On the Skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary

For a solution of a reflection problem on a half-line similar to the Skorokhod reflection problem but with possible jump-like exit from zero, we obtain an explicit formula and study its properties. We also construct a Wiener process on a half-line with Wentzell boundary condition as a strong soluti...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2011
Hauptverfasser: Pilipenko, A. Yu., Пилипенко, А. Ю.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Englisch
Veröffentlicht: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2011
Online Zugang:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2801
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Institution

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860508774239830016
author Pilipenko, A. Yu.
Пилипенко, А. Ю.
Пилипенко, А. Ю.
author_facet Pilipenko, A. Yu.
Пилипенко, А. Ю.
Пилипенко, А. Ю.
author_sort Pilipenko, A. Yu.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-03-18T19:36:55Z
description For a solution of a reflection problem on a half-line similar to the Skorokhod reflection problem but with possible jump-like exit from zero, we obtain an explicit formula and study its properties. We also construct a Wiener process on a half-line with Wentzell boundary condition as a strong solution of a certain stochastic differential equation.
first_indexed 2026-03-24T02:30:33Z
format Article
fulltext УДК 519.21 А. Ю. Пилипенко (Ин-т математики НАН Украины, Киев) ОБ ОТОБРАЖЕНИИ СКОРОХОДА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ СКАЧКООБРАЗНОГО ВЫХОДА ИЗ ГРАНИЦЫ* For a solution of a reflection problem on a half-line similar to the Skorokhod reflection problem but with possible jump-like exit from zero, we obtain an explicit formula and study its properties. We also construct a Wiener process on a half-line with Wentzell boundary condition as a strong solution of a certain stochastic differential equation. Отримано явну формулу та дослiджено властивостi розв’язку задачi вiдбиття на пiвпрямiй, подiбної до задачi вiдбиття Скорохода, але з можливiстю стрибкоподiбного виходу з нуля. Також побудовано вiнеровий процес на пiвпрямiй з граничною умовою Вентцеля як сильний розв’я- зок деякого стохастичного диференцiального рiвняння. Введение. Рассмотрим линейный оператор второго порядка L = a(x) d2 dx2 + + b(x) d dx , x ≥ 0, где b — непрерывная функция, a — непрерывная и положи- тельная функция. Известно, что если {Tt, t ≥ 0} — феллеровская полугруппа в Cb([0,∞)) и ее генератор A является сужением (L,C2 b ([0,∞))), то функции из D(A) ⊂ C2 b ([0,∞)) должны удовлетворять граничному условию вида qf(0) + ∞∫ 0 (f(x)− f(0))µ(dx) + γf ′(0) + σLf(0) = 0, где q ≥ 0, γ ≥ 0, σ ≥ 0, µ — мера на (0,∞). Соответствующее утверждение было получено А. Д. Вентцелем [1] (см. [2] для многомерного случая). Неформально коэффициенты q, γ, σ отвечают за „погибание” процесса в нуле, „непрерывное, мгновенное” отражение в нуле и „залипание” в нуле соответственно. Мера µ отве- чает за скачкообразный выход процесса из нуля. Построениям марковских процессов с граничными условиями Вентцеля посвя- щено множество работ (см., например, [3 – 13] и приведенную там библиографию). Отметим отдельно подход А. В. Скорохода [3], который предложил стохастические дифференциальные уравнения, соответствующие граничному условию f ′(0) ≡ 0, а именно, уравнения вида dξ(t) = b(ξ(t))dt+ √ a(ξ(t))dw(t) + dL(t), t ≥ 0, где ξ(t) ≥ 0 при t ≥ 0, L — монотонный, непрерывный, Ft-согласованный процесс, L(0) = 0, (1) L(t) = t∫ 0 1Iξ(s)=0dL(s), t ≥ 0. (2) *Выполнена при частичной поддержке гранта Государственного фонда фундаментальных исследо- ваний Украины и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № Ф40.1/023.) c© А. Ю. ПИЛИПЕНКО, 2011 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 1241 1242 А. Ю. ПИЛИПЕНКО Последнее условие означает, что процесс L может возрастать лишь в те момен- ты времени, когда ξ попадает в 0. Отправной точкой для решения описанных выше стохастических уравнений было решение следующей детерминированной задачи. Для непрерывной (неслу- чайной) функции w,w(0) ≥ 0, найти такие непрерывные функции x и L, что x(t) = w(t) + L(t), t ≥ 0, (3) L