1. 引言
由于带有Hurst参数
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
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
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
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
(1.1)
这里初始值
,漂移系数
是无界的,
是具有Hurst参数
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
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
的分数布朗运动
是具有连续路径的中心高斯过程,且协方差函数为
(1.2)
在下文中,总是假设Hurst参数
,则分数布朗运动的协方差函数可表示为
基于上式,定义内积
(1.3)
其中,
是示性函数,
。记Hilbert空间
是定义在
上的所有阶梯函数关于内积
生成的闭包,则
定义1.2 [7] 对
,
。定义函数f的
-Hölder半范数
特别地,简记
。由定义1.1可知
故
的轨道Hölder连续性指标
。
定义1.3 [3] 给定一个随机变量
(1.4)
其中,
,
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
,且
此外,对于
,
(1.5)
其中,Sobolev空间
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
。
定义1.4 [3] 若U-值随机变量
满足
其中,随机变量
,则称
属于算子
的定义域,记为
。定义
是满足
的随机变量。同时,称
为
关于分数布朗运动
的Skorohod积分,记为
利用示性函数可定义
。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
引理1.1 [7] 设
,记
(1.6)
其中
若
,则存在常数
,使得
(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。
设
,
,
,对于
,记
,
和
。将梯形数值格式应用于(1.1),得到
(2.1)
其中,
。
设存在常数
,使得
满足
(2.2)
类似于文献[5]的证明,方程(2.1)是可解的。
定理2.1 设
,
满足(2.2),则
(2.3)
其中,
是方程(1.1)的精确解,
为(2.1)给出的数值解。
证 由(2.1)和积分中值定理
(2.4)
其中,
,最后一步等式由Fubini定理得到。令
(2.5)
则有
(2.6)
令
,其中
。因此
可得
。
设
,其中
。所以
则
。通过迭代可以得到
由
和
的定义有
。因此,
(2.7)
通过Taylor公式和
有
记
,定义
,则有
由于
,所以
因此(2.7)可得
则
对于
项有
因为
,所以
由上式,文献[9]的引理2.1和(2.2),
项可得
综上所述,
Figure 1. Strong convergence order of trapezoidal numerical scheme
图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
进行模拟,其中参数
,
,这些常数的值不是唯一的,这里的值是为了方便数值实验。
从图1中可以看出,当
时,梯形数值格式的强收敛阶数为
。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。