布朗運動進階理論

斜布朗運動與反射布朗運動(skew and reflected Brownian motion)

對布朗運動最簡單的兩種改造,都是直接由局部時構造的,且都回答具體問題:若過程不能跌破 0(反射),以及若它在離開 0 時對偏好哪一側有偏向(斜)會如何?兩者都是強馬可夫擴散,在遠離 0 處是普通布朗運動,但在原點處有特殊行為,且都以透過田中公式與漂程理論來定義最為乾淨。

反射布朗運動是 |B_t|,或等價地是 Skorokhod 問題 dX = dW + dL(X >= 0)的解,其中 L 是 0 處的局部時,恰好把 X 往上推到足以維持非負(它僅在 X = 0 時增長)。其生成元在 (0, infinity) 上是 (1/2) d^2/dx^2,在 0 處帶諾伊曼(反射)邊界條件。由田中公式,|B_t| = beta_t + L_t^0,其中 beta 是布朗運動,所以反射布朗運動是一個布朗運動加上一個奇異連續的邊界推力。參數 p in [0,1] 的斜布朗運動在 0 之外如布朗運動,但在每段離開 0 的漂程,以機率 p 選擇向正、以機率 1 - p 選擇向負,且各漂程間獨立。它解 SDE dX = dW + (2p - 1) dL_t^0(X),其中漂移僅透過 0 處局部時起作用;p = 1/2 回收普通布朗運動,p = 1 給出反射布朗運動,中間的 p 給出不對稱的穿越規則。其轉移密度是熱核加上一個權重為 (2p - 1) 的鏡像電荷。相關的物件 Walsh 布朗運動把漂程送往以選定角度排列的星形射線上。

重要性:反射布朗運動是重流量排隊(工作量過程)、存儲與庫存、以及具反射邊界之域中擴散的典型模型;其多維版本(Harrison-Reiman)是排隊網路的核心。斜布朗運動模擬跨越具滲透性失配之介面的擴散(熱或溶質穿越膜,或在具不連續擴散率介質中的運動)。誠實的微妙之處:斜布朗運動是其 SDE 的真正強解,只因深刻的結果(Harrison-Shepp 證明需要 |2p - 1| <= 1,且解在分布上唯一),而局部時漂移是奇異的——它「不是」古典漂移 b(x) dt,所以標準的 Lipschitz SDE 理論不適用。反射布朗運動的 L 不可微;反射是由奇異的局部時項、而非平滑力來執行的。

跨越具滲透性失配之膜的熱流由斜布朗運動模擬:位於膜(水平 0)處的粒子以機率 p > 1/2 越向高擴散率側,所以它在兩側花費不對稱的時間,儘管每段漂程只是普通布朗運動。

反射(p=1)與斜(一般 p)布朗運動在 0 之外是布朗運動,但在 0 處由奇異的局部時項所支配。

斜/反射漂移是一個「奇異」的局部時項 (2p-1) dL,而非古典的 b(x) dt;標準 Lipschitz SDE 理論不適用,且斜布朗運動需 |2p-1| <= 1 才有合理(Harrison-Shepp)的解。

又稱
SBMRBMWalsh Brownian motion斜布朗運動反射布朗運動