隨機微分方程

擴散過程(diffusion process)

擴散過程是具連續路徑的強馬可夫過程,其局部運動由漂移與擴散係數描述——非正式地說,就是「平滑移動但隨機抖動」、沒有跳躍的過程。布朗運動是其原型,而適定 SDE dX = b(X) dt + sigma(X) dB 的解是典型範例。擴散是馬可夫家族中連續狀態、連續時間的成員,也是機率與二階偏微分方程之間的橋樑。

刻畫擴散有兩種等價方式。分析上,它是轉移半群 P_t f(x) = E[f(X_t) given X_0 = x] 由二階橢圓算子 L f = sum_i b_i(x) partial_i f + (1/2) sum_{i,j} a_ij(x) partial_i partial_j f(a = sigma sigma^T 非負)所生成的馬可夫過程;這個 L 是無窮小生成元,是當 t -> 0 時 (1/t)(P_t f - f) 的極限。機率上,擴散恰是具該係數之 SDE 的解(強或弱),等價於 L 的鞅問題的解:對每個光滑緊支 f,f(X_t) - integral_0^t L f(X_s) ds 是鞅。路徑的連續性是內建的,而強馬可夫性讓你能在停時重新起始。漂移 b(x) 是無窮小平均速度,a(x) 是無窮小共變數速率,如漂移與擴散係數條目所述。

擴散是隨機建模的主力——金融(資產價格、利率)、物理(朗之萬動力學)、生物(族群與基因頻率模型),以及 PDE 理論的機率面。與 PDE 的連結正是重點:生成元的拋物方程(後向科爾莫戈洛夫)支配 E[f(X_t)],前向方程(福克-普朗克)支配密度,費曼-卡茨則藉由對擴散路徑取平均來解邊值問題。誠實的警告:擴散依定義是連續過程(跳躍過程不是擴散——那是李維過程的領域);而當 a = sigma sigma^T 可退化時,生成元只是橢圓而非嚴格橢圓,此時擴散可能被限制在低維流形上,密度的平滑化可能失效(此時是赫爾曼德條件恢復了次橢圓性)。

奧恩斯坦-烏倫貝克過程 dX = -theta X dt + sigma dB 是擴散,生成元為 L f = -theta x f'(x) + (sigma^2/2) f''(x)。它對每個 t 的轉移密度都是高斯,且當 t -> infinity 時鬆弛到其不變分布 N(0, sigma^2/(2 theta))——該擴散的平穩分布。

OU 過程:具高斯轉移與高斯不變分布的均值回歸擴散。

擴散依定義具連續路徑——跳躍過程不是擴散。當 a = sigma sigma^T 退化時生成元只是橢圓而非一致橢圓,除非赫爾曼德括號條件成立,否則密度可能集中在低維集合上。

又称
diffusionIto diffusion擴散過程擴散