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Itô diffusion

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36: 151: 5205: 2517: 5538: 1828: 2947: 3776: 5216: 4222: 3349: 1187: 4961: 7216: 2277: 7627: 5359: 2704: 1476: 2746: 3573: 6275: 4503: 6969: 7968: 4000: 332: 3160: 4626: 8907: 1043: 5200:{\displaystyle {\mathcal {A}}f(x)=\sum _{i}b_{i}(x){\frac {\partial f}{\partial x_{i}}}(x)+{\tfrac {1}{2}}\sum _{i,j}\left(\sigma (x)\sigma (x)^{\top }\right)_{i,j}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{i}\,\partial x_{j}}}(x).} 6495: 1454: 9580: 6779: 2210: 7082: 6683: 9278: 2037: 6130: 7405: 3496: 2512:{\displaystyle Af(x)=\sum _{i}b_{i}(x){\frac {\partial f}{\partial x_{i}}}(x)+{\tfrac {1}{2}}\sum _{i,j}\left(\sigma (x)\sigma (x)^{\top }\right)_{i,j}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{i}\,\partial x_{j}}}(x),} 8406: 7447: 6398: 4942: 5533:{\displaystyle \Delta _{\mathrm {LB} }={\frac {1}{\sqrt {\det(g)}}}\sum _{i=1}^{m}{\frac {\partial }{\partial x_{i}}}\left({\sqrt {\det(g)}}\sum _{j=1}^{m}g^{ij}{\frac {\partial }{\partial x_{j}}}\right),} 493: 4705: 8181: 2543: 9685: 7059: 6135:
This illustrates one of the connections between stochastic analysis and the study of partial differential equations. Conversely, a given second-order linear partial differential equation of the form Λ
9366: 5952: 5852: 5735: 1823:{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {E} ^{x}\left&=\mathbf {E} ^{x}\left{\big |}F_{t}\right]\\&=\mathbf {E} ^{x}\left{\big |}F_{t}\right]\\&=\mathbf {E} ^{X_{t}}\left.\end{aligned}}} 8604: 1481: 8795: 754: 2942:{\displaystyle Af(x)={\tfrac {1}{2}}\sum _{i,j}\delta _{ij}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{i}\,\partial x_{j}}}(x)={\tfrac {1}{2}}\sum _{i}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{i}^{2}}}(x)} 4874: 206: 7735: 9119: 3981: 3771:{\displaystyle {\begin{cases}{\dfrac {\partial \rho }{\partial t}}(t,x)=A^{*}\rho (t,x),&t>0,x\in \mathbf {R} ^{n};\\\rho (0,x)=\rho _{0}(x),&x\in \mathbf {R} ^{n}.\end{cases}}} 9871: 6593: 3102: 8266: 6169: 4351: 933: 4821: 6860: 7746: 10406: 4745: 4217:{\displaystyle {\begin{cases}{\dfrac {\partial v}{\partial t}}(t,x)=Av(t,x)-q(x)v(t,x),&t>0,x\in \mathbf {R} ^{n};\\v(0,x)=f(x),&x\in \mathbf {R} ^{n}.\end{cases}}} 5308: 4339: 2979:
The generator is used in the formulation of Kolmogorov's backward equation. Intuitively, this equation tells us how the expected value of any suitably smooth statistic of
4307:
is a partial differential operator closely related to the generator, but somewhat more general. It is more suited to certain problems, for example in the solution of the
65: 10230: 8913: 8186:
Dynkin's formula can be used to calculate many useful statistics of stopping times. For example, canonical Brownian motion on the real line starting at 0 exits the
3344:{\displaystyle {\begin{cases}{\dfrac {\partial u}{\partial t}}(t,x)=Au(t,x),&t>0,x\in \mathbf {R} ^{n};\\u(0,x)=f(x),&x\in \mathbf {R} ^{n}.\end{cases}}} 10833: 9826: 2048: 594: 233: 10363: 10343: 10747: 7241:
and variance (βκ). The expression for the variance may be interpreted as follows: large values of κ mean that the potential well Ψ has "very steep sides", so
4532: 1182:{\displaystyle \Sigma _{t}=\Sigma _{t}^{B}=\sigma \left\{B_{s}^{-1}(A)\subseteq \Omega \ :\ 0\leq s\leq t,A\subseteq \mathbf {R} ^{n}{\mbox{ Borel}}\right\}.} 8822: 11097: 6404: 6292:
