k :P C →X ,其中f ˉ(x )=1T∫T f (s ,x )d s ,hˉ(x )=1T∫Th (s ,x )d s ,-I (x )=1T ∑k =1m I k (x ). 另外,我们做如下假设:(H1) 对任意x ,y ∈P C ,t ∈J ,存在正常数M 1使得f (t ,x )-f (t ,y )2∨ h (t ,x )-h (t ,y )2L 02≤M 21 x -y 2.(H2) 对任意的x ,y ∈P C ,存在正常数c k 和d k ,使脉冲函数I k 满足I k (x )2≤c k , I k (x )-I k (y )2≤d k x -y 2.(H3) 对所有T ∈J ,x ∈P C ,存在有界函数ρi (T )>0(i =1,2)使得1T ∫0T f (s ,x )-f ˉ(x )2d s ≤ρ1(T )()1+ x 2,1T∫0T h (s ,x )-h ˉ(x )2d s ≤ρ2(T )()1+ x 2,其中lim T →∞ρi (T )=0(i =1,2).则方程(5)对应如下无脉冲项平均系统:ìíîïïïïD γ,β0+z ε(t )=Az ε(t )+εf ˉ(z ε,t )+ε-I (z ε,t )+εH h ˉ(z ε,t)d B H Q (t )d t , t ∈J =(0,b ],I (1-β)(1-γ)0+z ε(0)=φ0,z ε(t )=φ(t ),-λ≤t <0.(7)参考文献(Gu et al.,2015)中引理2.12的证明,可以得到方程(7)的适度解z ε(t )为z ε(t )=S γ,β(t )φ0+ε∫0t (t -s )β-1P β(t -s )f ˉ(z ε,s )d s+ εH∫t (t -s )β-1P β(t -s )h ˉ(z ε,s )d B H Q (s )+ε∫t (t -s )β-1P β(t -s )-I (z ε,s )d s . (8)定理1 假设条件(H0)~(H3)成立,则当ε趋于零时,方程(5)的适度解x ε(t )均方收敛于平均方程(7)的适度解z ε(t ). 即任意给定一个很小的数δ>0,存在M 0>0,α∈(0,1)以及ε1∈(0,ε0],使得当ε∈(0,ε1]时有E()sup t ∈[-λ,M 0ε-α]x ε(t )-z ε(t )2≤δ.证明 由式(6)和式(8),有x ε(t )-z ε(t )=ε∫0t(t -s )β-1P β(t -s )[f (s ,x ε,s)-f ˉ(z ε,s)]d s + εH∫0t(t -s )β-1P β(t -s )[]h (s ,x ε,s )-hˉ(z ε,s)d B HQ(s )+ ε()∑0<t k <tSγ,β(t -t k )I k (x ε,t k)-∫0t (t -s )β-1P β(t -s )-I (z ε,s )d s ,(9)从而对任意ν∈(0,b ],利用基本不等式得到E ()sup 0<t ≤νx ε(t )-z ε(t )2≤3ε2E ()sup 0<t ≤ν∫0t (t -s )β-1P β(t -s )[]f (s ,x ε,s )-f ˉ(z ε,s )d s 2+ 3ε2HE ()sup 0<t ≤ν∫0t (t -s )β-1P β(t -s )[h (s ,x ε,s )-h ˉ(z ε,s )]d B H Q(s )2+ 3ε2E ()sup 0<t ≤ν ∑0<t k<tS γ,β(t -t k )I k (x ε,t k)-∫0t(t -s )β-1P β(t -s )-I (z ε,s )d s 2≤N 1+N 2+N 3. (10)对于第1项,由引理4可得149第 63 卷中山大学学报(自然科学版)(中英文)N 1≤6M 2Γ2(β)ε2E ()sup 0<t ≤ν∫0t(t -s )β-1[]f (s ,x ε,s )-f (s ,z ε,s )d s 2 +6M 2Γ2(β)ε2E ()sup 0<t ≤ν∫0t(t -s )β-1[]f (s ,z ε,s )-f ˉ(z ε,s )d s 2≔N 11+N 12 . ()11利用假设条件(H1)和Cauchy-Schwarz 不等式得到N 11≤6M 2M 21ε2ν2β-1(2β-1)Γ2(β)∫νE()sup 0<s 1≤sx ε,s 1-z ε,s12d s =Λ11ε2ν2β-1∫νE()sup0<s 1≤sx ε,s 1-z ε,s12d s ,(12)其中Λ11=6M 2M 21(2β-1)Γ2(β).由假设条件(H3)得到N 12≤6M 2ε2ν2β-1(2β-1)Γ2(β)E ()sup 0<t ≤νt ⋅1t ∫0t f (s ,z ε,s )-f ˉ(z ε,s )2d s ≤Λ12ε2ν2β,(13)其中Λ12=6M 2(2β-1)Γ2(β)sup 0<t ≤νρ1(t )()1+E ()sup 0<t ≤νz ε,t2. 对于第2项,由引理4可以推出N 2≤6M 2Γ2(β)ε2HE ()sup 0<t ≤ν∫0t (t -s )β-1[]h (s ,x ε,s )-h (s ,z ε,s )d B HQ (s )2+ 6M 2Γ2(β)ε2HE ()sup 0<t ≤ν∫0t (t -s )β-1[]h (s ,z ε,s )-h ˉ(z ε,s )d B H Q(s )2≔N 21+N 22 . (14)由引理1、假设条件(H1)和Cauchy-Schwarz 不等式得到N 21≤12M 2H Γ2(β)ε2H ν2H -1E ()sup0<t ≤ν∫t (t -s )2(β-1) h (s ,x ε,s )-h (s ,z ε,s )2d s≤Λ21ε2H ν2(H +β-1)∫0νE()sup0<s 1≤sxε,s 1-z ε,s12d s ,(15)其中Λ21=12M 2M 21H(2β-1)Γ2(β).