やがてめぐになる

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エクセンダールSDEもんだい3.14

A solution of Exercise 3.14 in the Øksendal SDE book is given in this article. It seems this exercise to be complex and require careful observation.


Let  (\mathcal{F}_t) be the filtration generated by the Brownian motion  (B_t).

We see obviously that  h is  \mathcal{F}_t-measurable if it is a random variable as in the assertion. Then we show the converse.

Suppose  h is  \mathcal{F}_t-measurable. We now follow the hint: a)-c).

a) Define  h_n=h\boldsymbol{1}_{\{|h|\leq n\}} for  n=1,2,\dots. Then we see that  \lim_{n\to\infty}h_n=h a.s. If, for every  n, we have a sequence  (g^n_k)_{k=1}^\infty of bounded random variables which converges to  h_n in  L^1(P), taking an appropriate  m_n yields that  E[ |h_n-g^n_{m_n}| ]\leq1/n.
Then let  g_n:=g^n_{m_n}. We obtain
\begin{align*}
P(|h-g_n|>\varepsilon)
&\leq P(|h-h_n|>\varepsilon/2) + \frac{2E[|h_n-g_n|]}{\varepsilon} \\
&\leq P(|h-h_n|>\varepsilon/2) + \frac{2}{n\varepsilon}
\end{align*}
for  \varepsilon>0. Since  h_n tends to  h as  n\to\infty in probability, so does  g_n in probability. Thus  g_n must have an a.s. convergent subsequence with limit  h.
Then it suffices to construct a sequence of as in the assertion which converges to any bounded  h in  L^1(P).


b) We now show that
\begin{align*}
\mathcal{F}_t = \bigvee_{n=1}^\infty \mathcal{H}_n =: \mathcal{H} .
\end{align*}
For  s\leq t, take a sequence  (t_j)_{j\geq 1} from  \{t^{(n)}_j\leq t;n,j=0,1,2,\dots\} converging to  s. Since  B_{t_j}\to B_s and every  B_{t_j} is  \mathcal{H}-measurable,  B_s is also  \mathcal{H}-measurable. Thus, we see that  \mathcal{F}_t \subset \mathcal{H}. And then we get the inverse inclusion by definitions of  \mathcal{(H_n)} and  \mathcal{H}.
By Corollary C.9, it follows that  h=E[h|\mathcal{F}_t] = \lim_{n\to\infty}E[h|\mathcal{H}_n] a.s. and in  L^1(P).


c) By the Doob-Dynkin lemma (Lemma 2.1.2), we have
\begin{align*}
h_n = G_n(B_{t_1},\dots,B_{t_k}),
\end{align*}
where  h_n=E[h|\mathcal{H}_n] for  n=1,2,\dots. Since  h_n are bounded, we see that  G_n\colon \mathbb{R}^k\to\mathbb{R} are also bounded.


Let  A be the set of all continuous functions  g\colon \mathbb{R}^k \to \mathbb{R}, which are univariate functions and whose support are compact when regarding as ones  \mathbb{R}\to\mathbb{R}.
We now consider the following:
Claim Any bounded function  G\colon \mathbb{R}^k\to\mathbb{R} admits a sequence  (F_j)_{j\geq 1} in the subabgebra generated by  A such that
\begin{align*}
& \sup_{j\geq 1,~ x\in\mathbb{R}^k}|F_j(x)|<\infty, \quad \lim_{j\to\infty} F_j \to G, \quad \text{a.e.}
\end{align*}


We prepare Lemma 1 and 2 before showing Claim.
Lemma 1 There exists a sequence  (F_j)_{j=1,2,\dots} in  C_0(\mathbb{R}^k)*1 such that  \sup_{x\in\mathbb{R}^k}|F_j(x)|\leq K for some  K>0 independent of  j, and  \lim_{j\to\infty}F_j=G a.e.