is a scalar potential satisfying suitable smoothness and growth conditions. In this case, the Fokker–Planck equation has a unique stationary solution ρ
10664: 6416: 1306: 10674: 10348: 9448: 6694: 2100: 10358: 7211:{\displaystyle \rho _{\infty }(x)=\left({\frac {\beta \kappa }{2\pi }}\right)^{\frac {n}{2}}\exp \left(-{\frac {\beta \kappa |x-m|^{2}}{2}}\right)} 4831:
The characteristic operator and infinitesimal generator are very closely related, and even agree for a large class of functions. One can show that
10716: 10431: 10613: 6604: 9142: 1899: 10903: 10893: 10416: 614:
In particular, an Itô diffusion is a continuous, strongly Markovian process such that the domain of its characteristic operator includes all
10803: 10767: 6058: 7309: 6784:
is the negative of the Gibbs-Boltzmann entropy functional. Even when the potential Ψ is not well-behaved enough for the partition function
3410: 7622:{\displaystyle f(X_{t})=f(x)+\int _{0}^{t}Af(X_{s})\,\mathrm {d} s+\int _{0}^{t}\nabla f(X_{s})^{\top }\sigma (X_{s})\,\mathrm {d} B_{s}.} 10720: 8330: 11071: 10808: 9918: 9819: 6318: 4885: 10873: 10451: 10421: 9788: 2699:{\displaystyle Af(x)=b(x)\cdot \nabla _{x}f(x)+{\tfrac {1}{2}}\left(\sigma (x)\sigma (x)^{\top }\right):\nabla _{x}\nabla _{x}f(x).} 379: 87: 6006: ≥ 0. The Fokker–Planck equation offers a way to find such a measure, at least if it has a probability density function ρ 4637: 10724: 10708: 8043: 10918: 10623: 9843: 515: 113: 10823: 10788: 10757: 10752: 10391: 10188: 10105: 9603: 8466: 7276: 6988: 10762: 10090: 2066:
of the diffusion. The generator is very useful in many applications and encodes a great deal of information about the process
10386: 10193: 10112: 9293: 7429:. The proof is quite simple: it follows from the usual expression of the action of the generator on smooth enough functions 5898: 5798: 5614: 10848: 10728: 8520: 11076: 10853: 10689: 10588: 10573: 9985: 9901: 9812: 3147: 2984: 2059: 1026: 759:
This follows from the standard existence and uniqueness theory for strong solutions of stochastic differential equations.
631: 10863: 10499: 10858: 8717: 3363: 2970: 689: 10461: 48: 10045: 9990: 9906: 10793: 10783: 10426: 10396: 4837: 2974: 180: 58: 52: 44: 7654: 10798: 9963: 9861: 9728: 9004: 6844: 3842: 10509: 10085: 9866: 10878: 10679: 10593: 10578: 9968: 6513: 5259:Δ, where Δ denotes the Laplace operator. The characteristic operator is useful in defining Brownian motion on an 772: 646: 573: 569: 10712: 10598: 10020: 6270:{\displaystyle \mathrm {d} X_{t}=-\nabla \Psi (X_{t})\,\mathrm {d} t+{\sqrt {2\beta ^{-1}}}\,\mathrm {d} B_{t},} 69: 10100: 10075: 6526: 4498:{\displaystyle {\mathcal {A}}f(x)=\lim _{U\downarrow x}{\frac {\mathbf {E} ^{x}\left-f(x)}{\mathbf {E} ^{x}}},} 10818: 10401: 9936: 3787: 3029: 8210: 6964:{\displaystyle \mathrm {d} X_{t}=-\kappa (X_{t}-m)\,\mathrm {d} t+{\sqrt {2\beta ^{-1}}}\,\mathrm {d} B_{t},} 11013: 11003: 10694: 10476: 10215: 10080: 9891: 4300: 2531: 1276: 866: 10298: 4784: 10955: 10883: 10142: 9740: 8420: 8187: 7963:{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}=\mathbf {E} ^{x}\left}{\big |}F_{s}\right]=\mathbf {E} ^{x}{\big }=M_{s},} 6151:
is easy to compute, then that measure's density provides a solution to the partial differential equation.
973:
is varied is addressed by the Kolmogorov backward equation, the Fokker–Planck equation, etc. (See below.)
