由Lévy过程驱动的加权自排斥扩散的长时间行为和统计推断
Long Time Behavior and Statistical Inference of the Weighted Self-Repelling Diffusion Driven by Lévy Process
摘要: 假设是一个跳有界且界限为1的Lévy过程,生成三元组为。在本文中,我们考虑了由Lévy过程驱动的线性自排斥扩散方程,其中,。这类过程是一类自交互扩散过程。我们研究了当t趋于无穷时解的长时间行为,发现它具有一种循环收敛性,这在此前的研究中尚未有类似的结论。进一步的,当w=0时在连续观测情况下,通过最小二乘法给出了方程参数的估计。我们证明了的估计量具有强相合性,并讨论了它的渐近分布。
Abstract: Let  be a Lévy process with jumps bounded by 1 and generating triplet . In this paper, as an attempt we consider the linear self-repelling diffusion driven by a Lévy process, , where  and the parameter . This process is similar to a type of self-interacting diffusion process. This paper studies the long time behaviour of the solution as t tends to infinity, and we find that it exhibits a cyclic convergence property, for which similar conclusions have not appeared in previous studies. In addition, when w=0, by using least squares method, we establish the strong consistency of the estimate  and discuss its asymptotic distribution under the consecutive observation.
文章引用:鲁蕴涵, 闫理坦. 由Lévy过程驱动的加权自排斥扩散的长时间行为和统计推断[J]. 应用数学进展, 2024, 13(3): 991-1001. https://doi.org/10.12677/aam.2024.133093

1. 引言

1995年,Cranston和Le Jan [1] 介绍了一种特殊随机微分方程( 即线性自吸引扩散)

X t = B t θ 0 t 0 s ( X s X r ) d r d s + w t (1)

其中 θ > 0 ν ,B是一个一维标准布朗运动。他们证明了当t趋于无穷时解的收敛性。这种路径依赖随机微分方程是由Durrett和Rogers [2] 首次提出,他们在1992年引入一类增长物模型

X t = B t + 0 t 0 s f ( X s X u ) d u d s

其中B是一个d-维标准布朗运动,函数f是Lipschitz连续的。 X t 对应于t时刻聚合物末端的位置。在一定条件下,他们建立了随机微分方程解的渐近性态,并给出了一些猜想和问题。我们把这个解称为布朗运动与它自身通过的轨迹相互作用,即自交互作用的运动。一般来说,如果对f没有任何限制,方程(1)定义了一个自交互扩散。对任意 x d ,若 x f ( x ) 0 (反之 0 ),我们称之为自排斥扩散(反之,自吸引扩散)。换句话说,它更倾向于远离(或回到)之前达到的位置。更多相关结果可参考文献 [3] - [13] 及其参考文献。值得注意的是,自交互扩散与O-U过程相当。因此,我们可以得到它的渐近行为。自交互扩散也可以用来描述经济学中空间垄断竞争的一些行为。然而,目前研究的大多数方程都是由布朗运动驱动的。自然而然地,我们可以考虑由Lévy过程或高斯过程驱动的随机微分方程。通过分部积分,方程(1)可以改写为

X t = x + B t + θ 0 t 0 s r d X r d s + w t , t 0

受此结果的启发,可以考虑方程

X t = x + B t + 0 t 0 s g ( r , X r ) d X r d s + w t

在本文中我们考虑

X t = L t + θ 0 t 0 s ( 1 + s ) 1 2 d X r d s + w t (2)

其中, w , θ > 0 L = { L t , t 0 } 上跳有界且界为1的Lévy过程。记 ξ t = 0 t ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + r ) 3 2 + 2 3 θ d L r 。在第二章中,我们简要回顾Lévy过程的一些概念。第三章中设 θ > 0 ,我们证明了当t趋于无穷时,有

J t ( 0 ; θ ) : = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ X t ξ + θ 1 w

以及

J t ( n ; θ ) : = θ ( 1 + t ) 1 2 ( J t ( n 1 ; θ ) ( ξ + θ 1 w ) λ n ) ( ξ + θ 1 w ) λ n

