分数布朗运动驱动的SDE梯形数值格式的收敛性分析
Convergence Analysis of Trapezoidal Numerical Scheme for SDE Driven by Fractional Brownian Motion
摘要: 分数布朗运动驱动的SDE在金融、物理和工程等领域有广泛应用,但其精确解通常难以获得,因此数值方法的研究至关重要。梯形格式作为一种经典的数值方法,其在分数布朗运动驱动SDE中的应用及收敛性分析具有一定的理论意义和实际价值。本文研究加性分数布朗运动驱动的SDE的梯形数值格式的收敛性分析,其中分数布朗运动的Hurst参数 H( 1 2 ,1 ) 。利用Malliavin导数和Skorohod积分等工具,得到了该数值格式的强收敛阶为1阶。
Abstract: The SDE driven by Fractional Brownian Motion (FBM) serves as a fundamental stochastic model in fields such as financial mathematics, physics, and engineering. Due to the difficulty in obtaining exact solutions for such equations, numerical methods are indispensable tools for studying them. This paper focuses on the convergence analysis of the trapezoidal numerical scheme for SDEs driven by additive Fractional Brownian Motion, where the Hurst parameter H of the Fractional Brownian Motion belongs to ( 1 2 ,1 ) . Using tools such as Malliavin derivatives and Skorohod integrals, the strong convergence order of this numerical scheme is obtained to be of first order.
文章引用:王聪淇. 分数布朗运动驱动的SDE梯形数值格式的收敛性分析[J]. 应用数学进展, 2025, 14(3): 37-44. https://doi.org/10.12677/aam.2025.143090

1. 引言

由于带有Hurst参数 H( 0,1 ) 的分数布朗运动驱动的SDE是表征随机现象的基本模型,在多孔介质[1]、金融[2]等领域具有广泛应用。所以,近年来分数布朗运动驱动的SDE研究受到了学术界越来越多的关注,特别是在SDE的数值方法研究方面取得了重要成果。例如,Huang和Wang [3]研究了具有Hurst参数 H( 1 3 , 1 2 ) 的分数布朗运动驱动的SDE在漂移系数满足一阶、二阶及三阶导数均有界的情况下,Euler方法具有强阶2H。Hu等人[4]得到了由Hurst参数 H> 1 2 的多维分数布朗运动驱动的SDE的Crank-Nicolson格式(又称梯形数值格式)的收敛阶。Zhang和Yuan [5]利用向后Euler方法求解一类具有Hurst参数 H> 1 2 的分数布朗运动驱动的一维SDE,得到其收敛阶为H阶。受到上述文献的启发,本文在文献[5]的基础上对分数布朗运动驱动的SDE构造梯形数值格式,证明该数值方法的强阶增加为1阶。

2. 分数布朗运动驱动的SDE

考虑以下加性分数布朗运动驱动的SDE

d X t =a( X t )dt+σd B t H ,t[ 0,T ], (1.1)

这里初始值 X 0 >0 ,漂移系数 a: 是无界的, B H = { B t H } t[ 0,T ] 是具有Hurst参数 H( 1 2 ,1 ) 的分数布朗运动。由文献[6]可知,该方程存在唯一的逐路径解

X t = X 0 + 0 t a( X t )dt +σ 0 t d B t H ,t[ 0,T ].

下面给出本文需要的定义及引理。文中的M为常数,不同行取值不同。

定义1.1 [5] 带Hurst参数 H( 0,1 ) 的分数布朗运动 B H ={ B t H ,t[ 0,T ] } 是具有连续路径的中心高斯过程,且协方差函数为

E( B t H B s H )= 1 2 ( t 2H + s 2H | ts | 2H ),    s,t[ 0,T ]. (1.2)

在下文中,总是假设Hurst参数 H( 1 2 ,1 ) ,则分数布朗运动的协方差函数可表示为

E( B t H B s H )= α H 0 t 0 s | vu | 2H2 dudv ,    s,t[ 0,T ].

基于上式,定义内积

I [ 0,t ] , I [ 0,s ] U := α H 0 T 0 T I [ 0,t ] ( u ) I [ 0,s ] ( v ) | vu | 2H2 dudv = α H 0 t 0 s | vu | 2H2 dudv , (1.3)

其中, I [ 0,t ] ( ) 是示性函数, α H =H( 2H1 ) 。记Hilbert空间 ( U, , U ) 是定义在 [ 0,T ] 上的所有阶梯函数关于内积 , U 生成的闭包,则

φ,ψ U = α H 0 T 0 T φ u ψ v | vu | 2H2 dudv,     φ,ψU.