587: 10978: 10960: 10940: 10935: 10654: 10486: 10466: 10313: 10256: 10095: 10005: 6505: 10446: 158:(Brownian motion) in three-dimensional space (one sample path shown) is an example of an Itô diffusion. 4721: 11053: 11008: 10998: 10739: 10684: 10659: 10628: 10608: 10368: 10353: 10220: 8685: 5575:
then the resulting operator is invertible. The inverse of this operator can be expressed in terms of
1015:
at time 0. The precise mathematical formulation of this statement requires some additional notation:
370: 105: 5289: 4320: 4009: 3582: 3169: 11048: 10888: 10813: 10618: 10378: 10288: 10178: 9384: 8497: 7996: 7234: 6281: 5264: 3821: 837: 833: 668: 607: 9745: 7252:; similarly, large values of β mean that the system is quite "cold" with little noise, so, again, 1881:
be a bounded, Borel-measurable function. Let τ be a stopping time with respect to the filtration Σ
11018: 10983: 10898: 10868: 10638: 10633: 10456: 10293: 9958: 9896: 9835: 9758: 9590: 8477: 6309: 1023: 209: 10699: 11038: 10843: 10494: 10251: 10168: 10137: 10030: 10010: 10000: 9856: 9851: 9784: 9776: 9696: 8669: 7434: 6809: 5965: 5544: 4308: 3506: 220: 117: 10704: 10441: 9716:. Die Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften, Bände 121. New York: Academic Press Inc. 3792:
The Feynman–Kac formula is a useful generalization of Kolmogorov's backward equation. Again,
11058: 10945: 10828: 10198: 10173: 10122: 9973: 9926: 9750: 8301: 7069: 5564: 5350: 5235:
times the Laplace-Beltrami operator. Here it is the Laplace-Beltrami operator on a 2-sphere.
3389: 2958: 841: 530: 327:{\displaystyle \mathrm {d} X_{t}=b(X_{t})\,\mathrm {d} t+\sigma (X_{t})\,\mathrm {d} B_{t},} 9798: 9770: 9721: 11023: 10923: 10908: 10669: 10603: 10281: 10225: 10208: 9953: 9795: 9767: 9718: 2254: 1197: 982: 939: 615: 580: 346: 175: 125: 10838: 10070: 6982:
and β, κ > 0 are given constants. In this case, the potential Ψ is given by
4621:{\displaystyle U_{k+1}\subseteq U_{k}{\mbox{ and }}\bigcap _{k=1}^{\infty }U_{k}=\{x\},} 11028: 10993: 10913: 10519: 10266: 10183: 10152: 10147: 10127: 10117: 10060: 10055: 10035: 10015: 9980: 9948: 9931: 8902:{\displaystyle \varphi (x)=\int _{\partial G}\varphi (y)\,\mathrm {d} \mu _{G}^{x}(y).} 8311: 8006: 5580: 4270:
Kolmogorov's backward equation is the special case of the Feynman–Kac formula in which
810: 561: 155: 11091: 10930: 10471: 10308: 10303: 10261: 10203: 10025: 9941: 9881: 9709: 8925: 8002: 3519: 2534: 1886: 1843: 1838:
The strong Markov property is a generalization of the Markov property above in which
1280: 139: 136: 9762: 8411:
Sometimes, however, one also wishes to know the distribution of the points at which
10988: 10950: 10504: 10436: 10325: 10320: 10132: 10065: 10040: 9876: 8322: 8280: 540: 522: 10568: 565:, not a diffusion. Itô diffusions have a number of nice properties, which include 11033: 10552: 10547: 10542: 10532: 10335: 10276: 10271: 10235: 9995: 9886: 2527: 150: 101: 8275:
at a fairly general stopping time. For more information on the distribution of
6490:{\displaystyle Z=\int _{\mathbf {R} ^{n}}\exp(-\beta \Psi (x))\,\mathrm {d} x.} 5239:
Above, the generator (and hence characteristic operator) of Brownian motion on
1449:{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}{\big }(\omega )=\mathbf {E} ^{X_{t}(\omega )}.} 11043: 10583: 10527: 10411: 9754: 9575:{\displaystyle f(x)=\mathbf {E} ^{x}\left-\int _{D}Af(y)\,G(x,\mathrm {d} y).} 7438: 6774:{\displaystyle S=\int _{\mathbf {R} ^{n}}\rho (x)\log \rho (x)\,\mathrm {d} x} 2205:{\displaystyle Af(x)=\lim _{t\downarrow 0}{\frac {\mathbf {E} ^{x}-f(x)}{t}}.} 1842:
is replaced by a suitable random time τ : Ω →  known as a
650: 17: 10537: 8653: 7632:
Since Itô integrals are martingales with respect to the natural filtration Σ
6825: 3563:, and ρ satisfies the following partial differential equation, known as the 129: 8628:
Returning to the earlier example of Brownian motion, one can show that if
8673: 6678:{\displaystyle E=\int _{\mathbf {R} ^{n}}\Psi (x)\rho (x)\,\mathrm {d} x} 4513: 3514: 2523: 9273:{\displaystyle \int _{D}f(y)\,G(x,\mathrm {d} y)=\mathbf {E} ^{x}\left.} 2032:{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}{\big }=\mathbf {E} ^{X_{\tau }}{\big }.} 10364:
Generalized autoregressive conditional heteroskedasticity (GARCH) model
9804: 6159:
An invariant measure is comparatively easy to compute when the process
5215: 4947:
In particular, the generator and characteristic operator agree for all
3359: 121: 6125:{\displaystyle A^{*}\rho _{\infty }(x)=0,\quad x\in \mathbf {R} ^{n}.} 9731:(1998). "The variational formulation of the Fokker–Planck equation". 8914:
solution of partial differential equations using stochastic processes
7400:{\displaystyle M_{t}=f(X_{t})-\int _{0}^{t}Af(X_{s})\,\mathrm {d} s,} 3491:{\displaystyle \mathbf {P} \left=\int _{S}\rho (t,x)\,\mathrm {d} x.} 9781:
Stochastic Differential Equations: An Introduction with Applications
8401:{\displaystyle \tau _{H}(\omega )=\inf\{t\geq 0|X_{t}\not \in H\}.} 8306:
In many situations, it is sufficient to know when an Itô diffusion
6139: = 0 may be hard to solve directly, but if Λ =  5214: 2260:(twice differentiable with continuous second derivative) function 133: 1008:, is the same as if the process had been started at the position 555:
and σ do not depend upon time; if they were to depend upon time,
8950:
as its generator. Intuitively, the Green measure of a Borel set
6052:
must solve the (time-independent) partial differential equation
227:) and satisfying a stochastic differential equation of the form 9808: 9712:; trans. J. Fabius; V. Greenberg; A. Maitra; G. Majone (1965). 6393:{\displaystyle \rho _{\infty }(x)=Z^{-1}\exp(-\beta \Psi (x)),} 4937:{\displaystyle Af={\mathcal {A}}f{\mbox{ for all }}f\in D_{A}.} 27:
Solution to a specific type of stochastic differential equation
8017:) at a stopping time. Precisely, if τ is a stopping time with 5740:
It can be shown, using the Feller continuity of the diffusion
4259:, and satisfies the above partial differential equation, then 488:{\displaystyle |b(x)-b(y)|+|\sigma (x)-\sigma (y)|\leq C|x-y|} 29: 8271:
Dynkin's formula provides information about the behaviour of
4700:{\displaystyle \tau _{U}=\inf\{t\geq 0\ :\ X_{t}\not \in U\}} 8711:
is any bounded, Borel-measurable function and φ is given by
8176:{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}=f(x)+\mathbf {E} ^{x}\left.} 5295: 4967: 4900: 4860: 4790: 4731: 4357: 4326: 5567:. However, if a positive multiple of the identity operator 4210: 3764: 3337: 767:
In addition to being (sample) continuous, an Itô diffusion
10344:
Autoregressive conditional heteroskedasticity (ARCH) model
2058:
Associated to each Itô diffusion, there is a second-order
9680:{\displaystyle f(x)=-\int _{D}Af(y)\,G(x,\mathrm {d} y).} 7418:, is a martingale with respect to the natural filtration 7054:{\displaystyle \Psi (x)={\tfrac {1}{2}}\kappa |x-m|^{2},} 6017:
is indeed distributed according to an invariant measure μ
521:
to the stochastic differential equation given above. The
9872:
Independent and identically distributed random variables
6800: ≥ 0, provided that the initial condition has 2726:, which satisfies the stochastic differential equation d 1846:. So, for example, rather than "restarting" the process 1463:
is also a Markov process with respect to the filtration
5987:
is distributed according to such an invariant measure μ
5789:
with compact support, then, for all α > 0,
1267:
be a bounded, Borel-measurable function. Then, for all
10349:
Autoregressive integrated moving average (ARIMA) model
9361:{\displaystyle G(x,H)=\int _{H}G(x,y)\,\mathrm {d} y,} 8415:
exits the set. For example, canonical Brownian motion