Proof. Let  G_N:=G\boldsymbol{1}_{\{|x|\leq N\}} for  N=1,2,\dots. Then every  G_N is in  L^p(\mathbb{R^k}) for  p\geq 1 under the Lebesgue measure and tends to  G a.e. as  N\to\infty.
For  N=1,2,\dots, by density of  C_0(\mathbb{R}^k) in  L^1(\mathbb{R}^k), one can take an  L^1-convergent sequence  (F^{(N)}_j)_{j\geq 1} of  C_0(\mathbb{R}^k) with limit  G_N. Moreover, we may assume that
\begin{align*}
\sup_{x\in\mathbb{R}^k}|F^{(N)}_j(x)|\leq K:=\sup_{x\in\mathbb{R}^k}|G(x)|+1 \quad \text{for $j,N\in\mathbb{N}$}.
\end{align*}
Indeed, defining  \tilde{F}^{(N)}_j\in C_0(\mathbb{R^k}) as
\begin{align*}
\tilde{F}^{(N)}_j(x) &=
\begin{cases}
K & ,\text{if $F^{(N)}_j(x)>K$}, \\
-K & ,\text{if $F^{(N)}_j(x)<-K$}, \\
F^{(N)}_j(x) & ,\text{otherwise},
\end{cases}
\end{align*}
leads that  \sup_{x\in\mathbb{R}^k}|\tilde{F}^{(N)}_j(x)|\leq K and
\begin{align*}
\int_{\mathbb{R}^k} |\tilde{F}^{(N)}_j(x)-G_N(x)|dx
&\leq \int_{\mathbb{R}^k} |F^{(N)}_j(x)-G_N(x)|dx,
\end{align*}
and then it follows that  \lim_{N\to\infty}\tilde{F}^{(N)}_j=G_N in  L^1(\mathbb{R}^k). Then the same argument as in a) yields the assertion. □

Lemma 2 For  j\geq 1, let  R_j=\prod_{l=1}^k [a^{(j)}_l,b^{(j)}_l] be a  k dimensional compact rectangle containing the support of  F_j and let  A_j be the set of all continuous functions  g\colon R_j \ni x\mapsto g(x_l)\in\mathbb{R},  l=1,2,\dots,k. Then each  F_j admits a sequence  (\tilde{F}^{(j)}_m)_{m\geq 1} of the subalgebra generated by  A_j such that  \lim_{m\to\infty}\sup_{x\in R_j}|\tilde{F}^{(j)}_m(x)-F_j(x)|=0. Furthermore, we can extend the domain of each  \tilde{F}^{(j)}_m to whole  \mathbb{R}^k satisfying  \lim_{m\to\infty}\sup_{x\in \mathbb{R}^k}|\tilde{F}^{(j)}_m(x)-F_j(x)|=0.

Proof. We refer to Miyajima [1], Theorem 7.65, for the Stone-Wierstrass theorem:

Theorem Let  X be a compact Hausdorff space and  A be a subset of  C(X). Then, the subabgebra generated by  A is dense in  C(X) if and only if the following (1) and (2) hold:
(1) For any  x\in X, there exists an  f\in A such that  f(x)\neq 0.
(2) For any different  x,y\in X, there exists an  f\in A such that  f(x)\neq f(y).

The theorem is stated in other books or media as well, e.g. [2-4].

It is clear that each  A_j satisfies (1) and (2) in the theorem. Thus, we see that the former holds.
Next, for the latter. We extend each of the domain of  \tilde{F}^{(j)}_m by putting the same values on  R^m_j\setminus R_j, where  R^m_j:=\prod_{l=1}^k [-1/m + a^{(j)}_l,b^{(j)}_l + 1/m ], as ones on the boundary of  R_j along each axis (Fig. 1).


f:id:megu0210:20190310183942j:plain:w500
Fig. 1 Extention of the domain of  \tilde{F}^{(j)}_m ( k=2)

f:id:megu0210:20190310191157j:plain:w500
Fig. 2 Shape of  f^{(j,m)}_l(x_l)

And then, rewrite  \tilde{F}^{(j)}_m as the product of the extended  \tilde{F}^{(j)}_m above and  f^{(j,m)}_1f^{(j,m)}_2\cdots f^{(j,m)}_k, where each  f^{(j,m)}_l is defined as in Fig. 2. Then we see that each of the extended  \tilde{F}^{(j)}_m is in the subalgebra generated by  A, which is defined before Claim, and  \lim_{m\to\infty}\sup_{x\in\mathbb{R}^k}|\tilde{F}^{(j)}_m(x)-F_j(x)|=0. □

Proof of Claim. By Lemma 1 and 2, we may assume that  \sup_{j,m\geq 1,~x\in\mathbb{R}^k}|\tilde{F}^{(j)}_m(x)|\leq K+1 and that  \sup_{x\in\mathbb{R}^k}|\tilde{F}^{(j)}_j(x)-F_j(x)|\leq 1/j, by renumbering if necessary. Then we have
\begin{align*}
|\tilde{F}^{(j)}_j(x)-G(x)|
&\leq |F_j(x)-G(x)| + \frac{1}{j} \\
& \to 0, \quad \text{as $j\to\infty$}
\end{align*}
almost everywhere. □

