α-稳定过程驱动的线性自排斥扩散过程的渐近行为和参数估计
Asymptotic Behavior and Parameter Estimation of the Linear Self-Repelling Diffusion Driven by α-Stable Motion
摘要: 为一维-稳定模型且。本文主要研究如下线性自排斥扩散的长时间行为和参数估计:,其中是两个未知参数且。当t趋于无穷大时,对任意,我们有几乎处处成立,其中。在连续观测条件下,建立的最小二乘估计讨论其相合性与渐近分布。
Abstract: Let be an -stable motion of one-dimension with . In this paper, we consider large time behaviors and parameter estimation of the linear self-repelling diffusion of the forms where and are two unknown parameters. When and t tends to infinity, we show that the convergence and hold almost surely for all , where . The least squares estimates of and are established to discuss their coincidence and asymptotic distributions under continuous observation conditions.
文章引用:冯甜, 闫理坦. 由α-稳定过程驱动的线性自排斥扩散过程的渐近行为和参数估计[J]. 统计学与应用, 2024, 13(2): 445-452. https://doi.org/10.12677/sa.2024.132044

1. 引言

在1995年,Cranston和Le Jan [1] 引入一个与路径相关的随机微分方程的特例(线性自吸引扩散)

X t = B t θ 0 t 0 s ( X s X u ) d u d s + ν t , t 0 ,

其中 θ > 0 且B是一维标准布朗运动。他们证明了当t趋于无穷大时, X t 过程在 L 2 上存在且几乎必然收敛。这种依赖于路径的随机微分方程是由Durrett和Rogers [2] 在1992年首次提出的,是描述了一种增长聚合物的模型,具体如下:

X t = X 0 + B t + 0 t d s 0 s f ( X s X u ) d u , (1)

其中 B = { B t , t 0 } 是d维标准布朗运动且f是Lipschitz连续的。 X t 对应于聚合物末端在时间t时的位置。在某些条件下,他们又建立了随机微分方程的渐近形态,并提出一些猜想和问题。该模型是自交互随机行走概念的连续模型。若 f ( x ) = g ( x ) x / x g ( x ) 0 ,则此时 X t 就是由Pemantle [3] 所提出的过程的一个连续类似物。我们可以将这种与过去的轨迹相互作用的布朗运动称为自交互运动。一般地,方程(1)在不对f做任何假设时可定义自交互扩散过程。如果对所有 x R d 均有 x f ( x ) 0 ( r e s p . 0 ) ,则称这个解为自吸引(或自排斥)。2002年,Benaïm [4] 等人还引入了一种依赖(卷积)经验测度的自交互扩散。这些扩散和布朗聚合物之间一个很大的区别是漂移项除了t。重要的是要注意,在f的许多情况下,相互作用势具有足够的吸引力,使得自交互扩散过程可近似等同于O-U过程,这使得其遍历行为可能存在并值得进行研究。更多的可参考Cranston和Mountford [5] ,Gauthier [6] ,Hermann和Scheutzow [7] ,Mountford和Tarr [8] ,Sun和Yan [9] 及文内其他文献。

另一方面,方程(1)可以重写为

X t = B t θ 0 t 0 s u d X u d s + ν t , t 0.

受这一结论的启发,在这篇文章我们可以考虑以下方程的长时间行为和参数估计:

X t α = M t α + θ 0 t 0 s ( 1 + u ) 2 d X u α d s + ν t , t 0 , (2)

其中 M t α 是一维 α 稳定运动且 0 < α < 2 θ ν 是两个实参数且 θ > 0 。这篇文章的组织结构如下。

在第二节,我们简要回顾了 α 稳定运动相关的定义、性质以及公式命题。第三节研究了解的长时间行为。第四节研究了参数的最小二乘估计及参数估计量的渐近分布。

2. 预备知识

在这一节中,我们简要地介绍了 α -稳定运动的一些定义和性质。在本文,我们假设 0 < α < 2 是任意且固定的,并设 M α = { M t α , t 0 } 是一个 { F t } -适定过程。令参数 α , β , λ , μ 满足 α ( 0 , 2 ] , λ ( 0 , + ) , β [ 1 , 1 ] , μ ( , + ) , 且定义 ϕ α ( u ) = { λ α | u | α ( 1 i β sgn ( u ) tan α π 2 ) + i μ u , α 1 , λ | u | ( 1 + i β 2 π sgn ( u ) log | u | ) + i μ u , α = 1 其中 u ( , + ) i 2 = 1 。如果随机变量 η 具有特征函数 E e i u η = e ϕ α ( u ) ,则称其具有 α -稳定分布,表示为 η ~ S α ( λ , β , μ ) 。当 μ = 0 β = 0 时,我们称 η 是对称的 α -稳定过程。

