Jump to content

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 случайный 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 гауссов 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 приближаться к своей средней функции: такой процесс называется возвратом к среднему значению .

Этот процесс можно рассматривать как модификацию случайного блуждания в непрерывном времени или винеровского процесса , 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 временем с непрерывным аналог процесса AR(1) .

Определение

[ редактировать ]
Упрощенная формула процесса Орнштейна-Уленбека из фрески, показанной ниже.
Коллектив голландских художников De Strakke Hand: фреска Леонарда Орнштейна, изображающая Орнштейна как сооснователя 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 являются параметрами и обозначает винеровский процесс . [2] [3] [4]

Иногда добавляется дополнительный термин дрейфа:

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

где , также известный как белый шум , заменяет предполагаемую производную Винеровского процесса. [5] Однако, не существует, поскольку винеровский процесс нигде не дифференцируем, [6] и поэтому уравнение Ланжевена имеет смысл только в том случае, если его интерпретировать в смысле распределения. 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

[ редактировать ]

Процесс Орнштейна – Уленбека также можно описать с помощью функции плотности вероятности: , задающий вероятность нахождения процесса в состоянии во время . [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 , является гауссовой функцией со средним значением и дисперсия :

Это дает вероятность состояния происходит во время данное начальное состояние во время . Эквивалентно, является решением уравнения Фоккера–Планка с начальным условием .

Математические свойства

[ редактировать ]

При условии определенного значения , среднее значение

и ковариация

Для стационарного (безусловного) процесса среднее является и ковариация и является .

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

[ редактировать ]

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 становится [1]

Формальное решение

[ редактировать ]

Стохастическое дифференциальное уравнение для может быть формально решена вариацией параметров . [7] Письмо

мы получаем

Интеграция из к мы получаем

после чего мы видим

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

предполагая является постоянным. Более того, изометрию Ито можно использовать для расчета ковариационной функции по формуле

Поскольку интеграл Ито детерминированного подынтегрального выражения нормально распределен, отсюда следует, что [ нужна ссылка ]

Уравнения Колмогорова

[ редактировать ]

генератор Бесконечно малый процесса [8] Если мы позволим , то уравнение собственных значений упрощается до: которое является определяющим уравнением для полиномов Эрмита . Его решения , с , что означает, что среднее время первого прохождения частицы до точки на границе составляет порядка .

Численное моделирование

[ редактировать ]

Используя дискретно выбранные данные с интервалами времени шириной , оценки максимального правдоподобия для параметров процесса Орнштейна – Уленбека асимптотически нормальны к своим истинным значениям. [9] Точнее, [ не удалось пройти проверку ]

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 смоделировать процесс OU численно со стандартным отклонением и время корреляции , один из методов — применить формулу конечных разностей

где представляет собой нормально распределенное случайное число с нулевым средним значением и единичной дисперсией, отбираемое независимо на каждом временном шаге. . [10]

Интерпретация предела масштабирования

[ редактировать ]

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 шарики. На каждом этапе случайным образом выбирается шар и заменяется шаром противоположного цвета. Позволять будет количество синих шаров в урне после шаги. Затем по закону сходится к процессу Орнштейна – Уленбека как стремится к бесконечности. Это было получено Марком Кацем . [11]

Эвристически это можно получить следующим образом.

Позволять , и мы получим стохастическое дифференциальное уравнение в предел. Первый вывод Благодаря этому мы можем вычислить среднее значение и дисперсию , что оказывается и . Таким образом, на предел, у нас есть , с решением (полагая распределение стандартное нормальное) .

Приложения

[ редактировать ]

По физике: шумная релаксация

[ редактировать ]

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

где выводится из уравнения Стокса – Эйнштейна для эффективной константы диффузии. [12] [13] Эта модель была использована 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

[ редактировать ]

Процесс Орнштейна-Уленбека используется в Васичека . модели процентной ставки [16] Процесс Орнштейна-Уленбека — один 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 потрясения 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

[ редактировать ]

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 платы 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

[ редактировать ]

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

Здесь дифференциал винеровского процесса 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 термина волатильности на можно решить в закрытом виде для , а также для , что соответствует обычному процессу OU. Другим частным случаем является , что соответствует модели Кокса–Ингерсолла–Росса (CIR-модель).

Высшие измерения

[ редактировать ]

Многомерная версия процесса Орнштейна – Уленбека, обозначаемая N -мерным вектором. , можно определить из

где является N -мерным винеровским процессом, и и являются постоянными размера N × N. матрицами [28] Решение

и среднее значение

В этих выражениях используется матричная экспонента .

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

где матрица с компонентами определяется . Что касается 1d случая, то процесс представляет собой линейное преобразование гауссовских случайных величин и, следовательно, сам должен быть гауссовским. В связи с этим вероятность перехода является гауссианой, которую можно записать явно. Если действительные части собственных значений больше нуля, стационарное решение более того, существует, учитывая

где матрица определяется из уравнения Ляпунова . [5]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б Холост в 1942 году .
  2. ^ Карацас и Шрив 1991 , с. 358.
  3. ^ Гард 1988 , с. 115.
  4. ^ Гардинер 1985 .
  5. ^ Jump up to: а б с Риск 1989 .
  6. ^ Лоулер 2006 .
  7. ^ Гардинер 1985 , с. 106.
  8. ^ Холмс-Серфон, Миранда (2022). «Лекция 12: Подробные методы баланса и собственных функций» (PDF) .
  9. ^ Aït-Sahalia 2002 , pp. 223–262.
  10. ^ Клоден, Платен и Шурц 1994 .
  11. ^ Иглхарт 1968 .
  12. ^ Nørrelykke & Flyvbjerg 2011 .
  13. ^ Jump up to: а б 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. ^ «Выявление 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.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a016a5621b38187c53714d2328c3edc1__1721620140
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a0/c1/a016a5621b38187c53714d2328c3edc1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ornstein–Uhlenbeck process - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)