定义1.2 [7] fC( [ 0,T ]; d ) β( 0,1 ] 。定义函数f β -Hölder半范数

f s,t,β := sup su<vt f v f u | vu | β ,0s<tT.

特别地,简记 f β := f 0,T,β 。由定义1.1可知

sup 0s<tT B t H B s H L p ( Ω ) | ts | H <,p1,

B t H 的轨道Hölder连续性指标 β<H

定义1.3 [3] 给定一个随机变量

G=g( B t 1 ,, B t N ), (1.4)

其中, t 1 ,, t N [ 0,T ] g: N 是一个满足任意阶导数有界的有界光滑函数。定义G的Malliavin导数为U-值随机变量 DG ,且

D t G:= i=1 N g x i ( B t 1 ,, B t N ) I [ 0. t i ] ( t ),     t[ 0,T ].

此外,对于 p1

G W 1,p := ( E [ | G | p ] +E[ DG U p ] ) 1 p . (1.5)

其中,Sobolev空间 W 1,p 是具有(1.4)形式的全体随机变量对该范数生成的闭包。

下面介绍算子D的对偶算子 δ

定义1.4 [3]U-值随机变量 φ L 2 ( Ω;U ) 满足

| E[ φ,DG U ] |Q( φ ) G L 2 ( Ω ) ,     G W 1,2 ,

其中,随机变量 Q:Ω( 0, ) ,则称 φ 属于算子 δ 的定义域,记为 φDom( δ ) 。定义 δ( φ ) L 2 ( Ω ) 是满足

E[ φ,DG U ]=E[ Gδ( φ ) ],     G W 1,2

的随机变量。同时,称 δ( φ ) φ 关于分数布朗运动 { B t H } t[ 0,T ] 的Skorohod积分,记为

δ( φ )= 0 T φ t δ B t ,

利用示性函数可定义 0 t φ u δ B u :=δ( φ I [ 0,t ] ),t[ 0,T ] 。根据文献[8]中命题5.2.3,分数布朗运动的随机积分与Skorohod积分有以下关系

0 t φ u d B u H = 0 t φ u δ B u H + α H 0 t 0 T D v φ u | vu | 2H2 dvdu.

引理1.1 [7] p>1 ,记

W 1,p ( | U | ):={ φ W 1,p ( U ): E[ φ ] | U | p +E[ Dφ | U || U | p ]< }, (1.6)

其中

φ | U | 2 := α H [ 0,T ] 2 | φ v | | φ u | | vu | 2H2 dvdu,

Dφ | U || U | 2 := α H 2 [ 0,T ] 4 | D v 1 φ u 1 | | D v 2 φ u 2 | | v 1 v 2 | 2H2 | u 1 u 2 | 2H2 d v 1 d u 1 d v 2 d u 2 .

φ W 1,p ( | U | ) ,则存在常数 M=M( H,p ) ,使得

E[ | 0 T φ t δ B t | p ]M( E[ φ ] | U | p +E[ Dφ | U || U | p ] ). (1.7)

3. 梯形数值格式

在本节中,我们将利用梯形数值格式来求解方程(1.1),并分析所得数值格式的强收敛阶。

h= T N t k =kh k=0,,N ,对于 t( t k , t k+1 ] ,记 t := t k t := t k+1 Δ B k+1 H = B t k+1 H B t k H 。将梯形数值格式应用于(1.1),得到

X k+1 = X k + h 2 [ a( X k+1 )+a( X k ) ]+σΔ B k+1 H ,  k{ 0,,N }, (2.1)

其中, X 0 = X t 0 >0

设存在常数 K>0 ,使得 a( x ) 满足

a ( x )hhK<2, a ( x )K,   x( 0,+ ). (2.2)

类似于文献[5]的证明,方程(2.1)是可解的。

定理2.1 H( 1 2 ,1 ) a: 满足(2.2),则

( E sup 0kN1 | X t k+1 X k+1 | p ) 1 p M h H , (2.3)