进一步地,若对任意 t > s > 0 E [ e i u ( M t α M s α ) | F s ] = e ( t s ) ϕ α ( u ) , 则称 M α 是一个 α -稳定过程。在本文中,我们假定 M α 是对称的 α -稳定过程,并且 λ = 1 0 < α < 2 ,即 ϕ α ( u ) = | u | α

命题2.1:方程(2)有唯一的解,且可表示为: X t α = 0 t h θ ( t , s ) d M s α + ν 0 t h θ ( t , s ) d s , t 0, 其中 h θ ( t , s ) = ( 1 + θ ( 1 + s ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + s ) 3 1 ) s t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u ) , t s 0

证明:我们可以用常数变易法证明这个命题。

3. 长时间行为

X t α 是方程(2)的解且 θ > 0 。这节我们主要讨论解的长时间行为。

引理3.1:设 0 < α < 2 θ > 0 ,定义过程 ξ t α : = 0 t ( 1 + s ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + s ) 3 1 ) d M s α , t 0 。则随机变量 ξ α L p 上适定,且

( 1 + t ) 3 n φ ( t ) ( ξ α ξ t α ) 0 (3)

L p 上适定且几乎必然收敛,其中 φ ( t ) = ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u

证明:明显地,我们有

E | ξ t α | p C p , α ( 0 t ( 1 + s ) 2 α e α θ 3 ( ( 1 + s ) 3 1 ) d s ) p / α C p , α ( 0 ( 1 + s ) 2 α e α θ 3 ( ( 1 + s ) 3 1 ) d s ) p / α < ,

即随机变量 ξ α L p 上适定。相似地,我们有

E | ( 1 + t ) 3 n ( ξ α ξ t α ) | p C p , α ( ( 1 + t ) 3 n α t ( 1 + s ) 2 α e α θ 3 ( ( 1 + s ) 3 1 ) d s ) p / α 0 ( t ) .

结合当t趋于无穷大时, φ ( t ) 1 / θ ,则这个收敛在 L p 上适定。

再考虑(3)以概率1收敛。运用分部积分和洛必达法则可得

( 1 + t ) 3 n ( ξ α ξ t α ) = ( 1 + t ) 3 n t ( 1 + s ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + s ) 3 1 ) d M s α = ( 1 + t ) 3 n + 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) M t α ( 1 + t ) 3 n t ( 2 ( 1 + s ) θ ( 1 + s ) 4 ) e 3 1 θ ( ( 1 + s ) 3 1 ) d M s α 0 ( t )

几乎必然收敛,且

( 1 + t ) 3 n φ ( t ) ( ξ α ξ t α ) ~ θ 1 ( 1 + t ) 3 n ( ξ α ξ t α ) 0 ( t )

几乎必然收敛。因此,该引理得到证明。

引理3.2:设 θ > 0 1 3 < α < 2 。定义函数 I θ ( t ) = θ ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u 1 ,则随机变量 0 I θ ( s ) d M s α L p 上适定,且

0 t I θ ( s ) d M s α 0 I θ ( s ) d M s α ( t ) (4)

L p 上适定且几乎必然收敛, 0 < p < α

证明:定义 η t α : = 0 I θ ( s ) d M s α 0 t I θ ( s ) d M s α = t I θ ( s ) d M s α t 0 。明显地,我们有

0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) ( ( 1 + t ) 2 ( 1 + u ) 2 ) d u = 0 t 2 ( 1 + s ) d s 0 s e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u ( t ) .

紧接着,根据洛必达法则可得

lim t I θ ( t ) ( 1 + t ) 3 = lim t ( 1 + t ) 3 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) ( θ ( 1 + t ) 2 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) ) = lim t ( 1 + t ) 3 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) ( θ ( 1 + t ) 2 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u 0 t θ ( 1 + u ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u 1 ) = θ lim t 1 ( 1 + t ) 3 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) ( ( 1 + t ) 2 ( 1 + u ) 2 ) d u = 2 θ .

根据 0 ( 1 + t ) 3 d t = 1 / 2 ,可得

E | 0 t I θ ( s ) d M s α | p C p , α ( 0 t | I θ ( s ) | α d s ) p / α C p , α ( 0 | I θ ( s ) | α d s ) p / α < .