L 2 和几乎处处意义上存在,其中 λ n = 2 n [ 1 × 4 × × ( 3 n 2 ) ] ξ = 0 ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ d L s 。这种循环收敛性是非常难得的。在此之前,对于由此类Lévy过程驱动的随机微分方程的研究非常有限,也没有出现类似关于解的循环收敛性的结论。第四章中,当 w = 0 时,在连续观测下我们估计了方程 的参数 θ ,得到了估计量 θ ^ T 具有强相合性且当T趋于无穷大时,以下依分布收敛性成立:

( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 2 3 θ ( θ ^ T θ ) 2 θ L 1 ξ

其中 L 1 为一无限可分分布,并且 L 1 ξ 相互独立。

2. 预备知识

在本小节中,我们简要回顾 上Lévy过程的定义和性质。关于这些概念的背景,我们参考Applebaum [14] 和Sato [15] 。在本文中,我们考虑定义在概率空间 ( Ω , F , P , { F t } ) 上的Lévy过程。为简单起见,我们让C代表一个正常数,仅取决于下标,其值在不同的情况下可能会有所不同。

定义在概率空间 ( Ω , F , P , { F t } ) 上的随机过程 L = { L t , t 0 } ,如果它满足:

1) L 0 = 0 a.s;

2) L有独立、平稳增量;

3) L是随机连续的,即对任意 ε > 0 , s 0

lim t s P ( | L t L s | ε ) = 0

我们称之为Lévy过程。定义在 上的Lévy过程 L = { L t , t 0 } 是半鞅,有如下Lévy-Itô分解:

L t = b t + B t + { | y | < 1 } y N ˜ ( t , d y ) + { | y | 1 } y N ( t , d y ) (3)

其中, b B = { B t , t 0 } 是一布朗运动,N是 + × ( { 0 } ) 上一独立泊松测度。若定义在 上的Lévy过程 L = { L t , t 0 } 跳有界,那么对一切正整数m,有

E | L t | m <

此时,过程 L ¯ = { L t E L t , t 0 } 是鞅过程。本文中,我们假设 L t 是一个跳有界且界限为1的Lévy过程,其生成三元组为 ( 1 , ν , 0 ) ,由(3)我们有

L t = B t + { | y | 1 } y N ˜ ( t , d y )

对上述Lévy过程 L = { L t , t 0 } ,下方不等式成立:

E [ sup 0 t τ | 0 t u s d L s | p ] C p { ( 0 τ u s 2 d s ) p 2 + ( 0 τ { | y | < 1 } y 2 u s 2 v ( d y ) d s ) p 2 + [ 0 τ { | y | < 1 } | y u s | p v ( d y ) d s ] }

P ( sup 0 t τ | 0 t u s d L s | ε ) C p ε p E [ | 0 t u τ d L s | p ]

其中 math_ τ 为停时, u = { u t , t 0 } -适应过程。

3. 自排斥条件下解的长时间行为

在本章中,我们考虑自排斥情况下的方程(2)。不难证明方程(2)有唯一解(参见Protter [16] )。定义核函数

h θ ( t , s ) = 1 + θ ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ s t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u

其中 0 s t ,并且对一切 s 0 ,极限

h θ ( s ) : = lim t h θ ( t , s ) = 1 + θ ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ s e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u

存在。通过常数变易法,我们得到方程(2)的解

X t = 0 t h θ ( t , s ) d L s + w 0 t h θ ( t , s ) d s

我们引入如下引理。

引理3.1 设 θ > 0 ,定义函数

I θ ( t ) = θ ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ d u 1

考虑函数列 t I θ ( t ; n ) : + , n = 1 , 2 , ,有如下形式:

I θ ( t ; 1 ) = θ ( 1 + t ) 3 2 I θ ( t ) ,

I θ ( t ; n + 1 ) = θ ( 1 + t ) 3 2 [ I θ ( t ; n ) λ n ]

其中 λ n = 2 n [ 1 × 4 × × ( 3 n 2 ) ] 。那么,对 n 1

lim t + I θ ( t , n ) = λ n (4)

证明:仿照文献 [11] 的方法,对 I θ ( t ) 进行 n + 1 次分部积分,那么对任意 n 1 ,当t趋于无穷时有

I θ ( t ) = [ C n + O ( ( 1 + t ) 3 2 ) ] e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ + 1 2 θ ( 1 + t ) 3 2 + 1 θ 2 ( 1 + t ) 3 + + 1 2 n θ n ( 1 + t ) 3 2 n i = 1 n ( 3 i 2 ) + Δ θ ( t , n )

