布朗運動與隨機微積分

布朗運動(維納過程,Brownian motion / Wiener process)

/ VEE-ner /

把一粒花粉丟進靜止的水裡,用顯微鏡觀察:它顫動著,朝各個方向以微小隨機的猛然抖動漂移,從不安定,路徑是一團瘋狂的皺褶。這種抖動正是植物學家羅伯特・布朗(Robert Brown)在 1827 年看到的,而布朗運動就是它的理想化數學模型。想像一個不知疲倦的醉漢,每秒踏出無限多步、每步無限小的隨機步伐——所描出的那條看似平滑卻狂野扭動的曲線,就是一條布朗路徑。它是最重要的連續時間隨機過程,是從擲硬幣的隨機性通往金融與物理之微積分的橋樑。

形式上,標準布朗運動是一個關於時間的隨機函數 B(t)(t 至少為 0),由四條性質釘死。它從原點出發:B(0) = 0。它的增量是獨立的:未來一段窗口上的變化 B(t) - B(s),對於先前一段不重疊窗口上的變化毫無資訊。它的增量是平穩且高斯的:任何長度為 h 的窗口上的變化服從 Normal(0, h)——均值為零、變異數恰好等於經過的時間 h,所以典型的游走距離隨時間的平方根而增長。而它的路徑是連續的:你可以一筆不離紙地畫出整條曲線。這四個要求——從零出發、增量獨立、增量為變異數等於經過時間的高斯、路徑連續——把這個過程完全確定下來。

布朗運動之所以位居機率論的核心,是因為幾乎一切連續而隨機的東西都由它建成。它是簡單隨機漫步的尺度極限(Donsker 定理),所以它是連續時間版的中央極限定理:把任何良好的隨機漫步拉遠來看,它就像布朗運動。它同時是一個鞅、也是一個高斯過程。它怪異的路徑——處處連續卻處處不可微——逼著我們發展出一套全新的微積分(伊藤微積分)。從它衍生出熱擴散、波動股價與雜訊物理系統的模型。誠實的提醒:本領域的一切都是機率論的深水區,這裡只為直覺而勾勒;嚴格的建構與證明需要真正的測度論。

把一檔股票一年的對數價格記為 B(t)(t 以年為單位)。下半年的變化 B(1) - B(0.5) 服從 Normal(0, 0.5):均值為 0、標準差約為 sqrt(0.5) = 0.71,而且——由於增量獨立——它與上半年發生的事 B(0.5) - B(0) 在統計上毫無關聯。

在長度為 h 的窗口上,位移服從 Normal(0, h),且與過去獨立。

變異數等於經過的時間,所以標準差隨時間的平方根增長——不是線性。醉漢會游走,但很慢;時間加倍只把典型距離乘上 sqrt(2)。

又称
Wiener processBM維納過程標準布朗運動