We are now back to showing the exercise. By Claim, there exists, for  n=1,2,\dots, a sequence  (F^{(n)}_j)_{j\geq 1} in the subabgebra generated by  A converging to  G_n a.e. By the dominated convergence theorem, we see that  E[|G_n(B_{t_1},\dots,B_{t_k}) - F^{(n)}_j(B_{t_1},\dots,B_{t_k})|]\to 0 as  j\to\infty. Then as repeated above, we assume that
\begin{align*}
E[|G_n(B_{t_1},\dots,B_{t_k}) - F^{(n)}_n(B_{t_1},\dots,B_{t_k})|]\leq \frac{1}{n}.
\end{align*}
Then, letting  n\to\infty yields
\begin{align*}
E[|h-F^{(n)}_n(B_{t_1},\dots,B_{t_k})|]
&\leq E[|h-h_n|] + \frac{1}{n} \\
&\quad \to 0.
\end{align*}
As mentioned in a), we constructed a desired convergent sequence. We complete the proof.



References

[1] Miyajima, S., Functional Analysis, Yokohama Publishers, 2007. In Japanese.
[2] Rudin, W., Functional Analysis, McGraw-Hill, 1991.
[3] Yosida, K., Functional Analysis, Springer, 1980.
[4] Wikipedia, Stone–Weierstrass theorem



Hmm, too heavy exercise...x(

*1:It denotes the space of all continuous functions with compact support.

2月27日のしゅくだい2

4.12
ヒントを使います。面倒なので、以下では \mathcal{F}^{(n)}_tを単に \mathcal{F}_tと書くことにします。

任意の t < sと任意の A\in\mathcal{F}_tに対し、 X (\mathcal{F}_t)-マルチンゲールなので、
\begin{align*}
E\left[ \int_t^s u(r) dr \boldsymbol{1}_A \right]=0
\end{align*}
である。
ここで、 s微分すると(優収束定理)、
\begin{align*}
E[u(s)\boldsymbol{1}_A]=0
\end{align*}
を得る。よって、 A\in\mathcal{F}_tは任意なので、 E[u(s)|\mathcal{F_t}]=0 a.s., a.e.  s>tである。
任意の t \mathcal{F}_{t-}=\mathcal{F}_tであることと、系C.9より、 u(s)=0 a.e.を得る。□

2月27日のしゅくだい

問題4.6

(b)を示せば、 n=1とすることで(a)が得られる。よって(a)のみを示す。
中点" \cdot"で \mathbb{R}^nユークリッド内積を表すとし、 f(t,x)=e^{ct+\alpha\cdot x}とおく。
\begin{align*}
& \partial_t f(t,x) = cf(t,x), \\
& \nabla_x f(t,x) = f(t,x)\alpha, \\
& \partial_{x_ix_j}f(t,x) = f(t,x)\alpha_i\alpha_j
\end{align*}
となる。
 X_t=f(t,B_t)であり、伊藤の公式より、
\begin{align*}
dX_t
&= \partial_tf(t,B_t)dt + \nabla_xf(t,B_t)\cdot dB_t + \frac{1}{2}\sum_{i,j=1}^n \partial_{x_ix_j}f(t,B_t)dB^i_tdB^j_t \\
&= c X_t dt + X_t \alpha\cdot dB_t + \frac{1}{2}|\alpha|^2X_tdt \\
&= \left( c+\frac{1}{2}|\alpha|^2 \right)X_tdt + X_t \alpha\cdot dB_t
\end{align*}
を得る。

Lévy processのジャンプはいつまでも起き続ける

The following might be nontrivial so I will write down a proof.


Claim
Assume that the filtration  (\mathcal{F}_t)_{t\geq 0} satisfies the usual conditions. Let  (X_t)_{t\geq 0} be a Lévy process (with càdlàg sample paths) adapted to  (\mathcal{F}_t) and  \Lambda be a Borel set in  \mathbb{R} such that  0\notin \bar{\Lambda}. Define the random times
\begin{align*}
T^0_\Lambda &= 0, \\
T^{n}_\Lambda &= \inf\{t>T^{n-1}_\Lambda;\Delta X_t\in\Lambda\}, \quad n=1,2,\dots
\end{align*}
, where  \Delta X_t := X_t-X_{t-}. Then the followings hold:
(i)  T^n_\Lambda>T^{n-1}_\Lambda a.s. for  n=1,2,\dots
(ii) Every  T^n_\Lambda is an  (\mathcal{F}_t)-stopping time.
(iii)  \lim_{n\to\infty} T^n_\Lambda=\infty a.s.