其中

Δ θ ( t , n ) = i = 1 n + 2 ( 3 i 5 ) ( 1 + t ) 1 2 2 n + 2 θ n e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t ( e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ j = 0 n ( 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ ) j ) d u ( 1 + u ) 3 2 n 3 2

结合 I θ ( t ; n ) 的定义,对任意整数 n 2 ,有

I θ ( t , 1 ) = θ ( 1 + t ) 3 2 I θ ( t ) = θ ( 1 + t ) 3 2 [ C n + O ( 1 + t ) 3 2 ] e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ + 1 2 + 1 θ ( 1 + t ) 3 2 + + 1 2 n θ n 1 ( 1 + t ) 3 2 n 3 2 i = 1 n ( 3 i 2 ) + θ ( 1 + t ) 3 2 Δ θ ( t , n ) ( t )

I θ ( t , 2 ) = θ ( 1 + t ) 3 2 ( I θ ( t , 1 ) λ 1 ) = θ 2 ( 1 + t ) 3 [ C n + O ( 1 + t ) 3 2 ] e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ + 1 + 7 2 θ ( 1 + t ) 3 2 + + 1 2 n θ n 2 ( 1 + t ) 3 2 n 3 i = 1 n ( 3 i 2 ) + θ 2 ( 1 + t ) 3 Δ θ ( t , n ) ( t )

又因为对于任意的整数 1 m n ,当t趋于无穷时,

( 1 + t ) 3 2 m Δ θ ( t , n ) 0

所以有

I θ ( t , n ) = θ n ( 1 + t ) 3 2 n [ C n + O ( ( 1 + t ) 3 2 ) ] e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ + 2 n i = 1 n ( 3 i 2 ) + θ n ( 1 + t ) 3 2 n Δ θ ( t , n ) λ n ( t )

也就表明收敛性(4)成立。

引理3.2 设 θ > 0 ,定义函数

ξ t : = 0 t ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ d L s , t 0

过程 ξ = { ξ t , t 0 } 和随机变量 math_ L 2 上是适定的。当t趋于无穷时,

η t : = ( 1 + t ) 3 n 2 ϕ ( t ) ( ξ t ξ ) 0 (5)

L 2 和几乎处处意义下成立,其中 n 1 ϕ ( t ) = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d s

证明 给定 θ > 0 ,记 h ν = | y | < 1 y 2 ν ( d y ) < 。对 t > 0 ,有

E | ξ t | 2 = 0 t ( 1 + s ) e 4 3 θ ( 1 + s ) 3 2 4 3 θ d s + 0 t | y | < 1 y 2 ( 1 + s ) e 4 3 θ ( 1 + s ) 3 2 4 3 θ ν ( d y ) d s = ( 1 + h ν ) 0 t ( 1 + s ) e 4 3 θ ( 1 + s ) 3 2 4 3 θ d s < ( 1 + h ν ) 0 ( 1 + s ) e 4 3 θ ( 1 + s ) 3 2 4 3 θ d s <

此外,当t趋于无穷时,基于 ϕ ( t ) θ 1 以及

( 1 + t ) 3 n E | ξ t ξ | 2 = ( 1 + t ) 3 n ( 1 + h ν ) t ( 1 + s ) e 4 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 4 3 θ d s 0

我们得到收敛性(5)在 L 2 上成立。现证明它依概率1收敛。对任意 n 1 ,当t趋于无穷时,

( 1 + t ) 3 n 2 ( ξ ξ t ) = ( 1 + t ) 3 n 2 t ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ d L s = ( 1 + t ) 3 n + 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ L t 1 2 ( 1 + t ) 3 n 2 t L s e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ ( ( 1 + s ) 1 2 2 θ ( 1 + s ) ) d s 0

几乎处处成立。进一步地,当t趋于无穷时,

η t a . s 0

我们得到了引理。

引理3.3 假设 θ > 0 ,函数 I θ 为引理3.1中定义得函数,则

lim t ( 1 + t ) 3 2 I θ ( t ) = 1 2 θ

lim t ( 1 + t ) 5 2 I θ ( t ) = 3 4 θ .