由引理1、假设条件(H1)和假设条件(H3)得到N 22≤12M 2H (2β-1)Γ2(β)ε2H ν2(H +β-1)E ()sup 0<t ≤νt ⋅1t ∫0th (s ,z ε,s)-h ˉ(z ε,s )2d s ≤Λ22ε2H ν2H +2β-1,(16)其中Λ22=12M 2H(2β-1)Γ2(β)sup 0<t ≤νρ2(t )()1+E ()sup 0<t ≤νz ε,t 2. 对于第3项,由基本不等式得到N 3≤6ε2E ()sup 0<t ≤ν∑0<t k<t S γ,β(t -t k )I k (x ε,t k)2+ 6ε2E ()sup 0<t ≤ν∫0t (t -s )β-1P β(t -s )-I (z ε,s )d s 2≔N 31+N 32, (17)由引理4、假设条件(H2)和Cauchy-Schwarz 不等式得到N 31≤6ε2M 2ν2(γ-1)(1-β)Γ2(γ(1-β)+β)E ()sup 0<t ≤ν∑0<t k<t I k (x ε,tk)2≤6ε2M 2mν2(γ-1)(1-β)Γ2(γ(1-β)+β)E ()sup 0<t ≤ν∑k =1m I k (x ε,t k)2≤6ε2M 2m 2c k ν2(γ-1)(1-β)Γ2(γ(1-β)+β)=Λ31ε2ν2(γ-1)(1-β), (18)其中Λ31=6m 2M 2c kΓ2(γ(1-β)+β).150第 1 期吕婷,等:Hilfer 分数阶脉冲随机发展方程的平均原理N 32≤6M 2ε2Γ2(β)E ()sup 0<t ≤ν∫0t(t -s )β-1I ˉ(z ε,s )d s 2≤6M 2ε2ν2β-1(2β-1)Γ2(β)E ()sup 0<t ≤ν∫0tI ˉ(z ε,s)2d s≤6M 2mε2ν2β-1(2β-1)T 2Γ2(β)E ()sup 0<t ≤ν∑k =1m∫0tI k(zε,s)2d s ≤6M 2m 2c k ε2ν2β-2(2β-1)Γ2(β)=Λ32ε2ν2(β-1), (19)其中Λ32=6M 2m 2c k(2β-1)Γ2(β).将估计式(11)~(19)代入式(10),则对任意ν∈(0,b ],得到不等式E ()sup 0<t ≤νx ε(t )-z ε(t )2≤Λ12ε2ν2β+Λ22ε2H ν2H +2β-1+Λ31ε2ν2(γ-1)(1-β)+Λ32ε2ν2(β-1)+ (Λ11ε2ν2β-1+Λ21ε2Hν2(H +β-1))∫0νE()sup0<s 1≤sxε,s 1-z ε,s12d s . (20)令Ξ(ν)=E ()sup 0<t ≤νx ε(t )-z ε(t )2,由于E()sup -λ≤t <0x ε(t )-z ε(t )2=0,则Ξ(s +τ)=E()sup0<s 1≤sx ε,s 1-z ε,s12=E()sup 0<s 1≤sx ε(s 1+τ)-z ε(s 1+τ)2, τ∈[-λ,0),因此,Ξ(ν)≤Λ12ε2ν2β+Λ22ε2H ν2H +2β-1+Λ31ε2ν2(γ-1)(1-β)+Λ32ε2ν2(β-1) + (Λ11ε2ν2β-1+Λ21ε2Hν2(H +β-1))∫0νΞ(s +τ)d s . (21)对任意ν∈(0,b ],令Θ(ν)=sup -λ≤t ≤νΞ(t ),则Ξ(t )≤Θ(t ),Ξ(t +τ)≤Θ(t ),τ∈[-λ,0). 从而得到Θ(ν)=sup -λ≤t ≤νΞ(t )≤max{}sup -λ≤t ≤0Ξ(t )+sup 0<t ≤νΞ(t )≤Λ12ε2ν2β+Λ22ε2H ν2H +2β-1+ Λ31ε2ν2(γ-1)(1-β)+Λ32ε2ν2(β-1)+()Λ11ε2ν2β-1+Λ21ε2Hν2(H +β-1)∫0νΘ(s )d s . (22)由Gronwall 不等式,可推出Θ(ν)≤()Λ12ε2ν2β+Λ22ε2H ν2H +2β-1+Λ31ε2ν2(γ-1)(1-β)+Λ32ε2ν2(β-1)exp ()Λ11ε2ν2β+Λ21ε2H ν2H +2β-1, (23)即有E()sup -λ<t ≤νx ε(t )-z ε(t )2≤()Λ12ε2ν2β+Λ22ε2H ν2H +2β-1+Λ31ε2ν2(γ-1)(1-β)+Λ32ε2ν2(β-1)× exp ()Λ11ε2ν2β+Λ21ε2H ν2H +2β-1. (24)即存在M 0>0和α∈(0,1),使得对所有t ∈(0,M 0ε-α]⊂(0,b ]满足E()sup 0<t ≤M 0ε-αx ε(t )-z ε(t )2≤με1-α,其中常数μ=(Λ12M 2β0ε1+α-2αβ+Λ22M 2H +2β-10ε2α(1-H -β)+2H -1+Λ31M 2(γ-1)(1-β)0ε2α(1-γ)(1-β)+α+1)+Λ32M 2(β-1)0ε3α-2αβ+1exp ()Λ11M 2β0ε2-2αβ+Λ21M 2H +2β-10ε2H -α(2H +2β-1) . (25)所以对任意给定的数δ>0,存在ε1∈(0,ε0],使得对任意ε∈(0,ε1]和t ∈[-λ,M 0ε-α]⊂ [-λ,b ],有E()supt ∈[-λ,M 0ε-α]x ε(t )-z ε(t )2≤δ.