Proof.
(i) Since  0\notin \bar{\Lambda},  d:=\inf\{|y|;y\in\Lambda\}>0 holds. Then  \Delta X_t\in\Lambda implies  |\Delta X_t|\geq d.
By right continuity of  X, there is a  \delta_1>0 such that
\begin{align*}
\left|X_t-X_{T^{n-1}_\Lambda}\right| \leq \frac{d}{6}
\end{align*}
for all  T^{n-1}_\Lambda < t < T^{n-1}_\Lambda+\delta_1.
For any  T^{n-1}_\Lambda < t < T^{n-1}_\Lambda+\delta_1, taking a sufficiently small  \delta_2 > 0 satisfying  T^{n-1}_\Lambda < t-\delta_2 < T^{n-1}_\Lambda + \delta_1 yields, by càdlàgness of  X,
\begin{align*}
\left| X_{t-{\delta_2}}-X_{T^{n-1}_\Lambda} \right|,|X_{t-{\delta_2}}-X_{t-}| \leq \frac{d}{6}.
\end{align*}
Thus, it holds that
\begin{align*}
\left|\Delta X_t\right|
&\leq |X_t-X_{T^{n-1}_\Lambda}| + |X_{t-{\delta_2}}-X_{T^{n-1}_\Lambda}| + |X_{t-{\delta_2}}-X_{t-}| \\
&\leq \frac{d}{6}+\frac{d}{6}+\frac{d}{6} = \frac{d}{2} < d.
\end{align*}
Then we obtain  T^n_\Lambda\geq T^{n-1}_\Lambda+\delta_1>T^{n-1}_\Lambda.

(ii) We use the result from Karatzas-Shreve; Proposition 2.26.
It holds for  t\geq 0, since  (\Delta X_t)_{t\geq 0} is  (\mathcal{F}_t)-adapted,
\begin{align*}
\{ T^n_{\Lambda} \leq t \}
&= \bigcup_{k_1,\dots,k_n\in\mathbb{N}} \bigcap_{j=1}^n \left( \{T_{k_j}\leq t\} \cap \{ \Delta X_{T_{k_j}}\in\Lambda \} \right) \\
&\in \mathcal{F}_t,
\end{align*}
where, by the proposition above,  (T_k)_{k\geq 1} is the sequence of stopping times exhausting the jumps of  X. Thus we see all  T^n_\Lambda are stopping times.

(iii) Assume that there is a  K>0 such that  T^n_\Lambda \leq K for all  n\geq 1. Then,  (T^n_\Lambda) is increasing and bounded. Thus,  T:=\lim_{n\to\infty}T^n_\Lambda\leq K exists.
By càdlàgness of  X, it follows  \lim_{n\to\infty}X_{T^n_\Lambda}=X_{T-}. Since  t\mapsto X_{t-} is left continuous, we get  \lim_{t\to\infty}X_{T^n_\Lambda-}=X_{T-}.
Hence,  |\Delta X_{T^n_\Lambda}|=|X_{T^n_\Lambda}-X_{T^n_\Lambda-}|\to 0 as  n\to\infty. However,  \lim_{n\to\infty}|\Delta X_{T^n_\Lambda}|\geq d. Those are contradiction.

2月13日のしゅくだい4

しゅくだいです。正直、イェンセンの不等式から明らかです。

 X\in L^2(P) \mathcal{H} \mathcal{F}の部分 \sigma-加法族のとき、
\begin{align*}
E[(E[X|\mathcal{G}])^2] \leq E[X^2] \tag{1}
\end{align*}

しょうめい:
 x\mapsto x^2は凸関数なので、イェンセンの不等式より、
\begin{align*}
(E[X|\mathcal{H}])^2 \leq E[X^2|\mathcal{H}]
\end{align*}
である。
よって、両辺期待値をとれば、(1)を得る。□

補題6.1.1を見よともあります。
ヒルベルト空間 L^2において、 \mathcal{H}可測な確率変数のなす部分空間を \mathcal{N}とする。
補題6.1.1より、 L^2\ni X\mapsto E[X|\mathcal{N}]は \mathcal{N}への直交射影 P_{\mathcal{N}}なので、
\begin{align*}
E[(E[X|\mathcal{G}])^2]
&= \Vert P_{\mathcal{N}}X \Vert_{L^2}^2 \\
&\leq \Vert P_{\mathcal{N}} \Vert^2 \Vert X \Vert_{L^2}^2 \\
&\leq \Vert X \Vert_{L^2}^2 = E[X^2]
\end{align*}
となる。

2月13日のしゅくだい3

しゅくだいときます。

(i)  t_1\neq t_2ならば、 W_{t_1} W_{t_2}は独立
(ii)  (W_t)は定常
(iii) すべての tに対し、 E[W_t] =0