непрерывна, монотонно не убывает, L(0) = 0, (4) L(t) = t∫ 0 1Ix(s)=0dL(s), t ≥ 0, (5) x(t) ≥ 0, t ≥ 0. (6) Известно, что решение проблемы Скорохода (3) – (6) существует, единственно и задается формулами L(t) = (Γw)(t) := − min s∈[0,t] {w(s) ∧ 0}, x(t) = w(t) + L(t). Отметим также работы С. В. Ануловой [5, 6], в которых диффузии с гранич- ными условиями Вентцеля были получены как слабые решения некоторых сто- хастических дифференциальных уравнений. Например, если q = σ = 0, то полу- группа {Tt} соответствовала бы уравнению dξ(t) = b(ξ(t))dt+ √ a(ξ(t))dw(t) + dL(t) + dΠ(L(t)), t ≥ 0, где L удовлетворяет условиям (4), (5), Π — некоторый неубывающий процесс с независимыми приращениями, не зависимый от w. Замечание 1. В работах [5, 6] рассматривалась, вообще говоря, гораздо более общая многомерная ситуация. Целью данной работы является получение явной формулы и исследование свойств для решения задачи отражения, подобной проблеме Скорохода (3) – (6), но с возможностью скачкообразного выхода из нуля. В частности, будет доказано, что если Π — неубывающий, скачкообразный про- цесс Леви (с возможно бесконечной мерой Леви), не зависимый отw, то существует единственное сильное решение стохастического уравнения dξ(t) = dw(t) + dL(t) + dΠ(L(t)), t ≥ 0, где L удовлетворяет (4), (5). При этом будет показано, что пара (ξ(t), L(t)), t ≥ 0, является решением сле- дующей проблемы мартингалов. Процесс f(ξ(t))− 1 2 t∫ 0 f ′′(ξ(s))ds− f ′(0) + ∞∫ 0 (f(u)− f(0))µ(du) L(t) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 ОБ ОТОБРАЖЕНИИ СКОРОХОДА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ . . . 1243 является мартингалом для любой f ∈ C2([0,∞)), имеющей компактный носитель. Здесь µ — мера Леви процесса Π. 1. О решении одной задачи отражения. Пусть C([0,∞)) и D([0,∞)) — про- странства непрерывных функций и, соответственно, функций, непрерывных справа и имеющих пределы слева. Введем в них топологию с помощью следующих мет- рик. Положим ρ(f, g) = sup t≥0 e−t(|f(t)− g(t)| ∧ 1), f, g ∈ C([0,∞)), т. е. топология в C([0,∞)) соответствует равномерной сходимости на компактах. Пусть Λ — множество непрерывных возрастающих функций λ : [0;∞)→ [0;∞) таких, что ‖λ‖ := sup s,t∈[0;∞),s<t log( λ(t)− λ(s) t− s ) <∞. Положим d(f, g) = ∑ n≥1 2−n ( inf λ1,λ2∈Λ (‖λ1‖+ ‖λ2‖+ sup t∈[0;n] |f(λ1(t))− g(λ2(t))|) ∧ 1 ) для f, g ∈ D([0,∞)). ЧерезC0([0,∞)) иD0([0,∞)) обозначим подпространстваC([0,∞)) иD([0,∞)), соответственно, функций, удовлетворяющих условию f(0) = 0. Пусть w ∈ C0([0,∞)) — непрерывная функция, F ∈ D0([0,∞)) — возрастаю- щая функция. Пусть x0 ≥ 0. Рассмотрим систему уравнений относительно пары неизвестных функций (ξ, L): ξ(t) = x0 + w(t) + F (L(t)), t ∈ [0,∞), (7) L(0) = 0, L монотонно не убывает и непрерывна, (8) t∫ 0 1Iξ(s)=0dL(s) = L(t), t ∈ [0,∞), (9) ξ(t) ≥ 0, t ∈ [0,∞). (10) Условие (9) означает, что функция L возрастает лишь в те моменты времени, когда функция ξ попадает в 0. Систему (7) – (10) будем обозначать через W (x0, w, F ). Если же уравнение (7) заменено на ξ(t) = w(t) + F (L(t)), t ∈ [0,∞), где w ∈ C([0,∞)), w(0) ≥ 0 (w(0) не обязательно равно нулю), то систему будем обозначать через W (w,F ), т. е. W (w,F ) = W (w(0), w(·)− w(0), F ). Рассмотрим два важных примера. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 1244 А. Ю. ПИЛИПЕНКО Пример 1. Пусть F (x) = x. Тогда система (7) – (10) принимает вид ξ̃(t) = x0 + w(t) + L̃(t), t ∈ [0,∞), (11) L̃(0) = 0, L̃ монотонно не убывает и непрерывна, (12) t∫ 0 1Iξ̃(s)=0dL̃(s) = L̃(t), t ∈ [0,∞), (13) ξ̃(t) ≥ 0. (14) Данная система впервые была предложена А. В. Скороходом [3]. Решение этой системы существует, единственно и дается формулой L̃(t) = Γ(x0 + w(·))(t), ξ̃(t) = x0 + w(t) + L̃(t), (15) где (Γf)(t) = − min s∈[0,t] {f(s) ∧ 0}. (16) Задачу Скорохода (11) – (14) будем обозначать через S(x0, w) или S(w), если вместо (11) рассматривается уравнение ξ̃(t) = w(t) + L̃(t) с w(0) ≥ 0, т. е. S(w) = = S(w(0), w(·)− w(0)). Известно, что если w(t), t ≥ 0, является винеровским процессом, то L̃(t), t ≥ 0, — локальное время в нуле отраженного винеровского процесса ξ̃(t), t ≥ 0. Пример 2. Предположим, что F (x) = x + Π(x), где Π(x) = = ∑n k=1 ak1I(bk,bk+1](x), 0 < a1 < . . . < an, 0 < b1 < . . . < bn < bn+1 = +∞, — скачкообразная