stringtranslate.com

Процесс Орнштейна – Уленбека

Пять симуляций с θ = 1, σ = 1 и µ = 0.
3D-моделирование с θ = 1, σ = 3, µ = (0, 0, 0) и начальной позицией (10, 10, 10).

В математике процесс Орнштейна-Уленбека представляет собой стохастический процесс , имеющий приложения в финансовой математике и физических науках. Его первоначальное применение в физике заключалось в моделировании скорости массивной броуновской частицы под действием трения. Он назван в честь Леонарда Орнштейна и Джорджа Юджина Уленбека .

Процесс Орнштейна-Уленбека является стационарным процессом Гаусса-Маркова , что означает, что это гауссовский процесс , марковский процесс и он однороден во времени. Фактически, это единственный нетривиальный процесс, который удовлетворяет этим трем условиям, вплоть до возможности линейных преобразований пространственных и временных переменных. [1] Со временем процесс имеет тенденцию смещаться к своей средней функции: такой процесс называется возвратом к среднему значению .

Этот процесс можно рассматривать как модификацию случайного блуждания в непрерывном времени или процесса Винера , в котором свойства процесса были изменены так, что существует тенденция блуждания вернуться к центральному местоположению с большее притяжение, когда процесс находится дальше от центра. Процесс Орнштейна – Уленбека также можно рассматривать как аналог процесса AR(1) с непрерывным временем .

Определение

Упрощенная формула процесса Орнштейна-Уленбека из фрески, показанной ниже.
Коллектив голландских художников De Strakke Hand: фреска Леонарда Орнштейна, изображающая Орнштейна как соучредителя Голландского физического общества ( Нидерландское физическое общество ) за своим столом в 1921 году и иллюстрирующая двойное случайное блуждание пьяницы с помощью упрощенной формулы Орнштейна-Уленбека. процесс. Остеркаде, Утрехт, Нидерланды, недалеко от лаборатории Орнштейна. Переведенный текст: Профессор Орнштейн исследует случайное движение, 1930 год.

Процесс Орнштейна – Уленбека определяется следующим стохастическим дифференциальным уравнением :

где и – параметры и обозначает винеровский процесс . [2] [3] [4]

Иногда добавляется дополнительный термин дрейфа:

где константа. Процесс Орнштейна – Уленбека иногда также записывают как уравнение Ланжевена вида

где , также известный как белый шум , представляет собой предполагаемую производную винеровского процесса. [5] Однако его не существует, поскольку винеровский процесс нигде не дифференцируем, и поэтому уравнение Ланжевена, строго говоря, является лишь эвристическим. [6] В физике и инженерных дисциплинах это обычное представление процесса Орнштейна-Уленбека и подобных стохастических дифференциальных уравнений, молчаливо предполагающее, что шумовой член является производной дифференцируемой (например, Фурье) интерполяции винеровского процесса.

Представление уравнения Фоккера – Планка

Процесс Орнштейна-Уленбека также можно описать с помощью функции плотности вероятности , которая определяет вероятность нахождения процесса в состоянии в момент времени . [5] Эта функция удовлетворяет уравнению Фоккера–Планка

где . Это линейное параболическое уравнение в частных производных , которое можно решить различными методами. Вероятность перехода, также известная как функция Грина , представляет собой гауссовую величину со средним значением и дисперсией :

Это дает вероятность возникновения состояния в момент времени при заданном начальном состоянии в момент времени . Эквивалентно, это решение уравнения Фоккера – Планка с начальным условием .

Математические свойства

В зависимости от конкретного значения среднее значение равно

и ковариация _

Для стационарного (безусловного) процесса среднее значение равно , а ковариация и равно .

Процесс Орнштейна-Уленбека является примером гауссова процесса , который имеет ограниченную дисперсию и допускает стационарное распределение вероятностей , в отличие от процесса Винера ; разница между ними заключается в их термине «дрейф». Для процесса Винера член дрейфа является постоянным, тогда как для процесса Орнштейна-Уленбека он зависит от текущего значения процесса: если текущее значение процесса меньше (долгосрочного) среднего значения, дрейф будет позитивный; если текущее значение процесса превышает (долгосрочное) среднее значение, дрейф будет отрицательным. Другими словами, среднее значение действует как уровень равновесия для процесса. Это дало процессу информативное название «возврат к среднему».