其中, X t k+1 是方程(1.1)的精确解, X k+1 为(2.1)给出的数值解。

由(2.1)和积分中值定理

X t k+1 X k+1 = X t k X k + t t a( X s )ds h 2 [ a( X k+1 )+a( X k ) ] = X t k X k + h 2 ( a( X t k+1 )a( X k+1 ) )+ h 2 ( a( X t k )a( X k ) )   1 2 t t ( a( X t k+1 )a( X s ) )ds 1 2 t t ( a( X t k )a( X s ) )ds

= X t k X k + h 2 a ( X k+1 + ζ k+1 ( X t k+1 X k+1 ) )( X t k+1 X k+1 )  + h 2 a ( X k + ζ k ( X t k X k ) )( X t k X k )   1 2 t t ( s t a ( X r )a( X r )dr+σ s t a ( X r )d B r H )ds  + 1 2 t t ( t s a ( X r )a( X r )dr+σ t s a ( X r )d B r H )ds = X t k X k + h 2 a ( X k+1 + ζ k+1 ( X t k+1 X k+1 ) )( X t k+1 X k+1 )  + h 2 a ( X k + ζ k ( X t k X k ) )( X t k X k )   1 2 ( t t ( r t k ) a ( X r )a( X r )dr +σ t t ( r t k ) a ( X r )d B r H )  + 1 2 ( t t ( t k+1 r ) a ( X r )a( X r )dr +σ t t ( t k+1 r ) a ( X r )d B r H ), (2.4)

其中, ζ k , ζ k+1 ( 0,1 ) ,最后一步等式由Fubini定理得到。令

Δ k+1 = X t k+1 X k+1 , Ψ k+1 = a ( X k+1 + ζ k+1 ( X t k+1 X k+1 ) ), Γ k+1 = 1 2 [ t t ( t k+1 + t k 2r ) a ( X r )a( X r )dr+σ t t ( t k+1 + t k 2r ) a ( X r )d B r H ], (2.5)

则有

( 1 h 2 Ψ k+1 ) Δ k+1 =( 1+ h 2 Ψ k ) Δ k + Γ k+1 . (2.6)

Δ ˜ k+1 = Θ k+1 Δ k+1 ,其中 Θ k+1 = i=0 k ( 1 h 2 Ψ i+1 ) 。因此

Δ ˜ k+1 =( 1+ h 2 Ψ k ) Δ ˜ k + Θ k Γ k+1 .

可得 ( 1+ h 2 Ψ k ) 1 Δ ˜ k+1 = Δ ˜ k + Θ k ( 1+ h 2 Ψ k ) 1 Γ k+1

Δ ^ k+1 = Λ k Δ ˜ k+1 ,其中 Λ k = i=0 k ( 1+ h 2 Ψ i ) 1 。所以

( 1+ h 2 Ψ k ) 1 Λ k 1 Δ ^ k+1 = Λ k 1 Δ k + Θ k ( 1+ h 2 Ψ k ) 1 Γ k+1 .

Δ ^ k+1 = Δ ^ k + Λ k Θ k Γ k+1 。通过迭代可以得到

Δ ^ k+1 = 1 2 [ 0 t ( t k+1 + t k 2r ) Λ t k Θ t k a ( X r )a( X r )dr+σ i=0 k t i t i+1 ( t i+1 + t i 2r ) Λ i Θ i a ( X r )d B r H ].

Δ ˜ k Δ ^ k 的定义有 Δ k+1 = Δ ˜ k+1 Θ k+1 = Δ ^ k+1 Λ k Θ k+1 。因此,

Δ k+1 = 1 2 0 t ( t k+1 + t k 2r ) Λ t k Θ t k Λ k Θ k+1 a ( X r )a( X r )dr + σ 2 i=0 k t i t i+1 ( t i+1 + t i 2r ) Λ i Θ i Λ k Θ k+1 a ( X r )d B r H . (2.7)

通过Taylor公式和 ( 1 h 2 Ψ i+1 ) 1 2 2hK

Λ i Θ i Λ k Θ k+1 = j=i+1 k ( 1+ h 2 Ψ j ) j=i k ( 1 h 2 Ψ j+1 ) ( 1+ h 2 K ) ki ( 1 h 2 K ) ki+1 2 2hK e klog 2+hK 2hK M e 2KT 2hK .

