布朗運動進階理論

首達時的分布律(first-passage time law)

布朗運動首次到達水平 a 需多久?答案是首達(擊中)時 tau_a = inf{ t : B_t = a },其分布是理論中最重要的顯式分布之一——指數為 1/2 的單側穩定律,尾部極重,使得 tau_a 雖幾乎必然有限,卻具「無窮」期望。

由反射原理,P(tau_a <= t) = P(M_t >= a) = 2 P(B_t >= a) = 2(1 - Phi(a / sqrt(t)))。對 t 微分得密度 f_(tau_a)(t) = (a / sqrt(2 pi t^3)) exp(-a^2 / (2t)),t > 0;這是李維(穩定-1/2)分布,也是反高斯的極限。兩個事實使其非凡。其一,tau_a < infinity 幾乎必然成立(布朗運動在直線上常返,故能到達每個水平),但 E[tau_a] = +infinity,因為密度在大 t 處僅以 t^(-3/2) 衰減。其二,族 {tau_a : a >= 0} 具平穩獨立增量——由強馬可夫性,擊中 a 後從 a 到 a + b 所需的時間是 tau_b 的獨立副本——所以 a -> tau_a 本身是一個李維過程,事實上是指數 1/2 的穩定從屬過程。其拉普拉斯變換為 E[exp(-lambda tau_a)] = exp(-a sqrt(2 lambda)),正是 1/2-穩定律的乾淨標誌。

重要性:首達律主宰破產與違約時刻、金融中障礙擊中的時機,以及尺度律 tau_a =d a^2 tau_1,後者重新表達了布朗自相似性(距離隨 sqrt(時間) 縮放)。無窮期望的尾部是其誠實的內涵:你「終將」擊中水平 a,但期望等待時間是無窮,因此基於平均的樣本路徑直覺會誤導人。對 a > 0,變量 B_(tau_a) = a 是確定的,但 tau_a 重尾;對區間的雙側脫離,分布不同(一個快速衰減的級數),故勿將單側擊中與雙側脫離混淆。

由於 tau_a =d a^2 tau_1,把目標水平 a 加倍會使典型擊中時間變為四倍——布朗距離隨時間的平方根成長。然而 E[tau_a] = infinity,所以一檔「終將」回到目標的基金,其期望回復時間可以是無窮。

擊中時間是穩定-1/2 律:幾乎必然有限,重尾、密度 ~ t^(-3/2),且期望無窮。

tau_a 幾乎必然有限,但 E[tau_a] = infinity;且 a -> tau_a 是 1/2-穩定從屬過程。單側擊中與區間的雙側脫離遵循「不同」的分布律。

又稱
hitting time distributionone-sided stable lawLevy distribution首擊中時間首達時