Свойства образцов путей

Однородный во времени процесс Орнштейна – Уленбека можно представить как масштабированный, преобразованный во времени процесс Винера :

где – стандартный винеровский процесс. Это примерно соответствует теореме 1.2 из Doob 1942. Эквивалентно, с заменой переменной это становится

Используя это отображение, можно перевести известные свойства в соответствующие утверждения для . Например, закон повторного логарифма для принимает вид [1]

Формальное решение

Стохастическое дифференциальное уравнение для можно формально решить вариацией параметров . [7] Написание

мы получаем

Интегрируя от до, получаем

после чего мы видим

Из этого представления видно , что первый момент (т. е. среднее значение) равен

предполагается, что оно постоянно. Более того, изометрию Ито можно использовать для расчета ковариационной функции по формуле

Поскольку интеграл Ито детерминированного подынтегрального выражения нормально распределен, отсюда следует , что

Уравнения Колмогорова

Инфинитезимальный генератор процесса [8]

полиномов Эрмита

Численное моделирование

Используя дискретно выбранные данные через временные интервалы шириной , оценки максимального правдоподобия для параметров процесса Орнштейна-Уленбека асимптотически нормальны к их истинным значениям. [9] Точнее, [ не удалось проверить ]

Четыре выборочных пути различных OU-процессов с θ  = 1, σ  =  : синий : начальное значение a  = 10, μ  = 0 оранжевый : начальное значение a  = 0, μ  = 0 зеленый : начальное значение a  = −10, μ  = 0 красный : начальное значение a  = 0, μ  = −10



Чтобы численно смоделировать процесс OU со стандартным отклонением и временем корреляции , одним из методов является применение формулы конечных разностей.

[10]

Интерпретация предела масштабирования

Процесс Орнштейна-Уленбека можно интерпретировать как предел масштабирования дискретного процесса, точно так же, как броуновское движение является пределом масштабирования случайных блужданий . Рассмотрим урну, содержащую синие и желтые шары. На каждом этапе случайным образом выбирается шар и заменяется шаром противоположного цвета. Пусть – количество синих шаров в урне после шагов. Затем по закону сходится к процессу Орнштейна – Уленбека, стремясь к бесконечности. Это было получено Марком Кацем . [11]

Эвристически это можно получить следующим образом.

Пусть , и мы получим стохастическое дифференциальное уравнение в пределе . Первый вывод

Приложения

Шумный релакс

Процесс Орнштейна-Уленбека является прототипом шумного процесса релаксации . Каноническим примером является пружина Гука ( гармонический осциллятор ) с жесткостью пружины , динамика которой перезатухает коэффициентом трения . При наличии тепловых колебаний с температурой длина пружины колеблется вокруг длины покоя пружины ; его стохастическая динамика описывается процессом Орнштейна–Уленбека с

где получено из уравнения Стокса–Эйнштейна для эффективной константы диффузии. [12] [13] Эта модель использовалась для характеристики движения броуновской частицы в оптической ловушке . [13] [14]

В состоянии равновесия пружина сохраняет среднюю энергию в соответствии с теоремой о равнораспределении . [15]

По финансовой математике

Процесс Орнштейна-Уленбека используется в модели процентной ставки Васичека . [16] Процесс Орнштейна-Уленбека является одним из нескольких подходов, используемых для стохастического моделирования (с модификациями) процентных ставок, курсов обмена валют и цен на сырьевые товары. Параметр представляет собой равновесное или среднее значение, поддерживаемое фундаментальными показателями ; степень волатильности вокруг него, вызванная шоками , и скорость, с которой эти шоки рассеиваются и переменная возвращается к среднему значению. Одним из применений этого процесса является торговая стратегия, известная как парная торговля . [17] [18] [19]

Дальнейшая реализация процесса Орнштейна-Уленбека была предложена Марчелло Миненной для моделирования доходности акций в условиях динамики логнормального распределения . Это моделирование направлено на определение доверительного интервала для прогнозирования явлений рыночного злоупотребления . [20] [21]

