中立延迟随机微分方程历年来在生物、工程、金融等各个领域引起了学者的广泛关注.文[1]系统地介绍了不带跳的随机泛函微分方程的基本理论及其在金融、随机游戏、人口问题中的应用; 文[2]给出了带有Lévy跳随机泛函微分方程解的存在唯一性; 文[3]得到了一类带Lévy跳的中立随机泛函微分方程解的存在唯一性; 文[4]研究了带有特殊跳(泊松跳)的中立随机延迟微分方程的数值逼近; 文[5]得到了Lévy噪声扰动的混合随机微分方程的Euler近似解; 文[6]和文[7]研究了带Markov状态转换的跳扩散方程的数值解.
设$ (\Omega, \mathcal F, P) $是完备概率空间, $ (\mathcal F_{t})_{t\geq0} $是其上一个满足通常条件的适应流.设$ \{\bar{p} = \bar{p}(t), t\geq0\} $是一个关于$ (\mathcal F_{t})_{t\geq0} $适应的稳定的$ R^{n} $值泊松点过程.设$ B(R^{n}- \{0\}) $为$ R^{n}-\{0\} $上的波莱尔$ \sigma $-代数, 对$ A\in B(R^{n}- \{0\}) $, 定义与$ \bar{p} $联系的泊松计数测度$ N(t, A) = N((0, t]\times A) $如下
则存在一个$ \sigma $有限测度$ \pi $使得
这里的测度$ \pi $称为Lévy测度.由Doob-Meyer分解定理, 存在关于$ (\mathcal F_{t})_{t\geq0} $适应的唯一的鞅$ \tilde{N}(t, A) $和唯一的增过程$ \hat{N}(t, A) $, 使得
这里的$ \tilde{N}(t, A) $称作补偿Lévy跳且$ \hat{N}(t, A) = \pi(A)t $称作补偿子.
设$ |\cdot| $表示欧式空间$ R^{d} $中的范数, $ \tau $为一个正的固定的延迟, $ C([-\tau, 0], R^{d}) $为$ [-\tau, 0] $到$ R^{d} $上的连续函数类, 其上的范数为$ \|\varphi\| = \sup\limits_{-\tau\leq\theta\leq0}|\varphi(\theta)| $.设$ \xi(t) $为关于$ \mathcal F_{0} $可测的$ C([-\tau, 0], R^{d}) $随机变量且满足$ E\|\xi\|^{p}<\infty $, 其中$ p $为大于等于2的任意正整数.设$ W(t) $是$ (\Omega, \mathcal F, P) $上关于流$ (\mathcal F_{t})_{t\geq0} $适应的标准的$ r $维布朗运动且与Lévy跳$ N $独立.设$ Z\in B(R^{n}-\{0\}) $且$ \pi(Z)<\infty $, 设$ 0<T<\infty, D:[0, T]\times R^{n}\rightarrow R^{n}, $ $ f:[0, T]\times R^{n}\times R^{n}\rightarrow R^{n}, $ $ g:[0, T]\times R^{n}\times R^{n}\rightarrow R^{n\times r}, $ $ h:[0, T]\times R^{n}\times Z\rightarrow R^{n} $.
本文将研究如下带Lévy跳的中立随机微分方程的EM算法
在系数满足局部Lipschitz条件和线性增长条件, 中立项$ D(t, x(t-\tau)) $关于第二个分量为压缩映射的条件下, 类似于文[2], 我们可得方程(1.1)存在唯一解.由于解没有显示表达, 因此有必要研究其数值解.如果数值解逼近于真实解, 我们可以用数值解来估计真实解.
本文内容安排如下:第二节介绍了方程(1.1)的Euler的数值算法, 并给出主要结果即定理1;第三节给出定理1的证明.本文推广了文[4]的结果, 考虑的中立项是时间和状态的二元函数, 在逼近的时候对中立项需要加一定的条件才可以放缩.此外, 有中立项时需要把它看成一个整体, 进而用伊藤公式, 再由基本不等式及压缩映射最终得到数值解稳定于真实解.方程(1.1)中$ f, g, h $也依赖于时间, 因此需要三个函数关于时间$ t $是局部Lipschitz的.
在It$ {\rm{\hat o}}$ 意义下方程(1.1)的随机积分形式为
下面给出(1.1)式的EM逼近解.
给定步长$ \Delta\in(0, 1) $且满足$ \Delta = \frac{\tau}{m}, m $为一个大于$ \tau $的正整数.定义$ t_{k} = k\Delta $, 当$ -m\leq k<0 $时, 定义$ y_{k} = \xi(t_{k}) $.当$ k\geq0 $时, 定义$ y_{-1-m} = \xi(t_{m}) $,
其中$ \Delta W_{k} = W_{t_{k+1}}-W_{t_{k}} $.假设$ \tilde{y}(t) = y_{k}, \tilde {y}{(t-\tau)} = y_{k-m}, t\in[t_{k}, t_{k+1}) $, 则EM逼近解$ y(t) $的连续形式如下
本文对系数做如下假设.
