กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 8 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ใน ทฤษฎีความน่าจะเป็น กระบวนการ เล วี (Lévy process ) ซึ่งตั้งชื่อตามนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส พอล เลวี (Paul Lévy ) คือ กระบวนการสุ่ม ที่มีการเพิ่มขึ้นอย่างอิสระและคงที่:...

กระบวนการเลวี

ในทฤษฎีความน่าจะเป็น กระบวนการ เลวี (Lévy process ) ซึ่งตั้งชื่อตามนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสพอล เลวี (Paul Lévy ) คือกระบวนการสุ่ม ที่มีการเพิ่มขึ้นอย่างอิสระและคงที่: มันแสดงถึงการเคลื่อนที่ของจุดที่มีการกระจัดต่อเนื่องกันเป็นแบบสุ่มโดยการกระจัดในช่วงเวลาที่ไม่ทับซ้อนกันเป็นคู่ๆ นั้นเป็นอิสระ และการกระจัดในช่วงเวลาที่แตกต่างกันแต่มีความยาวเท่ากันจะมีค่าความน่าจะเป็นที่เหมือนกัน ดังนั้น กระบวนการเลวีจึงอาจมองได้ว่าเป็นอนาล็อกแบบต่อเนื่องของกระบวนการเดินสุ่ม (random walk )

ตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดของกระบวนการ Lévy คือ กระบวนการ Wienerซึ่งมักเรียกว่า กระบวนการ Brownian motionและกระบวนการ Poissonตัวอย่างที่สำคัญอื่นๆ ได้แก่กระบวนการ Gammaกระบวนการ Pascal และกระบวนการ Meixner นอกเหนือจาก Brownian motion ที่มีการเลื่อนแล้ว กระบวนการ Lévy อื่นๆ ที่เหมาะสม (นั่นคือ ไม่ใช่แบบกำหนด) ทั้งหมดมีเส้นทางที่ไม่ต่อเนื่องกระบวนการ Lévy ทั้งหมดเป็นกระบวนการแบบบวก[ 1 ]

นิยามทางคณิตศาสตร์

กระบวนการเลวี (Lévy process) เป็นกระบวนการสุ่ม (stochastic process)X={Xที:ที0}{\displaystyle X=\{X_{t}:t\geq 0\}}ซึ่งมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

  1. X0=0{\displaystyle X_{0}=0\,}เกือบจะแน่นอน ;
  2. ความเป็นอิสระของการเพิ่มขึ้น :สำหรับใดๆ0ที1<ที2<<ทีn<{\displaystyle 0\leq t_{1}<t_{2}<\cdots <t_{n}<\infty },Xที2Xที1,Xที3Xที2,,XทีnXทีn1{\displaystyle X_{t_{2}}-X_{t_{1}},X_{t_{3}}-X_{t_{2}},\dots ,X_{t_{n}}-X_{t_{n-1}}}ต่างฝ่ายต่างเป็นอิสระต่อกัน
  3. การเพิ่มขึ้นแบบคงที่ :สำหรับใดๆ<ที{\displaystyle s<t\,},XทีX{\displaystyle X_{t}-X_{s}\,}มีการกระจายอย่างเท่าเทียมกันไปยังXที;{\displaystyle X_{t-s};\,}
  4. ความต่อเนื่องในความน่าจะเป็น :สำหรับใดๆε>0{\displaystyle \varepsilon >0}และที0{\displaystyle t\geq 0}มันถือว่าลิมชม.0พี(|Xที+ชม.Xที|>ε)=0.{\displaystyle \lim _{h\rightarrow 0}P(|X_{t+h}-X_{t}|>\varepsilon )=0.}

ถ้าX{\displaystyle X}หากเป็นกระบวนการ Lévy แล้ว ก็อาจสร้างเวอร์ชัน หนึ่ง ของX{\displaystyle X}โดยที่ทีXที{\displaystyle t\mapsto X_{t}}เกือบจะแน่นอนว่า เป็นฟังก์ชันต่อเนื่องทางขวาที่มีลิมิตทางซ้าย

คุณสมบัติ

การเพิ่มขึ้นอย่างอิสระ

กระบวนการสุ่มแบบต่อเนื่องจะกำหนดตัวแปรสุ่มX ให้กับแต่ละจุดt ≥ 0 ในเวลา ในทางปฏิบัติแล้วมันคือฟังก์ชันสุ่มของtส่วนเพิ่มของกระบวนการดังกล่าวคือผลต่างX X ระหว่างค่าของมัน ณ เวลาต่างๆt < sการเรียกส่วนเพิ่มของกระบวนการว่าเป็นอิสระหมายความว่าส่วนเพิ่มX X และX X เป็น ตัวแปรสุ่ม อิสระเมื่อใดก็ตามที่ช่วงเวลาทั้งสองไม่ทับซ้อนกัน และโดยทั่วไปแล้ว ส่วนเพิ่มจำนวนจำกัดใดๆ ที่กำหนดให้กับช่วงเวลาที่ไม่ทับซ้อนกันเป็นคู่ๆ จะเป็นอิสระต่อกัน (ไม่ใช่แค่เป็นคู่ๆ )