В эволюционной биологии

Процесс Орнштейна-Уленбека был предложен как улучшение модели броуновского движения для моделирования изменения фенотипов организма с течением времени. [22] Модель броуновского движения предполагает, что фенотип может двигаться без ограничений, тогда как для большинства фенотипов естественный отбор требует затрат за слишком далекое движение в любом направлении. Метаанализ 250 временных рядов ископаемых фенотипов показал, что модель Орнштейна-Уленбека лучше всего подходит для 115 (46%) исследованных временных рядов, подтверждая застой как общую эволюционную закономерность. [23] Тем не менее, существуют определенные проблемы с его использованием: механизмы выбора модели часто склонны отдавать предпочтение процессу OU без достаточной поддержки, а ничего не подозревающий специалист по данным легко может неверно истолковать его. [24]

Обобщения

Можно определить управляемый Леви процесс Орнштейна – Уленбека , в котором фоновым движущим процессом является процесс Леви, а не процесс Винера: [25] [26]

Здесь дифференциал процесса Винера заменен дифференциалом процесса Леви .

Кроме того, в финансах используются стохастические процессы, при которых волатильность увеличивается при больших значениях . В частности, процесс CKLS (Чан-Каройи-Лонгстафф-Сандерс) [27] с заменой члена волатильности на может быть решен в замкнутой форме для , а также для , что соответствует традиционному процессу OU. Другим частным случаем является , который соответствует модели Кокса–Ингерсолла–Росса (CIR-модель).

Высшие измерения

Многомерная версия процесса Орнштейна – Уленбека, обозначаемая N -мерным вектором , может быть определена как

где – N -мерный винеровский процесс, и – постоянные матрицы размера N × N. [28] Решение

и среднее значение

В этих выражениях используется матричная экспонента .

Процесс также можно описать с помощью функции плотности вероятности , которая удовлетворяет уравнению Фоккера–Планка [29]

где матрица с компонентами определяется как . Что касается 1d случая, то процесс представляет собой линейное преобразование гауссовских случайных величин и, следовательно, сам должен быть гауссовским. По этой причине вероятность перехода представляет собой гауссову величину, которую можно записать явно. Если действительные части собственных значений больше нуля, кроме того, существует стационарное решение, определяемое формулой

где матрица определяется из уравнения Ляпунова . [5]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ аб Дуб 1942.
  2. ^ Карацас и Шрив 1991, с. 358.
  3. ^ Гард 1988, с. 115.
  4. ^ Гардинер 1985.
  5. ^ abc Рискен 1989.
  6. ^ Лоулер 2006.
  7. ^ Гардинер 1985, с. 106.
  8. ^ Холмс-Серфон, Миранда (2022). «Лекция 12: Подробные методы баланса и собственных функций» (PDF) .
  9. ^ Айт-Сахалия 2002, стр. 223–262.
  10. ^ Клоден, Платен и Шурц 1994.
  11. ^ Иглхарт 1968.
  12. ^ Нёрреликке и Фливбьерг 2011.
  13. ^ аб Герлих и др. 2021.
  14. ^ Ли и др. 2019.
  15. ^ Нельсон 1967.
  16. ^ Бьорк 2009, стр. 375, 381.
  17. ^ Люнг и Ли 2016.
  18. ^ Преимущества парной торговли: рыночный нейтралитет
  19. ^ Схема Орнштейна-Уленбека для парной торговли
  20. ^ «Обнаружение злоупотреблений на рынке». Журнал «Риск». 2 ноября 2004 г.
  21. ^ «Обнаружение рыночных злоупотреблений на финансовых рынках: количественный подход». Consob – Итальянская комиссия по ценным бумагам и биржам.
  22. ^ Мартинс 1994, стр. 193–209.
  23. ^ Хант 2007.
  24. ^ Корнюо 2022.
  25. ^ Йесперсен, Мецлер и Фогедби 1999.
  26. ^ Финк и Клуппельберг 2011.
  27. ^ Чан и др. 1992.
  28. ^ Гардинер 1985, с. 109.
  29. ^ Гардинер 1985, с. 97.

Рекомендации

Внешние ссылки