定理1证毕.注2 现有文献考虑的是有限维空间上含泊松跳以及Wiener 过程的无脉冲扰动的Hilfer 分数阶随机微分方程的平均原理(Ahmed et al.,2021;Luo et al.,2021),与之相比,本文考虑了分数布朗运动驱动的含脉冲项的Hilfer 分数阶随机微分方程. 更为重要的是,我们在Hilbert 空间上建立了具有算子的Hilfer 分数阶151第 63 卷中山大学学报(自然科学版)(中英文)脉冲随机发展方程的平均原理,一定程度上丰富了Hilfer 分数阶随机微分方程的平均原理的相关理论.3 实例为了说明所得结果的适用性,我们考虑以下含脉冲的Hilfer 分数阶随机发展方程ìíîïïïïïïïïïïD γ,23x ε(t ,z )=∂2∂z2x ε(t ,z )+εsin 2(t )x ε,t (z )+2εH cos 2(t )x ε,t(z )d B H Q (t )d t , I 13(1-γ)x ε(0,z )=φ0,Δx ε(t k ,z )=εx ε(t k ,z )(4+k )(5+k ), z ∈[0,π],k ∈1,2,⋯,m ,x ε(θ,z )=φ(θ,z ), θ∈[-λ,0],z ∈[0,π],x ε(t ,0)=x ε(t ,π)=0, t ∈(0,m π].(26)令空间X =Y =L 2[0,π],系数函数f ()t ,x ε,t =sin 2(t )x ε,t (z ),h ()t ,x ε,t =2cos 2(t )x ε,t (z ),脉冲函数I k =x ε(t k ,z )(4+k )(5+k ).定义算子A :D (A )→X ,Ax ε(t ,z )=∂2∂z2x ε(t ,z ),其中定义域D (A )={}x ∈X , x ,x '全连续,x ″∈X , x (0)=x (π)=0,则A 是强连续算子半群{S (t )}t ≥0的无穷小生成元,且对任意t ≥0,S (t )是紧的、解析且自伴的,由一致有界定理可知存在一个常数M >0,使得 S (t )≤M ,且A 有离散谱,其特征值是-n 2,n ∈N +,对应的标准正交特征向量为ωn (z )=(nz ),n =1,2,⋯,则当x ∈D (A )时,Ax =-∑n =1∞n 2x ,ωn ωn . 为了定义算子Q :Y →Y ,选择一组非负有界实数序列{λn }n ≥1,并在Y 中选取标准正交基{e n }n ≥1,使得Qe n =λn e n 成立,并且假设tr (Q )=∑n =1∞λn <+∞,从而可以定义随机过程B H Q(t )=∑n =1∞λn B H n (t )e n ,其中H ∈()1/2,1,{B Hn(t )}n ∈N +,是一个独立于完备概率空间(Ω,F ,P )的一维标准分数布朗运动序列.取T =π,则f ˉ(x )=1π∫πf (s ,x )d s =12x , h ˉ(x )=1π∫0πh (s ,x )d s =x ,I ˉ(x )=1π∑k =1m x (4+k )(5+k )=mx 5(5+m )π,于是方程(26)的平均系统为ìíîïïïïïïïïïïïïD γ,23y ε(t ,z )=Ay ε(t ,z )+ε()m 5(5+m )π+12y ε,t (z )+y ε,t εH (z )d B H Q (t )d t ,I 13(1-γ)y ε(0,z )=φ0,y ε(θ,z )=φ(θ,z ), θ∈[-λ,0],z ∈[0,π],y ε(t ,0)=y ε(t ,π)=0.(27)显然,平均系统(27)比原系统(26)简单. 假设条件(H0)~(H3)满足,根据定理1,当ε趋于零时,系统 (26)的适度解均方收敛于平均系统(27)的适度解.参考文献:刘健康,王进斌,徐伟,2023. Caputo 分数阶中立型微分方程的随机平均原理[J ]. 山西大学学报(自然科学版),46(2):304-308.ABOUAGWA M ,BANTAN R A R ,ALMUTIRY W ,et al ,2021. Mixed Caputo fractional neutral stochastic differential equationswith impulses and variable delay [J ]. Fractal Fract ,5(4):239.152153第 1 期吕婷,等:Hilfer分数阶脉冲随机发展方程的平均原理AHMED H M,EL-BORAI M M,EL-OWAIDY H M,et al,2018. Impulsive Hilfer fractional differential equations[J]. Adv Differ Equ,2018(1):1-20.AHMED H M,ZHU Q,2021. The averaging principle of Hilfer fractional stochastic delay differential equations with Poisson jumps[J]. Appl Math Lett, 112: 106755.BOLLERSLEV T, OLE MIKKELSEN H, 1996. Modeling and pricing long memory in stock market volatility[J]. J Econom, 73(1): 151-184.BOUDRAHEM S,ROUGIER P R,2009. Relation between postural control assessment with eyes open and centre of pressure visual feedback effects in healthy individuals[J]. Exp Brain Res, 195(1): 145-152.CERRAI S, FREIDLIN M, 2009. Averaging principle for a class of stochastic reaction-diffusion equations[J]. 