неубывающая функция, имеющая конечное число скачков, либо Π(x) = ∞∑ k=1 ak1I(bk,bk+1](x), 0 < a1 < . . . < an < . . . , 0 < b1 < . . . < bn < . . . , limn→∞ bn = +∞. В этом случае решение системы W (x0, w, F ) можно получить следующим об- разом. Пусть (ξ̃, L̃) — решение задачи Скорохода S(x0, w). Обозначим через t1 момент, в который L̃ достигaeт уровня a1. Положим ξ(t) := ξ̃(t), t ∈ [0, t1), ξ(t1) := b1. Затем снова будем решать задачу Скорохода при t ≥ t1 с начальным условием ξ̃(t1) = b1, L̃(t1) = 0 до тех пор пока (новая) функция L̃ не достиг- нет уровня a2 − a1 в некоторый момент t2. Положим ξ(t) := ξ̃(t), t ∈ [t1, t2), ξ(t2) := b2 − b1. И так далее. Пусть {w(t), t ≥ 0} — винеровский процесс, {Π(t), t ≥ 0} — не зависимый от {w(t), t ≥ 0} неубывающий процесс Леви с конечной мерой Леви µ. Отметим, что Π(t) является составным пуассоновским процессом и представим в виде Π(t) = N(t)∑ n=1 ψn, где N(t), t ≥ 0, — пуассоновский процесс с интенсивностью α = µ((0,∞)), {ψn, n ≥ 1} — н. о. р. случайные величины, не зависимые от N(t), t ≥ 0, такие, что P(ψn ≤ x) = µ((0, x])/α. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 ОБ ОТОБРАЖЕНИИ СКОРОХОДА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ . . . 1245 Процесс {Π(t), t ≥ 0} удовлетворяет сформулированным выше условиям при- мера и решение задачи W (x0, w, F ) с F (x) = x + Π(x) можно получить, после- довательно решая задачу Скорохода и добавляя необходимые скачки. Несложно также видеть, что процесс L будет локальным временем для ξ в нуле. Отметим, что если процесс Π имеет бесконечную меру Леви, то с вероят- ностью 1 он имеет бесконечное число скачков на каждом интервале и рассуждения из примера 2 неприменимы. Основным результатом данного пункта является следующая теорема. Теорема 1. Предположим, что F ∈ D0([0,∞)) — строго возрастающая функция, lim x→∞ F (x) =∞. Тогда существует единственное решение системы W (x0, w, F ). При этом L(t) = F (−1)(Γ(x0 + w(·))(t)), (17) где отображение Γ задано в (16), а обобщенная обратная функция F (−1) задана соотношением F (−1)(x) = inf{y ≥ 0: F (y) ≥ x}. (18) Доказательство. Единственность получается аналогично доказательству Ско- рохода в случае F (x) = x. Действительно, пусть (ξ1, L1), (ξ2, L2) — два решения. Предположим, что ξ1(t) > ξ2(t) для некоторого t > 0. Положим t0 = sup{z ≤ ≤ t : ξ1(z) ≤ ξ2(z)}. Поскольку F — возрастающая функция, то L1(t) > L2(t), L1(t0) ≤ L2(t0). (19) Из того, что ξ1(s) > ξ2(s) ≥ 0, s ∈ (t0, t], следует, что L1(s) = L1(t), s ∈ (t0, t]. Отсюда с учетом непрерывности L1 следует L1(t0) = L1(t). Это противоречит (19), так как L1(t0) = L1(t) > L2(t) ≥ L2(t0) ≥ L1(t0), что невозможно. Единственность доказана. Существование. Несложно доказать следующую лемму. Лемма 1. Пусть F ∈ D([0,∞)) — строго возрастающая функция и lim x→∞ F (x) =∞. Тогда F (−1) является непрерывной неубывающей функцией. Из леммы 1 и того, что F (0) = 0, следует, что функция L, определенная в (17), также непрерывна, монотонна, L(0) = 0. Для завершения доказательства теоремы остается проверить (9), (10) для функ- ции ξ, определенной в (7). Пусть {qk} — точки скачков функции F, xk = F (qk), x̃k = F (qk−). Заметим, что F (−1)(x) = qk, x ∈ [x̃k, xk], (20) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 1246 А. Ю. ПИЛИПЕНКО F (F (−1)(x)) = { x, x /∈ ∪k[x̃k, xk), xk, x ∈ ∪k[x̃k, xk), и, в частности, F (F (−1)(x)) ≥ x. Поэтому F (L(t)) ≥ Γ(x0 + w(·))(t), t ∈ [0,∞). Значит, ξ(t) ≥ x0 + w(t) + Γ(x0 + w(·))(t). Правая часть неотрицательна, более того, она совпадает с ξ̃(t) — решением задачи Скорохода (11) – (14). Таким образом, мы доказали, что ξ(t) ≥ ξ̃(t) ≥ 0, t ∈ [0,∞). (21) Проверим (9). Пусть ξ(t) > 0 для некоторого t ∈ (0,∞). Предположим, что L̃(t) /∈ ∪k[x̃k, xk), где L̃ определяется из (11) – (14) и задано формулой (15). Тогда F (F (−1)(Γ(x0 + w(·))(t)) = F (F (−1)(L̃(t))) = L̃(t). Поэтому ξ(t) = ξ̃(t). (22) Если ξ̃(t) > 0, то для некоторого ε > 0 ξ̃(s) > 0, s ∈ [t− ε, t+ ε]. Из (13) следует, что L̃(t) = L̃(t− ε)− L̃(t+ ε), т. е. Γ(x0 + w(·))(t) = Γ(x0 + w(·))(t− ε) = Γ(x0 + w(·))(t+ ε). Поэтому L(t− ε) = L(t+ ε) и, значит, ∞∫ 0 1Iξ(s)>01IL̃(s)/∈∪k[x̃k,xk)dL(s) = 0. Замечание 2. Из неравенства (21) и справедливости (22) для t таких, что L̃(t) /∈ ∪k(x̃k, xk) и ξ(t) > 0, следует утверждение ∀ t /∈ L̃−1(∪k[x̃k, xk)) : ξ̃(t) = ξ(t). (23) Если же L̃(t) ∈ ∪k[x̃k, xk), то L(t) ∈ ∪k{qk} (см. (20)). Поскольку функция L непрерывна, то ∫ ∪k{qk} dL(t) = 0. Отсюда следует, что ∞∫ 0 1Iξ(s)>0dL(s) = 0. Теорема доказана. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 ОБ ОТОБРАЖЕНИИ СКОРОХОДА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ . . . 1247 Замечание 3. Пусть tk = inf{t : L̃(t) = xk}, t̃k = sup{t : L̃(t) = x̃k}. Тогда несложно проверить, что ξ(tk) = 0, ξ(t) > 0 для всех t ∈ [t̃k, tk). Более того, ξ(t) > ξ̃(t), t ∈ [t̃k, tk). Объединяя это с (23), получаем ξ(t) = ξ̃(t), t /∈ ∪k[t̃k, tk), ξ(t) > ξ̃(t), t ∈ ∪k[t̃k, tk), при этом ∪k[t̃k, tk) = L̃−1(∪k[x̃k, xk)). 2. Предельное поведение решений. В данном пункте исследуется непрерывная зависимость решений системы (7) – (10) от функций w и F. Отметим, что функции F, F (−1), L̃ монотонно неубывающие. Приведем ряд утверждений для композиций монотонных функций из D([0;∞)) или C([0;∞)). Несложно доказать следующие две леммы. Лемма 2. Справедливо утверждение ∀ w1, w2 ∈ C([0, T ]) : ‖Γ(w1)− Γ(w2)‖C([0,T ]) ≤ ‖w1 − w2‖C([0,T ]). Лемма 3. Пусть Fn : [0,∞) → R, n ≥ 0, — последовательность неубываю- щих функций таких, что F0 ∈ C([0,∞)) и Fn(x) → F0(x), n → ∞, для любого x ≥ 0. Тогда для любого T > 0 имеет место равномерная сходимость sup x∈[0,T ] |Fn(x)− F0(x)| → 0, n→∞. Лемма 4. Пусть F0 ∈ D0([0,∞)) — монотонно возрастающая функция, limx→+∞ F0(x) = +∞. Предположим, что последовательность неубывающих функций {Fn, n ≥ 1} ⊂ D0([0,∞)) такова, что Fn(x) → F0(x), n → ∞, для каждого x, являющегося точкой непрерывности функции F0. Тогда ∀ T > 0: sup x∈[0,T ] |F (−1) n (x)− F (−1) 0 (x)| → 0, n→∞. Замечание 4. Для любого T > 0 найдется n0 такое, что F (−1) n определено на [0;T ] для любого n ≥ n0. Доказательство. Поскольку F (−1) 0 непрерывна (лемма 1), из леммы 3 следует, что достаточно проверить поточечную сходимость ∀ x > 0: F (−1) n (x)→ F (−1) 0 (x), n→∞. (24) Из предположений о функции F0 следует, что для каждого x0 > 0 существует единственное y0 ≥ 0, в котором достигается инфимум inf{y : F0(y) ≥ x0}. Пусть y1 > y0 — произвольная точка непрерывности функции F0. Тогда lim n→∞ Fn(y1) = F0(y1) > F0(y0) = x0. Следовательно, lim n→∞ F (−1) n (x0) ≤ y1. (25) Аналогично, если y2 — точка непрерывности F0 такая, что y2 < y0, то ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 1248 А. Ю. ПИЛИПЕНКО lim n→∞ Fn(y2) = F0(y2) < x0. Поэтому lim n→∞ F (−1) n (x0) ≥ y2. (26) Из (25), (26) и того, что множество точек разрыва F0 не более чем счетно, следует (24). Лемма 4 доказана. Из лемм 2, 4 и теоремы 1 вытекает следующее утверждение. Следствие 1. Пусть {Fn, n ≥ 0} ⊂ D0([0,∞)) — последовательность воз- растающих функций, {wn, n ≥ 0} ⊂ C([0,∞)). Допустим, что: 1) wn(0) ≥ 0, n ≥ 0; 2) limx→+∞ Fn(x) = +∞, n ≥ 0; 3) ∀ T > 0: maxt∈[0,T ] |wn(t)− w0(t)| → 0, n→∞; 4) limn→∞ Fn(x) = F0(x) для любой точки x ≥ 0, являющейся точкой непре- рывности F0. Пусть (ξn, Ln) — решение W (wn, Fn). Тогда для любого T > 0 имеет место равномерная сходимость max t∈[0,T ] |Ln(t)− L0(t)| → 0, n→∞. Лемма 5. Пусть {Fn, n ≥ 0} ⊂ D([0,∞)) — последовательность неубы- вающих функций. Обозначим через {tk} множество точек разрыва функции F0. Последовательность {Fn} сходится к F0 в D([0,∞)) при n → ∞ тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия: 1) для каждого t, являющегося точкой непрерывности функции F0, имеет место сходимость lim n→∞ Fn(t) = F0(t); 2) для любого tk существует последовательность {tn,k}, limn→∞ tn,k = tk, такая, что ∆Fn(tn,k)→ ∆F0(tk), n→∞. Доказательство основывается на определении сходимости в D (см. также [14], § 14). Лемма 6. Пусть {Fn, n ≥ 0} ⊂ D0([0,∞)), {fn, n ≥ 0} ⊂ C([0,∞)) — по- следовательности неубывающих неотрицательных функций, причем limx→+∞ F0(x) = +∞. Обозначим через {tn,k} множество разрывов функции Fn, xn,k = Fn(tn,k), x̃n,k = Fn(tn,k−). Предположим, что: 1) Fn → F0, n→∞, в D([0,∞)); 2) fn → f0, n→∞, в C([0,∞)); 3) для любого k уравнение f0(t) = x̃0,k имеет не более одного решения. Тогда Fn ◦ F (−1) n ◦ fn → F0 ◦ F (−1) 0 ◦ f0, n→∞, в D([0,∞)). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 ОБ ОТОБРАЖЕНИИ СКОРОХОДА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ . . . 1249 Доказательство. Заметим, что Fn ◦ F (−1) n (x) = { xn,k, x ∈ [x̃n,k;xn,k], x, x /∈ ∪k[x̃n,k, xn,k]. (27) Из леммы 5 следует, что для любого k существует такая последовательность {ln}, что x̃n,ln → x̃0,k и xn,ln → x0,k при n→∞. (28) Применяя лемму 5 к выражению (27), получаем Fn ◦ F (−1) n → F0 ◦ F (−1) 0 , n→∞, в D([0,∞)). Проверим условие 2 леммы 5 для последовательности {Fn ◦ F (−1) n ◦ fn}. Точками разрыва функции F0 ◦ F (−1) 0 ◦ f0 могут быть лишь решения уравнений вида f0(t) = x̃0,k. (29) Пусть f0(t0,k) = x̃0,k. Из того, что t0,k — единственное решение (29) и f0 моно- тонна, следует, что для любого δ > 0 lim n→∞ fn(t0,k − δ) = f0(t0,k − δ) < f0(t0,k) < f0(t0,k + δ) = lim n→∞ fn(t0,k + δ). Из условия 2 леммы 6 и (28) вытекает, что ∃n0 ∀n ≥ n0 ∃ tn,k ∈ (t0,k − δ; t0,k + δ) : fn(tn,k) = x̃n,k и fn(t) < x̃n,k при t < tn,k. В силу произвольности δ > 0 отсюда следует, что ∆(Fn ◦ F (−1) n ◦ fn)(tn,k)→ ∆(F0 ◦ F (−1) 0 ◦ f0)(t0,k), n→∞. Условие 1 леммы 5 и, соответственно, доказательство леммы 6 вытекают из следующего утверждения. Лемма 7. Пусть {Gn, n ≥ 0} — последовательность монотонно неубываю- щих функций. Предположим, что Gn(x) → G0(x), n → ∞, для каждой точки x, являющейся точкой непрерывности G0. Пусть: 1) G0 непрерывна в x0, 2) xn → x0, n→∞. Тогда limn→∞Gn(xn) = G0(x0). Доказательство. Пусть ε > 0 произвольно. Выберем такое δ > 0, что (x0 − δ) и (x0 + δ) — точки непрерывности G0 и (G0(x0 + δ)−G0(x0)) ∨ (G0(x0)−G0(x0 − δ)) < ε. Заметим, что начиная с некоторого номера имеет место включение xn ∈ (x0 − − δ, x0 + δ). Поэтому G0(x0 − δ) = lim n→∞ Gn(x0 − δ) ≤ lim n→∞ Gn(xn) ≤ lim n→∞ Gn(xn) ≤ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 1250 А. Ю. ПИЛИПЕНКО ≤ lim n→∞ Gn(x0 + δ) = G0(x0 + δ). Отсюда следует, что∣∣∣∣ lim n→∞ Gn(xn)−G(x0) ∣∣∣∣ ∨ ∣∣∣ lim n→∞ Gn(xn)−G(x0) ∣∣∣ ≤ ε. В силу произвольности ε > 0 лемма 7 доказана. Следствие 2. Пусть последовательность возрастающих функций {Fn, n ≥ ≥ 0} ⊂ D0([0,∞)) и последовательность {wn, n ≥ 0} ⊂ C([0,∞)), wn(0) ≥ 0, таковы, что: 1) Fn → F0, n→∞, в D([0,∞)); 2) wn → w0, n→∞, в C([0,∞)); 3) limx→+∞ Fn(x) = +∞, n ≥ 0. Обозначим через {tk} множество точек разрыва функции F0, x̃k := F0(tk−). Предположим, что: 4) для любого x̃k уравнение Γ(w0)(t) = x̃k имеет не более одного решения. Пусть (ξn, Ln) — решение W (wn, Fn). Тогда ξn → ξ0, n→∞, в D([0,∞)). Следствие 3. Пусть (ξn, Ln) — решение W (wn, Fn), где Fn(x) = x+ Π(nx), n ≥ 1, Π — функция распределения локально конечной атомической меры. Предположим, что wn → w, n → ∞, в C([0,∞)), Π(+∞) = +∞ и Π моно- тонно возрастает (т. е. Π имеет скачки на каждом интервале). Обозначим через {tk} множество точек разрыва Π, x̃k = Π(tk−). Допустим, что для любого k уравнение Γw(t) = x̃k имеет не более одного решения. Тогда ξn → ξ0, n→∞, в D([0,∞)), где ξ0 — решение W (w,Π). Доказательство. Пусть F̃n(x) = x n + Π(x). Заметим, что Fn ◦ F (−1) n = F̃n ◦ F̃ (−1) n . Для завершения доказательства осталось воспользоваться следствием 2. Следствие 4. Пусть {wn}n≥0 — последовательность винеровских процессов, {Πn}n≥0 — последовательность неубывающих процессов Леви, {xn}n≥0 ⊂ [0,∞). Допустим, что: 1) процессы w0 и Π0 независимы; 2) wn → w0, n→∞, почти наверное в C([0,∞)); 3) Πn → Π0, n→∞, почти наверное в D([0,∞)); ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 ОБ ОТОБРАЖЕНИИ СКОРОХОДА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ . . . 1251 4) limn→∞ xn = x0. Обозначим через (ξn, Ln) решениеW (xn, wn, Fn), где Fn(x) = x+Πn(x). Тогда ξn → ξ0, n→∞, почти наверное в D([0,∞)); Ln → L0, n→∞, почти наверное в C([0,∞)). Для доказательства надо воспользоваться следствиями 1 и 2. Условие 4 cлед- ствия 2 вытекает из независимости w0, Π0 и того, что распределение Γ(x0 + + w0(·))(t) не имеет атомов в (0,∞) для любого t > 0. Аналогично, из следствий 1 – 3 можно получить такое утверждение. Следствие 5. Пусть {wn}n≥0 — последовательность винеровских процессов, Π0 — скачкообразный неубывающий процесс Леви (отсутствует компонента вида at), {xn}n≥0 ⊂ [0,∞). Допустим, что: 1) процессы w0 и Π0 независимы; 2) wn → w0, n→∞, почти наверное в C([0,∞)); 3) limn→∞ xn = x0. Положим Πn(t) := Π0(nt), Fn(x) = x+ Πn(x). Обозначим через (ξn, Ln), n ≥ 1, решения W (xn, wn, Fn), n ≥ 1. Если мера Леви процесса Π0 бесконечна (т. е. Π0 монотонно возрастающий), то ξn → ξ0, n→∞, почти наверное в D([0,∞)), Ln → L0, n→∞, почти наверное в C([0,∞)), где (ξ0, L0) — решение W (x0, w0,Π0). Если же мера Леви процесса Π0 конечна, то ξn(·)→ x0 + w0(·) + Π0 ◦Π (−1) 0 ◦ Γ(u0 + w0(·)), n→∞, почти наверное в D([0,∞)). 