7008: 5947:{\displaystyle (\alpha \mathbf {I} -A)R_{\alpha }g=g.} 5847:{\displaystyle R_{\alpha }(\alpha \mathbf {I} -A)f=f;} 5730:{\displaystyle R_{\alpha }g(x)=\mathbf {E} ^{x}\left.} 5056: 4909: 4566: 2870: 2769: 2606: 2368: 1165: 734: 675:. More accurately, there is a "continuous version" of 9606: 9451: 9296: 9283:
The name "Green measure" comes from the fact that if
9145: 9007: 8825: 8720: 8599:{\displaystyle \mu _{G}^{x}(F)=\mathbf {P} ^{x}\left} 8523: 8333: 8213: 8046: 8009:
of any suitably smooth statistic of an Itô diffusion
7749: 7657: 7450: 7312: 7085: 6991: 6863: 6697: 6607: 6529: 6419: 6321: 6172: 6061: 5901: 5801: 5617: 5362: 5292: 5211:
Application: Brownian motion on a Riemannian manifold
4964: 4888: 4840: 4787: 4724: 4640: 4535: 4354: 4323: 4013: 4003: 3845: 3586: 3576: 3413: 3173: 3163: 3032: 2749: 2546: 2280: 2103: 1902: 1479: 1309: 1046: 869: 692: 382: 236: 183: 7299: : [0, +∞) × Ω →  5219:
The characteristic operator of a Brownian motion is
1289:
and the expectation of the process "restarted" from
215: : [0, +∞) × Ω →  10971: 10776: 10738: 10647: 10561: 10518: 10485: 10377: 10334: 10244: 10161: 9917: 9842: 6508:: it minimizes over all probability densities ρ on 514:; this condition ensures the existence of a unique 9679: 9574: 9360: 9272: 9113: 8901: 8790:{\displaystyle \varphi (x)=\mathbf {E} ^{x}\left,} 8789: 8598: 8400: 8260: 8175: 7962: 7729: 7621: 7399: 7210: 7053: 6963: 6773: 6677: 6587: 6489: 6392: 6269: 6124: 5946: 5846: 5729: 5532: 5302: 5199: 4936: 4868: 4815: 4739: 4699: 4620: 4497: 4333: 4216: 3975: 3770: 3490: 3343: 3096: 2995:are the independent variables. More precisely, if 2941: 2698: 2511: 2204: 2031: 1822: 1448: 1181: 927: 749:{\displaystyle \mathbf {P} =1{\mbox{ for all }}t.} 748: 487: 326: 200: 7248:is unlikely to move far from the minimum of Ψ at 3362:" to the backward equation, and tells us how the 10231:Stochastic chains with memory of variable length 8356: 6854:satisfying the stochastic differential equation 5754:is itself a bounded, continuous function. Also, 5452: 5387: 4654: 4378: 2123: 2082:, which is defined to act on suitable functions 1029:of (Ω, Σ) generated by the Brownian motion 601: 57:but its sources remain unclear because it lacks 8934:be a partial differential operator on a domain 6804: < +∞. The free energy functional 4869:{\displaystyle D_{A}\subseteq D_{\mathcal {A}}} 201:{\displaystyle {\boldsymbol {\textbf {R}}}^{n}} 8912:The mean value property is very useful in the 8695:The harmonic measure satisfies an interesting 7730:{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}{\big }=M_{s}.} 6280:where β > 0 plays the role of an 2049:Infinitesimal generator (stochastic processes) 9820: 9114:{\displaystyle G(x,H)=\mathbf {E} ^{x}\left,} 7939: 7922: 7905: 7868: 7861: 7844: 7827: 7706: 7689: 7672: 3976:{\displaystyle v(t,x)=\mathbf {E} ^{x}\left.} 2021: 1995: 1966: 1949: 1917: 1854: = 1, one could "restart" whenever 1735: 1638: 1616: 1528: 1373: 1356: 1324: 8: 8392: 8359: 6688:plays the role of an energy functional, and 4694: 4657: 4612: 4606: 3994:satisfies the partial differential equation 128:of a particle subjected to a potential in a 771:satisfies the stronger requirement to be a 132:fluid. Itô diffusions are named after the 10359:Autoregressive–moving-average (ARMA) model 9827: 9813: 9805: 6163:is a stochastic gradient flow of the form 5596:, acting on bounded, continuous functions 3354:The Fokker–Planck equation (also known as 2965:The Kolmogorov and Fokker–Planck equations 1004:, given what has happened up to some time 9744: 9663: 9650: 9629: 9605: 9558: 9545: 9524: 9500: 9495: 9473: 9468: 9450: 9347: 9346: 9322: 9295: 9254: 9253: 9244: 9226: 9221: 9216: 9201: 9196: 9181: 9168: 9150: 9144: 9095: 9094: 9085: 9072: 9060: 9055: 9050: 9035: 9030: 9006: 8881: 8876: 8867: 8866: 8845: 8824: 8768: 8763: 8742: 8737: 