隨機微分方程

貝索過程(Bessel process)

/ BESS-ell /

貝索過程是多維布朗運動到原點的距離——或者更一般地,是把那個「維度」允許取任意實數(不只整數)後所得的擴散。它回答一個非常具體的問題:若一個粒子在 d 維空間中擴散,它的半徑 |B_t| 自身如何表現?這個半徑本身是一維擴散,直接研究它能揭示布朗運動的深刻事實:常返與暫態、點的極性,以及原點附近的行為。

對整數維度 d,d 維貝索過程記作 BES(d),是 R_t = |B_t|,其中 B_t 是 d 維布朗運動。對歐氏範數套用伊藤公式可知 R_t 解 SDE dR_t = ((d-1)/(2 R_t)) dt + dW_t(W 為一維布朗運動,遠離 0 處成立)。漂移 (d-1)/(2R) 是隨維度增大而增大的、對原點的排斥;正是這單一係數使過程隨 d 增大而越來越暫態。然後對任意實數 d >= 0,以同一 SDE(或經由其平方,即平方貝索過程 BESQ(d),dY = d dt + 2 sqrt(Y) dW,後者良定義且對 d 可加)來定義 BES(d)。關鍵的二分:d >= 2 時原點是極性的——自非 0 起始的過程永不擊中 0——而 0 <= d < 2 時它會到達 0(且邊界行為,吸收或反射,須加以指定)。在 d = 2 過程鄰域常返卻從不真正擊中點 0;d >= 3 時它暫態(R_t -> infinity)。

貝索過程是布朗運動精細結構的自然語言,無處不在:布朗運動的徑向部分解釋了為何平面布朗運動鄰域常返卻不擊中點(d=2 極性)、為何空間布朗運動暫態(d>=3);BES(3) 著名地是「被條件化為保持正值的布朗運動」,出現在雷-奈特定理與布朗局部時的研究中;平方貝索族正是 CIR 過程那個無回歸的表親,CIR 是均值回歸的、經時間變換的平方貝索。誠實的微妙之處:SDE 形式在 0 處有奇異漂移,故方程只在遠離原點處字面成立,0 處行為須另行處理(平方貝索表述在那裡較乾淨);而「維度」d 是連續參數——非整數貝索過程是完全合格的擴散,即使沒有 R^d 可供取範數。

平面布朗運動(d = 2)給出 BES(2) 徑向過程 dR = (1/(2R)) dt + dW。排斥漂移恰好強到使過程永不擊中 0(平面中點是極性的),卻又弱到使它不斷返回原點的每個鄰域——鄰域常返。把維度提到 3,較強的漂移 (1/R) 使 R_t -> infinity:空間布朗運動是暫態的。

徑向過程編碼了布朗常返/暫態:d=2 鄰域常返、d>=3 暫態、d>=2 點為極性。

SDE 漂移 (d-1)/(2R) 在 0 處奇異,故方程只在遠離原點處成立;0 處行為(以及 d < 2、會到達 0 時的存在性)需要平方貝索表述或明確的邊界條件。維度 d 可為任意非負實數,不限於整數。

又稱
BES(d) processradial Brownian motion貝索過程徑向布朗運動