(H$ _{1} $) 对任意的正整数$ m $, 存在正整数$ \bar{k}_{m} $, 使得对任意的$ t_{1}, t_{2}\in[0, +\infty) $, 任意的$ x, y, \bar{x}, \bar{y}\in R^{n} $且$ |x|\leq m, |y|\leq m, |\bar{x}|\leq m, \bar{y}\leq m $, 有
(H$ _{2} $) 对任意的$ p\geq2 $, 存在正数$ k_{1} $使得对任意$ t\in[0, +\infty) $, $ x, y\in R^{n} $, 有
(H$ _{3} $) 存在正数$ k_{2}\in(0, 1) $, 使得对任意$ t_{1}, t_{2}\in[0, +\infty), x, y\in R^{n} $, 有
设$ T\in[0, +\infty) $为任一常数, 本文主要结果如下.
定理 1 在(H$ _{1} $)–(H$ _{3} $)条件下, 方程(1.1)的Euler数值解收敛到真实解.即
在证明定理1之前, 需要一些重要的引理.
引理 1 在(H$ _{1} $)–(H$ _{3} $)条件下, 对任意$ p\geq2 $, 存在一个独立于$ \Delta $的常数$ M>0 $, 使得
证 不失一般性, 假定$ x(t) $是有界的, 否则的话, 对每个整数$ n $, 定义停时$ \tau_{n} = \inf \{t\in[0, T]:|x(t)|\geq n\} $, 考虑停止过程$ x(t\vee\tau_{n}) $即可.由基本不等式、假设(H$ _{3} $)及Hölder不等式可得
因此对任意的$ t_{1}\in[0, T] $, 有
显然有
由BDG不等式及假设(H$ _{2} $)可得
其中$ C_{p} $为与p有关的正的常数.对于跳部分, 由假设(H$ _{2} $)及文[3]引理3.2, 得
其中$ D_{p} $为正的常数.注意到对任意的$ t_{1}\in[0, T] $, 有
将(3.2)–(3.4)式代入(3.5)式得
因此
所以由Gronwall不等式得$ E(\sup\limits_{-\tau\leq t\leq T}|x(t)|^{p})\leq M_{1} $, 用同样的方法可以证明
从而定理得证.
下面先建立两个停时,
引理 2 在假设(H$ _{1} $)–(H$ _{3} $)下, 有
这里$ C_{1} $是独立于$ \Delta $的正的常数.
证 对任意的$ t_{1}\in[0, T] $,
证明方法与引理1的方法相同, 这里其证明省略.
推论 3 在假设(H$ _{1} $)–(H$ _{3} $)下有
这里的$ M_{2} $是一个正的常数且独立于$ \Delta $.
引理 4 在假设(H$ _{1} $)–(H$ _{3} $)下, 对任意$ t\in [0, T] $, 存在一个正的常数$ M_{3} $, 其中$ M_{3} $独立于$ \Delta $, 使得$ \int_{0}^{t\wedge\rho_{d}}E(|y(s)-\tilde{y}(s)|^{2})ds\leq M_{3}\Delta $.
证 对任意的$ t\in[0, T\wedge \rho_{d}] $, 存在$ k $使得$ t\in[t_{k}, t_{k+1}) $, 注意到
注意到$ \tilde{y}(t) = y_{k}, \tilde{y}(t-\tau) = y_{k-m}, t\in[t_{k}, t_{k+1}) $, 因此
又
由基本不等式及假设(H$ _{2} $)可得
由推论3, 文[2]引理3.2及文[9]中Lyapunov不等式得
取$ M_{3} = 3k_{1}T[1+r+2\pi(Z)](1+2M_{2}) $即可, 其中$ r $为布朗运动的维数.
定理 1 的证明 假设$ e(t) = x(t)-y(t) $, 易知
根据Young不等式, 对于$ \frac{1}{p}+\frac{1}{q} = 1 (p, q>0) $, 有
因此对任意的$ \delta>0 $, 有
根据引理1, 有
类似可得$ P\{\nu_{d}\leq T\}\leq\frac{2M}{d^{p}}. $因此
由基本不等式得
将(3.13), (3.14)式代入(3.12)式得
根据$ x(t) $和$ y(t) $的定义, 有
类似于引理4中的证明可知
不妨令$ M_{4} = 3k_{1}[1+2M_{2}](\Delta+m+2\pi(Z)) $, 则
由假设(H$ _{3} $)及(3.16)式知
由假设(H$ _{1} $)及Hölder不等式可得
由假设(H$ _{1} $)及BDG不等式可得
由假设(H$ _{1} $)及文[2]引理3.2可得
设
则由Gronwall不等式得$ E(\sup\limits_{0\leq t\leq T}|x(t\wedge\rho_{d})-y(t\wedge\rho_{d})|^{2}) \leq L\Delta e^{\bar{k}_{d}[48+64D_{2}+32T\pi(Z)]T} $.即
将(3.15)、(3.18)式代入(3.11)式得
取充分小的$ \delta $以及充分大的$ d $, 则当$ \Delta\rightarrow 0 $时, $ E(\sup\limits_{0\leq t\leq T}|e(t)|^{2})\rightarrow 0 $.定理得证.