8719: 8577: 8572: 8557: 8552: 8533: 8528: 8522: 8419:on the real line starting at 0 exits the 8380: 8371: 8338: 8332: 8249: 8233: 8220: 8215: 8212: 8157: 8156: 8147: 8128: 8123: 8108: 8103: 8072: 8053: 8048: 8045: 7951: 7938: 7937: 7931: 7921: 7920: 7914: 7904: 7903: 7897: 7892: 7877: 7867: 7866: 7860: 7859: 7853: 7843: 7842: 7836: 7826: 7825: 7819: 7814: 7802: 7797: 7784: 7775: 7769: 7756: 7751: 7748: 7718: 7705: 7704: 7698: 7688: 7687: 7681: 7671: 7670: 7664: 7659: 7656: 7610: 7601: 7600: 7591: 7575: 7565: 7546: 7541: 7526: 7525: 7516: 7497: 7492: 7461: 7449: 7386: 7385: 7376: 7357: 7352: 7336: 7317: 7311: 7191: 7186: 7171: 7162: 7137: 7113: 7090: 7084: 7042: 7037: 7022: 7007: 6990: 6952: 6943: 6942: 6931: 6922: 6911: 6910: 6895: 6873: 6864: 6862: 6763: 6762: 6724: 6719: 6717: 6696: 6667: 6666: 6634: 6629: 6627: 6606: 6588:{\displaystyle F=E+{\frac {1}{\beta }}S,} 6560: 6528: 6476: 6475: 6437: 6432: 6430: 6418: 6348: 6326: 6320: 6258: 6249: 6248: 6237: 6228: 6217: 6216: 6207: 6182: 6173: 6171: 6113: 6108: 6076: 6066: 6060: 5976:that does not change under the "flow" of 5926: 5908: 5900: 5818: 5806: 5800: 5711: 5710: 5701: 5679: 5669: 5664: 5649: 5644: 5622: 5616: 5513: 5500: 5491: 5481: 5470: 5450: 5436: 5423: 5417: 5406: 5381: 5368: 5367: 5361: 5294: 5293: 5291: 5176: 5168: 5162: 5144: 5137: 5125: 5114: 5071: 5055: 5034: 5016: 5001: 4991: 4966: 4965: 4963: 4925: 4908: 4899: 4898: 4887: 4859: 4858: 4845: 4839: 4789: 4788: 4786: 4730: 4729: 4723: 4682: 4645: 4639: 4597: 4587: 4576: 4565: 4559: 4540: 4534: 4480: 4467: 4462: 4428: 4423: 4402: 4397: 4393: 4381: 4356: 4355: 4353: 4325: 4324: 4322: 4198: 4193: 4135: 4130: 4012: 4004: 4002: 3956: 3933: 3932: 3923: 3907: 3902: 3873: 3868: 3844: 3824:that is bounded below. Define a function 3752: 3747: 3720: 3682: 3677: 3629: 3585: 3577: 3575: 3522:). Then, given that the initial position 3477: 3476: 3452: 3428: 3414: 3412: 3325: 3320: 3262: 3257: 3172: 3164: 3162: 3079: 3060: 3055: 3031: 2983:evolves in time: it must solve a certain 2921: 2916: 2898: 2891: 2885: 2869: 2848: 2840: 2834: 2816: 2809: 2800: 2784: 2768: 2748: 2675: 2665: 2647: 2605: 2584: 2545: 2488: 2480: 2474: 2456: 2449: 2437: 2426: 2383: 2367: 2346: 2328: 2313: 2303: 2279: 2166: 2147: 2142: 2138: 2126: 2102: 2020: 2019: 2010: 1994: 1993: 1985: 1980: 1975: 1965: 1964: 1958: 1948: 1947: 1932: 1916: 1915: 1909: 1904: 1901: 1799: 1776: 1771: 1766: 1744: 1734: 1733: 1719: 1696: 1691: 1686: 1674: 1669: 1647: 1637: 1636: 1625: 1615: 1614: 1599: 1578: 1573: 1561: 1556: 1537: 1527: 1526: 1511: 1490: 1485: 1480: 1478: 1431: 1401: 1396: 1391: 1372: 1371: 1365: 1355: 1354: 1339: 1323: 1322: 1316: 1311: 1308: 1164: 1158: 1153: 1095: 1090: 1069: 1064: 1051: 1045: 910: 891: 886: 868: 733: 718: 705: 693: 691: 480: 466: 455: 423: 415: 383: 381: 315: 306: 305: 296: 275: 274: 265: 246: 237: 235: 192: 186: 185: 182: 88:Learn how and when to remove this message 3097:{\displaystyle u(t,x)=\mathbf {E} ^{x},} 1217:-measurable), so the natural filtration 149: 8261:{\displaystyle \mathbf {E} ^{0}=R^{2}.} 2219:for which this limit exists at a point 622:in the sense defined by Dynkin (1965). 10665:Doob's martingale convergence theorems 9727:Jordan, Richard; Kinderlehrer, David; 4231: : [0, +∞) ×  3828: : [0, +∞) ×  3015: : [0, +∞) ×  2957: = Δ/2, where Δ denotes the 928:{\displaystyle u(x)=\mathbf {E} ^{x}.} 10417:Constant elasticity of variance (CEV) 10407:Chan–Karolyi–Longstaff–Sanders (CKLS) 9124:or for bounded, continuous functions 8990:, ·), is defined for Borel sets 6155:Invariant measures for gradient flows 5964:Sometimes it is necessary to find an 4816:{\displaystyle {\mathcal {A}}f(x)=0.} 3396:, i.e., for any Borel-measurable set 7: 9783:(Sixth ed.). Berlin: Springer. 