证明 给定 θ > 0 ,利用洛必达法则,可以得到

lim t ( 1 + t ) 3 2 I θ ( t ) = lim t ( 1 + t ) 3 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ ( e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ + θ ( 1 + t ) 1 2 0 t e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d s ) = lim t ( 1 + t ) 3 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ ( 0 t θ ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d s 1 + θ ( 1 + t ) 1 2 0 t e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d s ) = lim t θ ( 1 + t ) 3 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ [ ( 1 + t ) 1 2 ( 1 + s ) 1 2 ] d s = 1 2 θ

t 0 时,显然

I θ ( t ) = θ 2 ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u + θ ( 1 + t ) 1 2 θ 2 ( 1 + t ) e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u = θ ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ ( 1 2 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u + ( 1 + t ) e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ θ ( 1 + t ) 3 2 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u ) = θ ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ ( 1 2 θ ( 1 + t ) 3 2 + θ ( 1 + t ) ( 1 + u ) 1 2 ) d u + θ ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ

f θ ( t ) = 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ ( 1 2 θ ( 1 + t ) 3 2 + θ ( 1 + t ) ( 1 + u ) 1 2 ) d u

其中 θ > 0 ,则对任意的 t 0 ,显然有 f θ ( 0 ) = 0

I θ ( t ) = θ ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ ( f θ ( t ) + 1 )

另一方面,对任意的 t 0 ,当t趋于无穷时,有

f θ ( t ) = 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ ( 3 2 θ ( 1 + t ) 1 2 + θ ( 1 + u ) 1 2 ) d u + 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ = 3 2 θ ( 1 + t ) 1 2 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u + θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ ( 1 + u ) 1 2 d u + 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ = 3 2 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ [ ( 1 + t ) 1 2 ( 1 + u ) 1 2 ] d u + 1 2 = 3 4 θ 0 t ( 1 + u ) 1 2 d u 0 u e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d s + 1 2

f θ ( t ) 1 2 成立。则

f θ ( t ) = 0 t f θ ( s ) d s ( t )

由洛必达法则得,

lim t ( 1 + t ) 5 2 I θ ( t ) = lim t θ ( 1 + t ) 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ f θ ( t ) = lim t 3 θ 2 ( 1 + t ) 3 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ [ ( 1 + t ) 1 2 ( 1 + u ) 1 2 ] d u = 3 4 θ

证毕。

引理3.4 假设 θ > 0 I θ ( t ) 为引理3.1中所定义函数,则随机变量 0 I θ ( s ) d L s L 2 意义下存在并且

0 t I θ ( s ) d L s 0 I θ ( s ) d L s ( t )

L 2 和几乎处处意义下成立。

证明 给定 θ > 0 ,对一切 t 0 ,有 lim t I θ ( t ) = 0 。由引理3.3得,对任意的 t 0 ,下列连续性成立:

| I θ ( t ) | C θ ( 1 + t ) 3 2 (6)

| I θ ( t ) | C θ ( 1 + t ) 5 2 (7)

显然当 t 0 时有

E | 0 t I θ ( s ) d L s | 2 = ( 1 + h ν ) 0 t I θ ( s ) 2 d s < ( 1 + h ν ) 0 I θ ( s ) 2 d s <

我们考虑当t趋于无穷时, 0 t I θ ( s ) d L s 的收敛性。记

Ψ t = 0 I θ ( s ) d L s 0 t I θ ( s ) d L s = t I θ ( s ) d L s

当t趋于无穷时,由(6)我们有

E | Ψ t | 2 = ( 1 + h ν ) t I θ ( s ) 2 d s ~ ( 1 + t ) 2 0

接下来,我们证明对一切 θ > 0 ,当t趋于无穷时 Ψ t 几乎处处收敛到零。当t趋于无穷时,通过(6)、(7)和分部积分,显然有

Ψ t = t I θ ( s ) d L s = I θ ( t ) L t t L s I θ ( s ) d s 0

几乎处处成立,引理得证。

定理3.5 假设 θ > 0 。当 t 时,

J t ( 0 ; θ ) : = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ X t ξ + θ 1 w