3. Построение винеровского процесса на полупрямой с граничными усло- виями Вентцеля. Пусть {w(t), t ≥ 0} — винеровский процесс, {Π(t), t ≥ 0} — не зависимый от него неубывающий скачкообразный процесс Леви. Пусть π — пуассоновская точечная мера, соответствующая процессу Π, µ — мера Леви, Π(t) = ∫ [0,t] ∞∫ 0 λπ(ds, dλ), Eπ(A× [t1, t2]) = µ(A)(t2 − t1), A ∈ B((0,∞)), ∞∫ 0 λ ∧ 1µ(dλ) <∞. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 1252 А. Ю. ПИЛИПЕНКО В случае, когда µ — конечная мера, процесс Π имеет ограниченное число скачков на ограниченных интервалах почти наверное, а если µ — бесконечная мера, то Π имеет бесконечное число скачков на любом невырожденном интервале времени почти наверное. Пусть (ξ(t), L(t)), t ≥ 0, — решение задачи W (x0, w, Π̃), где Π̃(x) = x+ Π(x). Тогда (см. п. 2) ξ(t) = x0 + w(t) + L(t) + Π(L(t)), L(t) = Π̃(−1)(L̃(t)) = Π̃(−1)(Γ(x0 + w(·))(t)), где обобщенная обратная функция Π̃(−1) задана в (18). В данном пункте мы покажем, что ξ(t), t ≥ 0, является решением некоторой проблемы мартингалов, и отождествим процесс L с локальным временем процесса ξ в нуле. Введем σ-алгебры: Fwt = σ(w(s), s ∈ [0, t]), Fw∞ = ∪t≥0Fwt , FΠ t = σ(Π(s), s ∈ [0, t]), FΠ ∞ = ∪t≥0FΠ t , (30) FΠ◦L t = σ(Π(L(s)), s ∈ [0, t]), Ft = Fwt ∪ FΠ◦L t . Теорема 2. Предположим, что функция f ∈ C2([0;∞)) имеет компактный носитель. Тогда процесс f(ξ(t))− 1 2 t∫ 0 f ′′(ξ(s))ds− f ′(0) + ∞∫ 0 (f(u)− f(0))µ(du) L(t) является Ft-мартингалом. В частности, если f ′(0) + ∫ ∞ 0 (f(u) − f(0))µ(du) = 0, то процесс f(ξ(t)) − − 1 2 ∫ t 0 f ′′(ξ(s))ds является Ft-мартингалом. Кроме того, L(t) является локальным временем процесса ξ в нуле за интервал времени [0, t], т. е. ε−1 t∫ 0 1I{ξ(s)∈[0,ε]}ds→ L(t), ε→ 0+, почти наверное. Замечание 5. Существование и единственность решения даже более общей проблемы мартингалов доказаны в [7, 8]. Теорема 2 показывает, что процесс ξ, по- строенный по w и Π указанным в п. 2 способом, действительно является решением проблемы мартингалов. Замечание 6. Предположим, что µ((0;∞)) = ∞. Несложно проверить, что между различными экскурсиями процесса ξ(·) с вероятностью 1 найдутся как экс- курсии, стартующие из 0, так и экскурсии, стартующие не из 0. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 ОБ ОТОБРАЖЕНИИ СКОРОХОДА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ . . . 1253 Доказательство теоремы 2. Проверим, во-первых, что w(t), t ≥ 0, является Ft-винеровским процессом. Для этого достаточно доказать, что для любых s ≥ 0, t ≥ 0 случайная величина w(t+ s)− w(t) не зависит от σ-алгебры Ft. Заметим, что L̃(t) является Fwt -измеримой случайной величиной, а Π̃(−1)(L(t)) — FΠ ∞∪Fwt -измеримой. Поэтому Ft ⊂ FΠ ∞∪Fwt . Из предположений о процессах w и Π следует, что w(t+s)−w(t) не зависит от FΠ ∞ и от Fwt . Поэтому w(t+s)−w(t) не зависит от FΠ ∞ ∪ Fwt , а значит, и от Ft. Процесс Π̃(L(t)) является неубывающим cádlág процессом, согласованным с потоком Ft. Из всего изложенного выше следует, что к процессу f(ξ(t)) можно применить формулу Ито: f(ξ(t)) = f(ξ(0)) + 1 2 t∫ 0 f ′′(ξ(s−))ds+ t∫ 0 f ′(ξ(s−))dL(s)+ + t∫ 0 f ′(ξ(s))dw(s) + ∑ ξ(s−)6=ξ(s) (f(ξ(s))− f(ξ(s−))). Заметим, что если ξ(s−) 6= ξ(s), то ξ(s−) = 0 и f(ξ(s))− f(ξ(s−)) = f(Π(L(s)))− f(0). Кроме того, f(ξ(s−)) = 0 в точках роста процесса L. Поскольку процесс ξ имеет не более чем счетное число разрывов, формула Ито принимает вид f(ξ(t)) = f(ξ(0)) + 1 2 t∫ 0 f ′′(ξ(s))ds+ f ′(0)L(t)+ + ∑ ξ(s−) 6=ξ(s) (f(Π(L(s)))− f(0)) + t∫ 0 f ′(ξ(s))dw(s) = = f(ξ(0)) + 1 2 t∫ 0 f ′′(ξ(s))ds+ f ′(0)L(t) + L(t)∫ 0 ∞∫ 0 (f(u)− f(0))π(ds, du). Из предположения о функции f следует, что |f(u)− f(0)| ≤ (sup v |f ′(v)|u) ∧ sup v |f(v)| ≤ K(u ∧ 1), где K = const. Следовательно, процесс M(t) = t∫ 0 ∞∫ 0 (f(u)− f(0))π(ds, du)− ∞∫ 0 (f(u)− f(0))µ(du)t является FΠ t -мартингалом, а также FΠ t ∪ Fw∞-мартингалом. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 1254 А. Ю. ПИЛИПЕНКО Для доказательства теоремы достаточно проверить, что процесс {M(L(t)), t ≥ ≥ 0} удовлетворяет соотношению ∀t1 ≤ t2 : E(M(L(t2))/Ft1) = M(L(t1)) почти наверное. (31) Заметим, что для любого t0 ≥ 0 случайная величина L(t0) = Π̃(−1)(L̃(t0)) является FΠ t ∪ Fw∞-моментом остановки. Действительно, для любого t ≥ 0 {Π̃(−1)(L̃(t0)) ≤ t} = {Π̃(t) ≥ L̃(t0)} ∈ FΠ t ∪ Fw∞. Лемма 8. Пусть (N(t),Gt)t≥0 — cádlág мартингал, τ1 и τ2 — конечные мо- менты остановки, τ1 ≤ τ2, E sup t∈[0,τ2] |N(t)| <∞. Тогда E(N(τ2)/Gτ1) = N(τ1) почти наверное. Доказательство леммы стандартно. Сначала надо использовать теорему Дуба и получить равенство E(N(τ2 ∧ t2)/Gτ1∧t1) = N(τ1 ∧ t1) почти наверное для любых t1, t2, 0 ≤ t1 ≤ t2, а затем перейти к пределу при t2 ↑ ∞ и t1 ↑ ∞. Применим лемму 8. Пусть N(t) = M(t), Gt = FΠ t ∪ Fw∞, τi = L(ti) = = Π̃(−1)(L̃(ti)), i ∈ {1, 2}, t1 ≤ t2. Заметим, что |M(t)| ≤ K  t∫ 0 ∞∫ 0 u ∧ 1π(ds, du) + ∞∫ 0 u ∧ 1µ(du)t  . Поэтому E sup t∈[0,τ2] |M(t)| = lim n→∞ E sup t∈[0,τ2∧n] |M(t)| ≤ ≤ K lim n→∞ E  τ2∧n∫ 0 ∞∫ 0 u ∧ 1π(ds, du) +  ∞∫ 0 u ∧ 1µ(du)  τ2 ∧ n  = = 2K ∞∫ 0 u ∧ 1µ(du) lim n→∞ Eτ2 ∧ n = = 2K ∞∫ 0 u ∧ 1µ(du)Eτ2 = 2K ∞∫ 0 u ∧ 1µ(du) ∞∫ 0 EΠ̃(−1)(y)FL̃(t2)(dy), (32) где FL̃(t2) — функция распределения L̃(t2). Поскольку Π̃(x) ≥ x, то Π̃(−1)(x) ≤ x. Поэтому правая часть (32) не превышает const E(x0 + maxs∈[0,t2] |w(s)|), что, в свою очередь, конечно. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 ОБ ОТОБРАЖЕНИИ СКОРОХОДА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ . . . 1255 Таким образом, E(M(L(t2))/GL(t1)) = M(L(t1)). Для завершения доказательства осталось проверить, что Ft ⊂ GL(t) для любого t ≥ 0. Действительно, пусть s ∈ [0, t], x ≥ 0, A = [a, b]. Тогда {w(s) ∈ A} ∩ {L(t) ≤ x} = {w(s) ∈ A} ∩ {Π̃(x) ≥ L̃(t)} ∈ FΠ x ∪ Fwt ⊂ Gx, {Π(L(s)) ∈ A} ∩ {L(t) ≤ x} ∈ FΠ x ∪ Fw∞ = Gx. Отсюда легко вывести, что для любого события B ∈ FΠ◦L t ∪ Fwt имеет место включение B ∩ {L(t) ≤ x} ∈ Gx, значит, Ft = FΠ◦L t ∪ Fwt ⊂ GL(t). Тот факт, что L(t) является локальным временем процесса ξ, следует из фор- мулы Танака (см. [15]). Теорема 2 доказана. Аналогично теореме 2 можно доказать следующее утверждение. Теорема 3. Предположим, что мера Леви процесса Π(t), t ≥ 0, бесконечна, т. е. µ((0,∞)) =∞. Пусть (ξ, L) — решение задачи W (x0, w,Π). Тогда для любой функции f ∈ C2([0,∞)), имеющей компактный носитель, случайный процесс f(ξ(t))− 1 2 t∫ 0 f ′′(ξ(s))ds− ∞∫ 0 (f(u)− f(0))µ(du)L(t), является Ft-мартингалом, где Ft определено в (). Замечание 7. Существование и единственность решения задачи W (x0, w,Π) в этом случае доказаны в п. 2. Доказательство данной теоремы практически повторяет доказательство теоре- мы 2. Единственное отличие заключается в доказательстве конечности правой части (32), где вместо Π̃(−1) взято Π(−1). Для доказательства соответствующего факта надо заметить, что функция [0,∞) 3 x 7→ EΠ(−1)(x) ∈ [0,∞) (сред- нее время до перескока уровня x) является конечной и полуаддитивной, т. е. Π(−1)(x + y) ≤ Π(−1)(x) + Π(−1)(y). Поэтому существует такое K > 0, что EΠ(−1)(x) ≤ K(1 + x), x ≥ 0. Автор признателен А. А. Дороговцеву за полезные обсуждения данной работы. 1. Вентцель А. Д. Полугруппы операторов, соответствующие обобщенному дифференциальному оператору второго порядка // Докл. АН СССР. – 1956. – 111, № 2. – С. 269 – 272. 2. Вентцель А. Д. О граничных условиях для многомерных диффузионных процессов // Теория вероятностей и ее применения. – 1959. – 4, № 2. – С. 172 – 185. 3. Скороход А. В. Стохастические уравнения для процессов диффузии с границами. I // Теория вероятностей и ее применения. – 1961. – 6, вып. 3. – С. 287 – 298. 4. Watanabe S. Construction of diffusion processes with Wentzell’s boundary conditions by means of Poisson point process of excursions // III Советско-японский симп. по теории вероятностей. – Таш- кент: Фан, 1975. – С. 311 – 345. 5. Анулова С. В. О стохастических дифференциальных уравнениях с граничными условиями в по- лупространстве // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1981. – 45, № 3. – С. 491 – 508. 6. Анулова С. В. О процессах с производящим оператором Леви в полупространстве // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1978. – 42, № 4. – С. 708 – 750. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9 1256 А. Ю. ПИЛИПЕНКО 7. Микулявичюс Р. О существовании решений проблемы мартингалов // Лит. мат. сб. – 1977. – 17, № 4. – С.149 – 168. 