8954:is the expected length of time that 8423:(−1, 1) at −1 with probability 7295:) with compact support, the process 5543:where  =  in the sense of 4751:for which this limit exists for all 3541:) is differentiable with respect to 3119:) is differentiable with respect to 996:has the important property of being 112:is a solution to a specific type of 8920:The Green measure and Green formula 8321:. That is, one wishes to study the 2245:for which the limit exists for all 1858:first reaches some specified point 187: 10904:Skorokhod's representation theorem 10685:Law of large numbers (weak/strong) 9664: 9559: 9348: 9255: 9182: 9096: 8868: 8846: 8684:and coincides with the normalized 8158: 7850: 7695: 7602: 7576: 7552: 7527: 7387: 7259:is unlikely to move far away from 7091: 6992: 6944: 6912: 6865: 6764: 6668: 6642: 6477: 6460: 6372: 6327: 6250: 6218: 6197: 6194: 6174: 6077: 5998:is also distributed according to μ 5712: 5670: 5506: 5502: 5429: 5425: 5372: 5369: 5364: 5169: 5155: 5141: 5115: 5027: 5019: 4770: = +∞ for all open sets 4588: 4024: 4016: 3934: 3597: 3589: 3478: 3184: 3176: 2909: 2895: 2841: 2827: 2813: 2672: 2662: 2648: 2581: 2481: 2467: 2453: 2427: 2339: 2331: 1955: 1622: 1362: 1116: 1061: 1048: 307: 276: 238: 116:. That equation is similar to the 25: 11098:Stochastic differential equations 10874:Martingale representation theorem 9585:In particular, if the support of 7064:and so the invariant measure for 616:twice-continuously differentiable 10919:Stochastic differential equation 10809:Doob's optional stopping theorem 10804:Doob–Meyer decomposition theorem 9469: 9197: 9031: 8738: 8553: 8216: 8104: 8049: 7893: 7815: 7798: 7752: 7660: 6812:for the Fokker–Planck equation: 6796:still makes sense for each time 6720: 6630: 6433: 6300:has a unique invariant measure μ 6109: 5909: 5889:and, for all α > 0, 5872:is bounded and continuous, then 5819: 5769:are mutually inverse operators: 5645: 5282:is defined to be a diffusion on 4740:{\displaystyle D_{\mathcal {A}}} 4463: 4398: 4194: 4131: 3869: 3748: 3678: 3415: 3321: 3258: 3056: 2143: 1976: 1905: 1767: 1687: 1670: 1574: 1557: 1486: 1392: 1312: 1154: 957:is bounded and continuous, then 887: 694: 559:would be referred to only as an 114:stochastic differential equation 34: 10789:Convergence of random variables 10675:Fisher–Tippett–Gnedenko theorem 8660:, then the harmonic measure of 6792:to be defined, the free energy 6147:, and an invariant measure for 6100: 4827:Relationship with the generator 3808:) and has compact support, and 946:is lower semi-continuous, then 551:. It is important to note that 10387:Binomial options pricing model 9671: 9654: 9647: 9641: 9616: 9610: 9566: 9549: 9542: 9536: 9461: 9455: 9343: 9331: 9312: 9300: 9250: 9237: 9189: 9172: 9165: 9159: 9091: 9078: 9023: 9011: 8893: 8887: 8863: 8857: 8835: 8829: 8776: 8756: 8730: 8724: 8545: 8539: 8372: 8350: 8344: 8239: 8226: 8153: 8140: 8096: 8090: 8081: 8078: 8065: 8059: 8001:Dynkin's formula, named after 7790: 7776: 7762: 7597: 7584: 7572: 7558: 7522: 7509: 7482: 7476: 7467: 7454: 7382: 7369: 7342: 7329: 7187: 7172: 7102: 7096: 7038: 7023: 7001: 6995: 6907: 6888: 6759: 6753: 6741: 6735: 6707: 6701: 6663: 6657: 6651: 6645: 6617: 6611: 6579: 6573: 6554: 6548: 6539: 6533: 6472: 6469: 6463: 6451: 6384: 6381: 6375: 6363: 6338: 6332: 6213: 6200: 6088: 6082: 5919: 5902: 5829: 5812: 5707: 5694: 5637: 5631: 5545:the inverse of a square matrix 5461: 5455: 5396: 5390: 5353:given in local coordinates by 5303:{\displaystyle {\mathcal {A}}} 5286:whose characteristic operator 5191: 5185: 5111: 5104: 5098: 5092: 5049: 5043: 5013: 5007: 4981: 4975: 4804: 4798: 4486: 4473: 4456: 4450: 4436: 4416: 4385: 4371: 4365: 4334:{\displaystyle {\mathcal {A}}} 4178: 4172: 4163: 4151: 4103: 4091: 4085: 4079: 4070: 4058: 4046: 4034: 3962: 3949: 3929: 3916: 3861: 3849: 3732: 3726: 3710: 3698: 3650: 3638: 3619: 3607: 3473: 3461: 3305: 3299: 3290: 3278: 3230: 3218: 3206: 3194: 3152:Kolmogorov's backward