L 2 和几乎处处意义下收敛。

证明 给定 θ > 0 。当 t 0 时有

J t ( 0 ; θ ) = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ X t = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ ( 0 t h θ ( t , s ) d L s + w 0 t h θ ( t , s ) d s ) = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ L t + θ ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ ξ u d u + w ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t h θ ( t , s ) d s

通过分部积分,有

0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ ( ξ u ξ ) d u = 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ u ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ d L s d u = 0 t ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ 0 s e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u d L s 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u t ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ d L s ζ t ( 1 ) ζ t ( 2 )

又因为对任意 t 0

0 t h θ ( t , s ) d s = 0 t e 2 3 θ ( 1 + u ) 3 2 2 3 θ d u

所以有

J t ( 0 ; θ ) ( ξ + θ 1 w ) = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ L t + θ ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ ( ζ t ( 1 ) ζ t ( 2 ) ) + ( ξ + θ 1 w ) I θ ( t ) = ( ξ + θ 1 w ) I θ ( t ) ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t I θ ( s ) d L s θ ϕ ( t ) ( ξ ξ t ) (8)

因此,当t趋于无穷时,由事实

L t t 0

L 2 和几乎处处意义下成立以及引理3.1、引理3.2和引理3.4可得,

J t ( 0 ; θ ) ( ξ + θ 1 w ) 0

L 2 和几乎处处意义下成立。

定理3.6 假设 θ > 0 。定义递推过程 J ( n ; θ ) = { J t ( n ; θ ) , t 0 } , n = 0 , 1 , 2 , ,即,

J t ( 0 ; θ ) : = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ X t

J t ( n ; θ ) : = θ ( 1 + t ) 3 2 ( J t ( n 1 ; θ ) ( ξ + θ 1 w ) λ n 1 )

则对任意 n 0 ,当t趋于无穷时,

J t ( n ; θ ) ( ξ + θ 1 w ) λ n

L 2 和几乎处处意义下成立,其中 X t 是方程(2)的解且 λ 0 = 1

证明 给定 θ > 0 。当 t 0 时,(8)表明对任意 t > 0 n 1

J t ( n ; θ ) = θ ( 1 + t ) 3 2 ( J t ( n 1 ; θ ) ( ξ + θ 1 w ) λ n 1 ) = ( ξ + θ 1 w ) I θ ( t , n ) θ n ( 1 + t ) 3 n + 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t I θ ( s ) d L s θ n + 1 ( 1 + t ) 3 n 2 ϕ ( t ) ( ξ ξ t )

其中 I θ ( t ) 是引理3.1中定义的。因此,该定理的证明可以由(4)、(5)和引理3.4得到。

4. 统计推断

在本章中,我们研究微分方程

d X t = d L t + θ ( 0 t ( 1 + s ) 1 2 d X s ) d t

在连续观测下的参数估计。记 Y t = 0 t ( 1 + r ) 1 2 d X r θ 的最小二乘估计量可由以下比较函数的最小值求出:

ρ ( θ ) = 0 T ( X ˙ t θ Y t ) 2 d t

得到 θ 的最小二乘估计量

θ ^ T = 0 T Y t d X t 0 T Y t 2 d t

由常数变易法得

Y t = e 2 3 θ ( 1 + t ) 2 3 θ 0 t ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ d L s = e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ ξ t (9)

为了研究参数的相合性和渐近分布,我们引入了一个引理。

引理4.1 当T趋于无穷时,有如下依分布收敛成立:

( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 2 3 θ 0 T e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d L s L 1

其中随机变量 L 1 服从三元组 ( ( 2 θ ) 1 2 , K T 1 ν , 0 ) 的无限可分分布, K T = ( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 2 3 θ 0 T e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d s

证明 显然,对任意 T > 0 ,有

( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 2 3 θ 0 T e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d L s = L 1

其中 L 1 服从一个无限可分分布,生成三元组为 ( A , ν 1 , 0 ) 。这里等号“=”表示分布相等。我们知道 L t 的特征函数如下:

φ L t ( u ) = E [ e { i L t , u } ] = exp { 1 2 t u , u + t 0 ( e i ( u , x ) 1 i u , x ) v ( d x ) }

