隨機微分方程

歐拉-丸山方法(Euler-Maruyama scheme)

/ OY-ler mah-roo-YAH-mah /

歐拉-丸山方法是模擬 SDE 解最簡單的數值方法——ODE 顯式歐拉法的直接隨機對應物。由於幾乎沒有 SDE 能閉式求解,模擬正是擴散在實務中被使用的方式(蒙地卡羅定價、粒子濾波、抽樣),而歐拉-丸山是預設的首選工具。它回答:我要如何在電腦上產生 dX = b(X) dt + sigma(X) dB 的近似路徑?

把時間離散成步長 h = T/N,格點 t_n = n h。從已知的 X_0 出發,遞迴是 X_{n+1} = X_n + b(X_n) h + sigma(X_n) Delta B_n,其中 Delta B_n = B_{t_{n+1}} - B_{t_n} 是布朗增量——獨立的 N(0, h) 高斯,易於模擬。故每步加上區間上的確定性漂移,再加上一個由 sigma 縮放的新高斯衝擊;注意雜訊增量按 sqrt(h) 而非 h 縮放,這是擴散的標誌。其準確度有兩種量法。強階衡量逐路徑準確度:E[ |X_T - X^h_T| ] = O(h^(1/2)),故歐拉-丸山的強階為 1/2——要把逐路徑誤差減半,步長須減為四分之一。弱階衡量分布的準確度:對光滑 g,|E[g(X_T)] - E[g(X^h_T)]| = O(h),故弱階為 1。兩階之間的落差來自隨機積分項:歐拉-丸山在一步上凍結 sigma(X_n),卻忽略 sigma 在該步內的變化,這在積分中是 h 階的誤差,正是米爾斯坦修正所修補的。

歐拉-丸山是主力,正因為它編碼極簡且只需一個布朗運動的增量。誠實的警告很重要。其強階僅為 1/2(比 ODE 歐拉的 1 階差)是因為雜訊;若需逐路徑準確度請用米爾斯坦(強階 1)。計算期望時要緊的是弱階 1,歐拉在此具競爭力。此方法可能數值不穩定或違反過程的定義域:對 CIR/貝索平方根擴散,樸素的歐拉步可能把平方根的引數逼成負,故須修改(完全截斷、反射,或隱式/專門方法)。而收斂階要求係數足夠光滑(具有界導數的李普希茨);對非李普希茨或超線性係數,標準歐拉-丸山甚至可能發散,須用馴化(tamed)或隱式變體。

要以步長 h 模擬幾何布朗運動 dX = mu X dt + sigma X dB,抽 Z_n ~ N(0,1) 並迭代 X_{n+1} = X_n + mu X_n h + sigma X_n sqrt(h) Z_n。相對於精確解 X_T = X_0 exp((mu - sigma^2/2)T + sigma B_T),逐路徑誤差按 sqrt(h) 縮小(強階 1/2),而 E[X_T] 的誤差按 h 縮小(弱階 1)。

GBM 的歐拉-丸山:強階 1/2(逐路徑)、弱階 1(分布)。

強階只有 1/2 是因為雜訊——別期待逐路徑準確度能達到 ODE-歐拉的 1 階。所述的階需要光滑(李普希茨、導數有界)的係數;對非李普希茨或超線性係數,純歐拉-丸山可能發散,須用馴化/隱式變體,而 CIR 需要保正性的修正。

又稱
Euler-Maruyama methodstochastic Euler scheme歐拉-丸山方法隨機歐拉法