การเพิ่มขึ้นแบบคงที่

การเรียกค่าเพิ่มขึ้นว่าคงที่ หมายความว่าการกระจายความน่าจะเป็นของค่าเพิ่มขึ้นใดๆX X ขึ้นอยู่กับความยาวt sของช่วงเวลาเท่านั้น ค่าเพิ่มขึ้นในช่วงเวลาที่มีความยาวเท่ากันจะมีการกระจายแบบเดียวกัน 

ถ้าX{\displaystyle X}เป็นกระบวนการ Wienerซึ่งการแจกแจงความน่าจะเป็นของX  X เป็นการแจกแจงแบบปกติโดยมีค่าเฉลี่ยเป็น 0 และความแปรปรวนเป็นts   

ถ้าX{\displaystyle X}Xt Xsเป็นกระบวนการปัวซงโดยที่การแจกแจงความน่าจะเป็นของ Xt − Xs แจกแจงปัวซงที่มีค่าเฉลี่ย λ( ts ) โดยที่ λ > 0 คือ "ความเข้มข้น" หรือ "อัตรา" ของกระบวนการ    

ถ้าX{\displaystyle X}เป็นกระบวนการโคชี (Cauchy process)การแจกแจงความน่าจะเป็นของX  X คือการแจกแจงโคชี (Cauchy distribution)ที่มีความหนาแน่น ρ เอฟ(x;ที)=1π[γx2+γ2]{\displaystyle f(x;t)={1 \over \pi }\left[{\gamma \over x^{2}+\gamma ^{2}}\right]}ที่ไหนγ=ที{\displaystyle \gamma =t-s}.

การหารที่ไม่มีที่สิ้นสุด

การแจกแจงของกระบวนการ Lévy มีคุณสมบัติของการหารลงตัวอย่างไม่จำกัด : เมื่อกำหนดจำนวนเต็มn ใด ๆ กฎของกระบวนการ Lévy ณ เวลา t สามารถแสดงได้เป็นกฎของผลรวมของ ตัวแปรสุ่มอิสระ nตัว ซึ่งก็คือค่าเพิ่มขึ้นของกระบวนการ Lévy ในช่วงเวลาที่มีความยาวt / nซึ่งเป็นอิสระและมีการแจกแจงเหมือนกันตามสมมติฐานข้อ 2 และ 3 ในทางกลับกัน สำหรับการแจกแจงความน่าจะเป็นที่หารลงตัวอย่างไม่จำกัดแต่ละแบบเอฟ{\displaystyle F}มีกระบวนการเลวี (Lévy process)X{\displaystyle X}เช่นนั้นกฎหมายของX1{\displaystyle X_{1}} is given by F{\displaystyle F}.

Moments

In any Lévy process with finite moments, the nth moment μn(t)=E(Xtn){\displaystyle \mu _{n}(t)=E(X_{t}^{n})}, is a polynomial function of t; these functions satisfy a binomial identity:

μn(t+s)=k=0n(nk)μk(t)μnk(s).{\displaystyle \mu _{n}(t+s)=\sum _{k=0}^{n}{n \choose k}\mu _{k}(t)\mu _{n-k}(s).}

Lévy–Khintchine representation

The distribution of a Lévy process is characterized by its characteristic function, which is given by the Lévy–Khintchine formula (general for all infinitely divisible distributions):[2]

If X=(Xt)t0{\displaystyle X=(X_{t})_{t\geq 0}} is a Lévy process, then its characteristic function φX(θ){\displaystyle \varphi _{X}(\theta )} is given by

φX(θ)(t):=E[eiθX(t)]=exp(t(aiθ12σ2θ2+R{0}(eiθx1iθx1|x|<1)Π(dx))){\displaystyle \varphi _{X}(\theta )(t):=\mathbb {E} \left[e^{i\theta X(t)}\right]=\exp {\left(t\left(ai\theta -{\frac {1}{2}}\sigma ^{2}\theta ^{2}+\int _{\mathbb {R} \setminus \{0\}}{\left(e^{i\theta x}-1-i\theta x\mathbf {1} _{|x|<1}\right)\,\Pi (dx)}\right)\right)}}

where aR{\displaystyle a\in \mathbb {R} }, σ0{\displaystyle \sigma \geq 0}, and Π{\displaystyle \Pi } is a σ-finite measure called the Lévy measure of X{\displaystyle X}, satisfying the property

R{0}min(1,x2)Π(dx)<.{\displaystyle \int _{\mathbb {R} \setminus \{0\}}{\min(1,x^{2})\,\Pi (dx)}<\infty .}

In the above, 1{\displaystyle \mathbf {1} } is the indicator function. Because characteristic functions uniquely determine their underlying probability distributions, each Lévy process is uniquely determined by the "Lévy–Khintchine triplet" (a,σ2,Π){\displaystyle (a,\sigma ^{2},\Pi )}. The terms of this triplet suggest that a Lévy process can be seen as having three independent components: a linear drift, a Brownian motion, and a Lévy jump process, as described below. This immediately gives that the only (nondeterministic) continuous Lévy process is a Brownian motion with drift; similarly, every Lévy process is a semimartingale.[3]

Lévy–Itô decomposition

Because the characteristic functions of independent random variables multiply, the Lévy–Khintchine theorem suggests that every Lévy process is the sum of Brownian motion with drift and another independent random variable, a Lévy jump process. The Lévy–Itô decomposition describes the latter as a (stochastic) sum of independent Poisson random variables.