M t = | y | < 1 y ( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 2 3 θ 0 T e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ N ˜ ( d s , d y ) = K T | y | < 1 y N ˜ ( d y , s )

于是我们可以得到

E [ e { i M t , u } ] = exp { t 0 ( e i u , K T x 1 i u , K T x ) v ( d x ) } = exp { t 0 ( e i u , x 1 i u , x ) ( v K 1 ) ( d x ) }

故我们得到了 ν 1 = K T 1 以及

A = lim T ( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ E | 0 T e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d B s | 2 = lim T ( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ 0 T e 4 3 θ ( 1 + s ) 3 2 4 3 θ d s = 1 2 θ

引理得证。

定理4.1 假设 θ > 0 ,则估计量 θ ^ 是强相合的,换句话说,当T趋于无穷时,

θ ^ θ

几乎必然成立。进一步地,当T趋于无穷大时,以下依分布收敛性成立:

( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 2 3 θ ( θ ^ T θ ) 2 θ L 1 ξ

其中 L 1 如引理4.1中所定义,并且 L 1 ξ 相互独立。

证明 由分部积分可得

0 T Y t d L t = Y T L T 0 T L t d Y t = Y T L T θ 0 T ( 1 + t ) 1 2 L t Y t d t 0 T ( 1 + t ) 1 2 L t d L t

结合(9)、引理3.2和洛必达法则,可以证明当T趋于无穷大时,以下收敛以概率1成立:

( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ 0 T Y t 2 d t ξ 2 2 θ

( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ Y T L T = L T T T ( 1 + T ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 2 3 θ ξ T 0 ( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ 0 T ( 1 + t ) 1 2 L t Y t d t = ( 1 + T ) 2 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 2 3 θ 0 T ( 1 + t ) 1 2 L t Y t d t ( 1 + T ) 3 2 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 2 3 θ 0

此外,当T趋于无穷大时有

e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 2 3 θ 0 T ( 1 + t ) 1 2 L t d L t = 1 2 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 2 3 θ [ ( 1 + T ) 1 2 L T 2 1 2 0 T ( 1 + t ) 1 2 L t 2 d t ] 0

综合以上结论,我们可以得到:

θ ^ T θ = 0 T Y t d X t 0 T Y t 2 d t θ = 0 T Y t d L t 0 T Y t 2 d t 0

几乎必然成立。接下来我们考虑估计量 θ ^ 的渐近分布。对任意 T > 0 ,我们有

( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 2 3 θ ( θ ^ T θ ) = ( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 4 3 θ 0 T Y t 2 d t 0 T Y t d L t ( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 2 3 θ

m t = ( 1 + t ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 + 2 3 θ 0 t e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 2 3 θ d L s ,对任意 T > 0 ,有

0 T Y t d L t = 0 T e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ ξ t d L t = 0 T e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ ξ T d L t + 0 T e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ ( ξ t ξ T ) d L t = ξ T 0 T e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ d L t 0 T ( 1 + s ) 1 2 e 2 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 2 3 θ 0 s e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ d L t d L s = ξ T 0 T e 2 3 θ ( 1 + t ) 3 2 2 3 θ d L t 0 T m s d L s

当T趋于无穷时,由

( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ E | 0 T m s L s | 2 = ( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ ( 1 + h ν ) 0 T E | m s | 2 d s = ( 1 + h ν ) 2 ( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ 0 T ( 1 + s ) e 4 3 θ ( 1 + s ) 3 2 + 4 3 θ 0 s e 4 3 θ ( 1 + u ) 3 2 4 3 θ d u d s ~ ( 1 + T ) 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 4 3 θ

可以得到

( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 + 2 3 θ 0 T m s d L s L 2 0

综上所述结合引理4.1,有

( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 2 3 θ ( θ ^ T θ ) = ( 1 + T ) 1 2 e 4 3 θ ( 1 + T ) 3 2 4 3 θ 0 T Y t 2 d t 0 T Y t d L t ( 1 + T ) 1 4 e 2 3 θ ( 1 + T ) 3 2 2 3 θ 2 θ L 1 ξ

依分布收敛,其中 L 1 服从无限可分分布,生成三元组为 ( ( 2 θ ) 1 2 , K T 1 ν , 0 ) 并且 L 1 ξ 相互独立。定理得证。

NOTES

*通讯作者。

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