J( t )=σ 0 t ( 1hK ) k ( t k+1 + t k 2r ) a ( X r )d B r H ,定义 Λ ˜ i Θ ˜ i = Λ i Θ i ( 1hK ) i ,则有

σ i=0 k t i t i+1 ( t i+1 + t i 2r ) Λ i Θ i a ( X r )d B r H =σ i=0 k Λ i Θ i ( 1hK ) i t i t i+1 ( 1hK ) i ( t i+1 + t i 2r ) a ( X r )d B r H = i=0 k Λ ˜ i Θ ˜ i [ σ 0 t i+1 ( 1hK ) i+1 ( t i+1 + t i 2r ) a ( X r )d B r H σ 0 t i ( 1hK ) i ( t i + t i1 2r ) a ( X r )d B r H ] = i=0 k Λ ˜ i Θ ˜ i ( J( t i+1 )J( t i ) ) = Λ ˜ k Θ ˜ k J( t k+1 ) i=1 k ( Λ ˜ i Θ ˜ i Λ ˜ i1 Θ ˜ i1 )J ( t i ).

由于 Λ ˜ k Θ ˜ k Λ ˜ k1 Θ ˜ k1 ,所以

| Λ ˜ k Θ ˜ k J( t k+1 ) i=1 k ( Λ ˜ i Θ ˜ i Λ ˜ i1 Θ ˜ i1 )J( t i ) | | Λ ˜ k Θ ˜ k || J( t k+1 ) |+ i=1 k | Λ ˜ i Θ ˜ i | sup 1ik | J( t i ) | ( k+1 )| Λ ˜ k Θ ˜ k | sup 1ik+1 | J( t i ) |.

因此(2.7)可得

| Δ k+1 |M 0 t k+1 | t k+1 + t k 2r || Λ t k Θ t k Λ k Θ k+1 || a ( X r ) || a( X r ) |dr +( k+1 )| Λ ˜ k Θ ˜ k Λ k Θ k+1 | sup 1ik+1 | J( t i ) |.

E | Δ k+1 | p ME ( 0 t k+1 | t k+1 + t k 2r || Λ t k Θ t k Λ k Θ k+1 || a ( X r ) || a( X r ) |dr +( k+1 )| Λ ˜ k Θ ˜ k Λ k Θ k+1 | sup 1ik+1 | J( t i ) | ) p M[ E ( 0 t k+1 | t k+1 + t k 2r || a ( X r ) || a( X r ) |dr ) p +E sup 1ik+1 | J( t i ) | p ] :=M( A 1 + A 2 ).

对于 A 1 项有

E ( 0 t k+! | t i + t i1 2r | | a ( X r ) || a( X r ) |dr ) p M h p E 0 t k+! | a ( X r ) | p | a( X r ) | p dr M h p .

因为 D v [ a ( X r ) ]= a ( X r ) D v X r =σ a ( X r )exp{ 0 r a ( X r )dt } I [ 0,r ] ( v ) ,所以

| D v [ a ( X r ) ] |σ e TK | a ( X r ) |.

由上式,文献[9]的引理2.1和(2.2), A 2 项可得

A 2 =E( sup 1ik+1 | σ 0 t ( 1hK ) k ( t i+1 + t i 2r ) a ( X r )d B r H | p ) M h p E 0 T | ( 1hK ) i ( t i+1 + t i 2r ) a ( X r ) | p dr +M h p E 0 T ( 0 T | ( 1hK ) i ( t i+1 + t i 2r ) D v a ( X r ) | 1 H dv ) pH dr +M h p E [ 0 T 0 T | ( 1hK ) i ( t i+1 + t i 2r ) D v a ( X r ) |ϕ( v,r )dv dr ] p M h p E 0 T | a ( X r ) | p dr+ M h p E 0 T | a ( X r ) | p dr M h p .

综上所述,

E sup 0kN1 | X t k+1 X k+1 | p M h p .

Figure 1. Strong convergence order of trapezoidal numerical scheme

1. 梯形数值格式的强收敛阶

4. 数值实验

在本节中,我们展示了fBMs驱动的SDEs的梯形数值格式的数值模拟。下面,使用漂移项 a( x )= 1 2 κ( γ x x ) 进行模拟,其中参数 κ=2 γ=0.5 ,这些常数的值不是唯一的,这里的值是为了方便数值实验。

图1中可以看出,当 H=0.6,0.7,0.8,0.9 时,梯形数值格式的强收敛阶数为 H+ 1 2 。定理4.1中所述的强收敛阶是在数值模拟中观察到的最优强收敛阶的范围内。

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