Let ν=Π|R(1,1)Π(R(1,1)){\displaystyle \nu ={\frac {\Pi |_{\mathbb {R} \setminus (-1,1)}}{\Pi (\mathbb {R} \setminus (-1,1))}}}— that is, the restriction of Π{\displaystyle \Pi } to R(1,1){\displaystyle \mathbb {R} \setminus (-1,1)}, normalized to be a probability measure; similarly, let μ=Π|(1,1){0}{\displaystyle \mu =\Pi |_{(-1,1)\setminus \{0\}}} (but do not rescale). Then

R{0}(eiθx1iθx1|x|<1)Π(dx)=Π(R(1,1))R(eiθx1)ν(dx)+R(eiθx1iθx)μ(dx).{\displaystyle \int _{\mathbb {R} \setminus \{0\}}{\left(e^{i\theta x}-1-i\theta x\mathbf {1} _{|x|<1}\right)\,\Pi (dx)}=\Pi (\mathbb {R} \setminus (-1,1))\int _{\mathbb {R} }{(e^{i\theta x}-1)\,\nu (dx)}+\int _{\mathbb {R} }{(e^{i\theta x}-1-i\theta x)\,\mu (dx)}.}

The former is the characteristic function of a compound Poisson process with intensity Π(R(1,1)){\displaystyle \Pi (\mathbb {R} \setminus (-1,1))} and child distribution ν{\displaystyle \nu }. The latter is that of a compensated generalized Poisson process (CGPP): a process with countably many jump discontinuities on every interval a.s., but such that those discontinuities are of magnitude less than 1{\displaystyle 1}. If R|x|μ(dx)<{\displaystyle \int _{\mathbb {R} }{|x|\,\mu (dx)}<\infty }, then the CGPP is a pure jump process.[4][5] Therefore, in terms of processes one may decompose X{\displaystyle X} in the following way

Xt=σBt+at+Yt+Zt,t0,{\displaystyle X_{t}=\sigma B_{t}+at+Y_{t}+Z_{t},t\geq 0,}

where Y{\displaystyle Y} is the compound Poisson process with jumps larger than 1{\displaystyle 1} in absolute value and Zt{\displaystyle Z_{t}} is the aforementioned compensated generalized Poisson process which is also a zero-mean martingale.

Generalization

ฟิลด์สุ่ม Lévy เป็นการขยายแบบหลายมิติของกระบวนการ Lévy [ 6 ] [ 7 ] กระบวนการที่สามารถแยกส่วนได้นั้นมีความทั่วไปมากกว่า[ 8 ]

ดูเพิ่มเติม

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ใน ทฤษฎีความน่าจะเป็น กระบวนการ เล วี (Lévy process ) ซึ่งตั้งชื่อตามนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส พอล เลวี (Paul Lévy ) คือ กระบวนการสุ่ม ที่มีการเพิ่มขึ้นอย่างอิสระและคงที่:...

นิยามทางคณิตศาสตร์

กระบวนการเลวี (Lévy process) เป็น กระบวนการสุ่ม (stochastic process) X = { X ที : ที ≥ 0 } {\displaystyle X=\{X_{t}:t\geq 0\}} ซึ่งมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

การเพิ่มขึ้นอย่างอิสระ

กระบวนการสุ่มแบบต่อเนื่องจะกำหนด ตัวแปรสุ่ม X ให้กับแต่ละจุด t ≥ 0 ในเวลา ในทางปฏิบัติแล้วมันคือฟังก์ชันสุ่มของ t ส่วน เพิ่ม ของกระบวนการดังกล่าวคือผลต่าง X − X ระหว่างค่าของมัน ณ เวลาต่างๆ t < s การเรียกส่วนเพิ่มของกระบวนการว่า เป็นอิสระ หมายความว่าส่วนเพิ่ม...

การเพิ่มขึ้นแบบคงที่

การเรียกค่าเพิ่มขึ้นว่าคงที่ หมายความว่า การกระจายความน่าจะเป็น ของค่าเพิ่มขึ้นใดๆ X − X ขึ้นอยู่กับความยาว t − s ของช่วงเวลาเท่านั้น ค่าเพิ่มขึ้นในช่วงเวลาที่มีความยาวเท่ากันจะมีการกระจายแบบเดียวกัน