因此,随机变量 0 I θ ( s ) d M s α L p 上适定。同理,根据以下估计可知(4)在 L p 上适定:

E | η t α | p C p , α ( t | I θ ( s ) | α d s ) p / α ~ 1 ( 1 + t ) 3 p p / α ( t ) ,

对所有 1 3 < α < 2 0 < p < α 都成立。最后,考虑(4)以概率1收敛。通过一个简单的计算可得

I θ ( t ) = 2 θ ( 1 + t ) e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u θ 2 ( 1 + t ) 4 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u + θ ( 1 + t ) 2 = θ ( 1 + t ) e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) ( 0 t 2 e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u θ ( 1 + t ) 3 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u + ( 1 + t ) e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) ) = θ ( 1 + t ) e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) ( 2 θ ( 1 + t ) 3 + θ ( 1 + t ) ( 1 + u ) 2 ) d u + θ ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) .

定义 f θ ( t ) = 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) ( 2 θ ( 1 + t ) 3 + θ ( 1 + t ) ( 1 + u ) 2 ) d u ,则可得 f θ ( 0 ) = 0

f θ ( t ) = 3 θ 0 t 2 ( 1 + s ) d s 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u + 2 ( t )

f θ ( t ) 2 。从而有 f θ ( t ) = 0 t f θ ( s ) d s ( t ) 。紧接着,运用洛必达法则可得

lim t ( 1 + t ) 4 I θ ( t ) = 6 θ 1 ,

即可证(4)以概率1收敛。

引理3.3:设 θ > 0 1 3 < α < 2 。定义如下递归公式:

I θ ( t ; 1 ) = θ ( 1 + t ) 3 I θ ( t ) , I θ ( t ; n + 1 ) = θ ( 1 + t ) 3 [ I θ ( t ; n ) i = 1 n ( 3 i 1 ) ] ,

则对所有 n 1 我们有

lim t I θ ( t ; n ) = i = 1 n ( 3 i 1 ) .

证明:证明过程可参考文献Sun和Yan [10] 引理4.3。

定理3.1:设 θ > 0 1 3 < α < 2 。则对任意 0 < p < α

J t α ( 0 , θ ) : = ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) X t α ξ α + ν θ ( t )

L p 上适定且几乎必然收敛。

证明:通过一个简单的计算可得

J t α ( 0 , θ ) = ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t h θ ( t , s ) d M s α + ν ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t h θ ( t , s ) d s = ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) M t α θ ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) ( ξ α ξ u α ) d u + ( ξ α + ν θ ) θ ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u = ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t I θ ( s ) d M s α θ φ ( t ) ( ξ α ξ t α ) + ( ξ α + ν θ ) θ ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t e 3 1 θ ( ( 1 + u ) 3 1 ) d u .

从而有

J t α ( 0 , θ ) ( ξ α + ν θ ) = ( 1 + t ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t I θ ( s ) d M s α θ φ ( t ) ( ξ α ξ t α ) + ( ξ α + ν θ ) I θ ( t ) . (5)

根据引理3.1,引理3.2和引理3.3,我们可证该定理成立。

定理3.2:设 θ > 0 1 3 < α < 2 。定义递归过程: J t α ( n , θ ) : = θ ( 1 + t ) 3 ( J t α ( n 1 , θ ) i = 1 n 1 ( 3 i 1 ) ( ξ α + ν θ ) ) 。则对所有 n = { 0 , 1 , 2 , } 0 < p < α

J t α ( n , θ ) i = 1 n ( 3 i 1 ) ( ξ α + ν θ ) ( t )

L p 上适定且几乎必然收敛。

证明:参考(5),可得

J t α ( n , θ ) = θ n ( 1 + t ) 3 n + 2 e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 0 t I θ ( s ) d M s α θ n + 1 ( 1 + t ) 3 n φ ( t ) ( ξ α ξ t α ) + ( ξ α + ν θ ) I θ ( t ; n ) .

根据引理3.1,引理3.2,引理3.3和定理3.1可证。

4. 参数估计与渐近分布

在这一节,我们主要研究两个实参 θ ν 的相合性和渐近分布。记

Y t α : = 0 t ( 1 + s ) 2 d X s α , t 0 ,

θ ν 的最小二乘估计量可以由以下比较函数的最小值求出:

ρ ( θ , ν ) = 0 T | X ˙ t α ( θ Y t α + ν ) | 2 d t .

则可得最小二乘估计量为

θ ^ T = T 0 T Y t α d X t α X T α 0 T Y t α d t T 0 T ( Y t α ) 2 d t ( 0 T Y t α d t ) 2 , ν ^ T = 1 T ( X T α θ ^ T 0 T Y t α d t ) .

从而有

θ ^ T θ = T 0 T Y t α d M t α M T α 0 T Y t α d t T 0 T ( Y t α ) 2 d t ( 0 T Y t α d t ) 2 , (6)

ν ^ T ν = 1 T ( M T α ( θ ^ T θ ) 0 T Y t α d t ) .