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Let f : R+ → R be Borel measurable. The function f ∈ L2 φ if |f |2 φ =
0 ∞ 0 ∞
f (s)f (t)φ(s − t)dsdt < ∞
(3)
The Hilbert space L2 φ is naturally associated with the Gaussian process (B H (t), t ≥ 0). The inner product on L2 φ is denoted by ·, · φ . A notion of directional derivative in Ω in directions associated with L2 φ is important in some computations with stochastic integrals. Definition 2.1 The φ-derivative of a random variable F ∈ Lp in the direction Φg for g ∈ L2 φ is defined as DΦg F (ω ) = lim 1 F δ →0 δ
for all s, t ∈ R+ . If H = 1/2 then the fractional Brownian motion is a standard Brownian motion (Wiener process). These processes have a version with continuous sample paths. In this paper H is restricted to the interval (1/2, 1). The pth variation of such a process is nonzero and finite for p = 1/H , that is, if (Pn , n ∈ N) is sequence of partitions of [0, 1] that are refinements of the previous and become dense in [0,1] then
Abstract This paper describes some of the results in [5] for a stochastic calculus for a fractional Brownian motion with the Hurst parameter in the interval (1/2, 1). Two stochastic integrals are defined with explicit expressions for their first two moments. Multiple and iterated integrals of a fractional Browinian motion are defined and various properties of these integrals are given. A square integrable functional on a probability space of a fractional Brownian motion is expressed as an infinite series of multiple integrals.
n→∞
lim
B H (ti ) − B H (ti−1 )
( n) ( n)
( n)
( n)
p
= c(p)
a.s.
1 Introduction Fractional Brownian motion is a family of Gaussian processes that are indexed by the Hurst parameter H in the interval (0, 1). These processes were introduced by Kolmogorov [10]. The first application of these processes was made by Hurst [7], [8] who used them to model the long term storage capacity of reservoirs along the Nile River. Mandelbrot [12] used these processes to model