8. Микулявичюс Р. О единственности решений проблемы мартингалов // Лит. мат. сб. – 1978. – 18, № 2. – С. 63 – 73. 9. Komatsu T. Markov processes associated with certain integro-differential operators // Osaka J. Math. – 1973. – 10, № 2. – P. 271 – 303. 10. Sato K., Ueno T. Multi-dimensional diffusion and the Markov process on the boundary // J. Math. Kyoto Univ. – 1965. – 4. – P. 529 – 605. 11. Ватанабэ С., Икеда Н. Стохастические дифференциальные уравнения и диффузионные процессы. – М.: Наука, 1986. – 456 с. 12. Гихман И. И., Скороход А. В. Стохастические дифференциальные уравнения. – Киев: Наук. думка, 1968. – 354 с. 13. Stroock D. W., Varadhan S. R. S. Multidimensional diffusion processes // Grundlehren math. Wiss. – 1979. – 233. – XII + 338 p. 14. Биллингсли П. Сходимость вероятностных мер. – М.: Наука, 1977. – 352 с. 15. Protter P. E. Stochastic integration and differential equations. – Second edition // Appl. Math. (New York). Stochast. Modelling and Appl. Probab. – 2004. – 21. – XIV + 415 p. Получено 04.11.10 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 9
id umjimathkievua-article-2801
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
English
last_indexed 2026-03-24T02:30:33Z
publishDate 2011
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/10/75ebca712e911637bfc2d4ab8835a110.pdf
spelling umjimathkievua-article-28012020-03-18T19:36:55Z On the Skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary Об отображении Скорохода для уравнений с отражением с возможностью скачкообразного выхода из границы Pilipenko, A. Yu. Пилипенко, А. Ю. Пилипенко, А. Ю. For a solution of a reflection problem on a half-line similar to the Skorokhod reflection problem but with possible jump-like exit from zero, we obtain an explicit formula and study its properties. We also construct a Wiener process on a half-line with Wentzell boundary condition as a strong solution of a certain stochastic differential equation. Отримано явну формулу та дослiджено властивостi розв’язку задачi вiдбиття на пiвпрямiй, подiбної до задачi вiдбиття Скорохода, але з можливiстю стрибкоподiбного виходу з нуля. Також побудовано вiнеровий процес на пiвпрямiй з граничною умовою Вентцеля як сильний розв’язок деякого стохастичного диференцiального рiвняння. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2011-09-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2801 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 63 No. 9 (2011); 1241-1256 Український математичний журнал; Том 63 № 9 (2011); 1241-1256 1027-3190 rus en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2801/2355 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2801/2356 Copyright (c) 2011 Pilipenko A. Yu.
spellingShingle Pilipenko, A. Yu.
Пилипенко, А. Ю.
Пилипенко, А. Ю.
On the Skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary
title On the Skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary
title_alt Об отображении Скорохода для уравнений с отражением с возможностью скачкообразного выхода из границы
title_full On the Skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary
title_fullStr On the Skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary
title_full_unstemmed On the Skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary
title_short On the Skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary
title_sort on the skorokhod mapping for equations with reflection and possible jump-like exit from a boundary
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2801
work_keys_str_mv AT pilipenkoayu ontheskorokhodmappingforequationswithreflectionandpossiblejumplikeexitfromaboundary
AT pilipenkoaû ontheskorokhodmappingforequationswithreflectionandpossiblejumplikeexitfromaboundary
AT pilipenkoaû ontheskorokhodmappingforequationswithreflectionandpossiblejumplikeexitfromaboundary
AT pilipenkoayu obotobraženiiskorohodadlâuravnenijsotraženiemsvozmožnostʹûskačkoobraznogovyhodaizgranicy
AT pilipenkoaû obotobraženiiskorohodadlâuravnenijsotraženiemsvozmožnostʹûskačkoobraznogovyhodaizgranicy
AT pilipenkoaû obotobraženiiskorohodadlâuravnenijsotraženiemsvozmožnostʹûskačkoobraznogovyhodaizgranicy