通过常数变易法可得: Y t α = e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) ξ t α + ν θ ( e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 1 ) ,其中 ξ t α = 0 t ( 1 + s ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + s ) 3 1 ) d M s α 。当T趋于无穷大时,

( 1 + T ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) 0 T e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) ξ t α d t 1 θ ξ α ( 1 + T ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) 0 T ν θ ( e 3 1 θ ( ( 1 + t ) 3 1 ) 1 ) d t ν θ 2 ,

则有

( 1 + T ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) 0 T Y t α d t 1 θ ( ξ α + ν θ ) ( a . s . ) . (7)

定理4.1:设 0 < α < 2 θ > 0 ,则当T趋向于无穷时有

θ ^ T θ , ν ^ T ν ( a . s . ) .

证明:定义 ψ T : = T 0 T ( Y t α ) 2 d t ( 0 T Y t α d t ) 2 。根据洛必达法则,当T趋于无穷大时可得

T 1 ( 1 + T ) 2 e 2 θ 3 ( ( 1 + T ) 3 1 ) ψ T 1 2 θ ( ξ α + ν θ ) 2 ( a . s . ) .

依据洛必达法则和公式(6),当T趋于无穷大时有

T 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) ( T Y T α M T α ) 0 T 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) ( T 0 T Y ˙ t α M ˙ t α d t ) 0 T 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) ( M T α 0 T Y t α d t ) = T 1 M T α ( ( 1 + T ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) 0 T Y t α d t ) T 1 ( 1 + T ) 2 0 ( a . s . ) .

从而得到当 T θ ^ T θ 几乎必然收敛于0。同理可得,当 T 时有

ν ^ T ν = M T α T - T 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) ( θ ^ T θ ) T 1 ( 1 + T ) 2 e 2 θ 3 ( ( 1 + T ) 3 1 ) ψ T ( ( 1 + T ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) 0 T Y t α d t ) 0 ( a . s . ) .

定理4.2:设 1 < α < 2 θ > 0 ,则当T趋向于无穷时有

( 1 + T ) 2 ( 1 / α 1 ) e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) ( θ ^ T θ ) ~ 2 θ 1 1 / α α 1 / α | ξ α + ν θ | 1 M ˜ 1 T ( 1 + T ) 2 / α ( ν ^ T ν M T α T ) ~ 2 ( θ α ) 1 / α sgn ( ξ α + ν θ ) M ˜ 1 ( a . s . ) .

证明:参考Rosinski-Woyczynski [10] ,定义 0 T Y t α d M t α : = M ˜ τ α ( T ) α , T 0, 其中 τ α ( T ) = 0 T | Y t α | α d t 。根据收敛(7)式和洛必达法则,当T趋向于无穷时有 ( 1 + T ) 2 / α e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) ( 0 T | Y t α | α d t ) 1 / α = ( ( 1 + T ) 2 e 3 1 θ α ( ( 1 + T ) 3 1 ) 0 T | Y t α | α d t ) 1 / α ~ ( θ α ) 1 / α | ξ α + ν θ | ( a . s . ) .

通过两个简单计算

( 1 + T ) 2 / α e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) M ˜ τ α ( T ) α ~ ( θ α ) 1 / α | ξ α + ν θ | M ˜ 1 T 1 ( 1 + T ) 2 / α e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) M T α 0 T Y t α d t 0 ,

可以获得 ( 1 + T ) 2 ( 1 / α 1 ) e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) ( θ ^ T θ ) ~ 2 θ 1 1 / α α 1 / α | ξ α + ν θ | 1 M ˜ 1 。同理,当T趋向于无穷时有

T ( 1 + T ) 2 / α ( ν ^ T ν M T α T ) = ( ( 1 + T ) 2 e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) 0 T Y t α d t ) ( ( 1 + T ) 2 ( 1 / α 1 ) e 3 1 θ ( ( 1 + T ) 3 1 ) ( θ ^ T θ ) ) ~ 2 ( θ α ) 1 / α sgn ( ξ α + ν θ ) M ˜ 1 ( a . s . ) .

由此,该定理得到证明。

5. 总结

依据目前已研究的成果发现,很多学者主要研究关于布朗运动的自交互过程。然而随着研究的深入,这一类过程已不能满足现实的需求,需要进一步扩展。针对这一现状,本文研究一个自交互过程的特例,由 α 稳定过程驱动的线性自排斥过程的相关问题。文中我们利用收敛速度和分部积分得到一个递归收敛,并通过最小二乘法估计参数计算出渐近分布,有创新点,但也存在一定的局限性。事实上,本文研究的线性自排斥过程也只是自交互过程中的一类,是一种特殊的形式,还可以从其他方面入手对自交互过程进行更深入研究,包括改变噪声、更换函数、限定漂移项等。

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