some economic time series and most recently these processes have been used to model telecommunication traffic (e.g., [11]). Two important properties of these Gaussian processes for modeling are self similarity and, for H ∈ (1/2, 1), a long range dependence. The self similarity means that if a > 0 then (B H (at), t ≥ 0) and (aH B H (t), t ≥ 0) have the same probability law where (B H (t), t ≥ 0) is a (standard) fractional Brownian motion. The long range dependence means that if r(n) = ∞ E[B H (1)(B H (n + 1) − B H (n))] then n=1 r(n) = ∞. Now a fractional Brownian motion is defined. For each H ∈ (0, 1), a real-valued Gaussian process (B H (t), t ≥ 0) is defined such that E[B H (t)] = 0 and E[B H (t)B H (s)] =
Stochastic Calculus for Fractional Brownian Motion. I: Theory1
T. E. Duncan Department of Mathematics University of Kansas Lawrence, KS 66045 U.S.A. duncan@
Y. Z. Hu Department of Mathematics University of Kansas Lawrence, KS 66045 U.S.A. hu@
B. Pasik-Duncan Department of Mathematics University of Kansas Lawrence, KS 66045 U.S.A. bozenna@
1 2H [t + s2H − |t − s|2H ] 2
supported partially by NSF Grant DMS 9971790.
nian motion, that is, B H (t, ω ) = ω (t) for each t ∈ R+ and (almost all) ω ∈ Ω. Let φ : R → R+ be given by φ(t) = H (2H − 1)|t|2H −2 . It follows directly that
1 Research
where Pn = {t0 , . . . , tn } and c(p) = E|B H (1)|p (e.g., [13]). For H > 1/2, (B H (t), t ≥ 0) is not a semimartingale and not Markov. These facts require that a different stochastic calculus be used. In this paper some results of a stochastic calculus from [5] are described. This description complements [4]. Some other approaches to stochastic calculus have been given in [1], [2], [3]. In Section 2, a directional derivative in the path space is given and two stochastic integrals with respect to a fractional Brownian motion are defined. The Wick product and the Hermite polynomials are introduced. In Section 3, multiple and iterated integrals with respect to a fractional Brownian motion are shown to satisfy many properties that are satisfied for the analogous integrals with respect to a Brownian motion. A square integrable functional on a probability space of a fractional Brownian motion is expressed as an infinite series of multiple integrals, which generalizes the well known result for Brownian motion.