を満たす実数値確率過程 (W_t)で連続なものは W_t\equiv 0なるものを除いて存在しない。

しょうめい:
Step 1)  N=1,2,\dotsに対し、 W^N_t=(-N)\vee (W_t\wedge N)とする。
このとき、各 Nに対して、 x\mapsto (-N)\vee (x\wedge N)は連続であるので、これと Wとの合成である W^Nは(i),(ii)を満たす。
(ヒントの通り計算する。)
\begin{align*}
E[(W^N_t - W^N_s)^2]
&= E[(W^N_t)^2] - 2E[W^N_tW^N_s] + E[(W^N_s)^2]\\
&= 2E[(W^N_0)^2 - (E[W^N_0])^2] \\
&= 2E[(W^N_u - E[W^N_0])^2]
\end{align*}
が任意の uで成り立つ。
今、 Wが連続過程であると仮定する。
すると、 W^Nも連続であり、したがって t\to sとすると、優収束定理(有界収束定理)より
\begin{align*}
E[(W^N_u - E[W^N_0])^2] = 0
\end{align*}
を得る。
よって、
\begin{align*}
W^N_u = E[W^N_0] \tag{1}
\end{align*}
である。
よって、 W^Nは定数過程である。



Step 2) 任意の uに対し(1)が成り立つことより W^N_0=W^N_uなので、
\begin{align*}
&\{W_0>N\} = \{W_u>N\} \\
&\{W_0<-N\} = \{W_u<-N\} \\
&\{-N\leq W_0\leq N\} = \{-N\leq W_0\leq N\}
\end{align*}
が分かる。
このとき、任意の Nに対して、次の①~③のいずれか1つのみが成り立つ:
 P(W_0>N)=1
 P(W_0<-N)=1
 P(-N\leq W_0\leq N)=1
∵) ①については、 A_0=\{W_0>N\},~A_u=\{W_u>N\}とおくと、すでに述べたように A_0=A_uで、(i)より A_0 A_uは独立であること、そして(ii)より、
\begin{align*}
P(A_0)
&= P(A_0\cap A_u) \\
&= P(A_0)P(A_u) \\
&= P(A_0)^2
\end{align*}
となり、 P(A_0)=0,1を得られる。②、③も同様。①~③の事象は互いに素なので、いずれか1つのみが成り立つ。



Step 3) 任意の Nに対して、 P(-N\leq W_0 \leq N)=1が成り立つことを示す。
ある Nで①が成り立つとすると、 E[W_0]=E[W_0;W_0>N]\geq Nとなり、 E[W_0]=0に反する。
②も同様。
よって、任意の Nに対し、 P(-N\leq W_0 \leq N)=1である。



Step 3)より、特に N=1としておくと、
\begin{align*}
W_u
&= W^N_u \\
&= E[W^N_0] \\
&= E[W_0] = 0
\end{align*}
となり、 W\equiv 0を得る。この Wは(i)~(iii)を満たす。□

2月13日のしゅくだい2

しゅくだいときます。
\begin{align*}
N_t = B_t^3-3tB_t
\end{align*}
マルチンゲールである。

しょうめい:
 (\mathcal{F_t})ブラウン運動 (B_t)によって生成されるフィルトレーションとする。
ブラウン運動ガウス分布に従うので、 N_tは可積分である。
 0\leq s< tとする。
\begin{align}
N_t
&= (B_t-B_s + B_s)^3 - 3tB_t \\
&= (B_t-B_s)^3 + 3B_s(B_t-B_s)^2 + 3B_s^2(B_t-B_s) + B_s^3 - 3tB_t
\end{align}
である。
第1項の条件付き期待値は、
\begin{align*}
E[(B_t-B_s)^3|\mathcal{F}_s]
&= E[(B_t-B_s)^3] \\
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi (t-s)}} \int x^3 e^{-\frac{x^2}{2(t-s)}} dx \\
&= 0,
\end{align*}
第2項は
\begin{align*}
E[B_s(B_t-B_s)^2|\mathcal{F}_s]
&= B_sE[(B_t-B_s)^2|\mathcal{F_s}] \\
&= B_sE[(B_t-B_s)^2] \\
&= (t-s)B_s,
\end{align*}
第3項は
\begin{align*}
E[B_s^2(B_t-B_s)|\mathcal{F}_s]
&= B_s^2 E[B_t-B_s] \\
&= 0
\end{align*}
である。

よって、 (B_t)マルチンゲールになることと合わせると
\begin{align*}
E[N_t|\mathcal{F}_s]
&= 3(t-s)B_s + B_s^3 -3tB_s \\
&= B_s^3 - 3sB_s \\
&= N_s
\end{align*}
となる。□