equation 3088: 3085: 3072: 3066: 3048: 3036: 2936: 2930: 2863: 2857: 2762: 2756: 2690: 2684: 2644: 2637: 2631: 2625: 2599: 2593: 2574: 2568: 2559: 2553: 2503: 2497: 2423: 2416: 2410: 2404: 2361: 2355: 2325: 2319: 2293: 2287: 2190: 2184: 2175: 2172: 2159: 2153: 2130: 2116: 2110: 2016: 2003: 1944: 1925: 1805: 1792: 1725: 1712: 1611: 1592: 1523: 1504: 1440: 1437: 1424: 1418: 1413: 1407: 1384: 1378: 1351: 1332: 1110: 1104: 965:The behaviour of the function 919: 916: 903: 897: 879: 873: 724: 698: 481: 467: 456: 452: 446: 437: 431: 424: 416: 412: 406: 397: 391: 384: 302: 289: 271: 258: 1: 10854:Kolmogorov continuity theorem 10690:Law of the iterated logarithm 9714:Markov processes. Vols. I, II 7271:In general, an Itô diffusion 3364:probability density functions 3356:Kolmogorov's forward equation 3148:partial differential equation 2985:partial differential equation 2722:-dimensional Brownian motion 2060:partial differential operator 632:Continuous stochastic process 10859:Kolmogorov extension theorem 10538:Generalized queueing network 10046:Interacting particle systems 8962:before it leaves the domain 5586:For α > 0, the 4710:is the first exit time from 3381:, ·) be the density of 2971:Kolmogorov backward equation 1231:of (Ω, Σ) generated by 9991:Continuous-time random walk 9414: < +∞ for all 8037:with compact support, then 4522:that decrease to the point 4290:The characteristic operator 11114: 10999:Extreme value theory (EVT) 10799:Doob decomposition theorem 10091:Ornstein–Uhlenbeck process 9862:Chinese restaurant process 8923: 8439:and at 1 with probability 8299: 7994: 6845:Ornstein-Uhlenbeck process 5555:In general, the generator 3785: 3529:has a prescribed density ρ 3011:) has compact support and 2968: 2046: 1834:The strong Markov property 1470:, as the following shows: 1000:: the future behaviour of 980: 629: 11067: 10879:Optional stopping theorem 10680:Large deviation principle 10432:Heath–Jarrow–Morton (HJM) 10369:Moving-average (MA) model 10354:Autoregressive (AR) model 10179:Hidden Markov model (HMM) 10113:Schramm–Loewner evolution 9801:(See Sections 7, 8 and 9) 9755:10.1137/S0036141096303359 9287:is Brownian motion, then 8946:be an Itô diffusion with 8800:then, for all Borel sets 8469:on the set {−1, 1}. 7222:Heuristically, for large 6308:) and it is given by the 5351:Laplace-Beltrami operator 2991:and the initial position 2215:The set of all functions 1885:with τ < +∞ 950:is lower semi-continuous. 773:Feller-continuous process 647:sample continuous process 10794:Doléans-Dade exponential 10624:Progressively measurable 10422:Cox–Ingersoll–Ross (CIR) 9739:(1): 1–17 (electronic). 9442:) with compact support: 8632:is a Brownian motion in 8021: < +∞, and 4278:) = 0 for all 3358:) is in some sense the " 3146:satisfies the following 2253:. One can show that any 1192:It is easy to show that 43:This article includes a 11014:Mathematical statistics 11004:Large deviations theory 10834:Infinitesimal generator 10695:Maximal ergodic theorem 10614:Piecewise-deterministic 10216:Random dynamical system 10081:Markov additive process 7990: 7267:The martingale property 6788:and the Gibbs measure μ 6500:Moreover, the density ρ 6143:for some Itô diffusion 6044:, ·) = ρ 4747:denotes the set of all 4316:characteristic operator 4301:characteristic operator 3782:The Feynman–Kac formula 2241:denotes the set of all 2072:infinitesimal generator 1277:conditional expectation 679:, a continuous process 671:of the time parameter, 602:characteristic operator 595:infinitesimal generator 72:more precise citations. 10849:Karhunen–Loève theorem 10784:Cameron–Martin formula 10748:Burkholder–Davis–Gundy 10143:Variance gamma process 9681: 9576: 9362: 9274: 9115: 8903: 8791: 8600: 8402: 8262: 8177: 7964: 7731: 7623: 7401: 7212: 7055: 6965: 6775: 6679: 6589: 6491: 6394: 6271: 6126: 5948: 5848: 5731: 5551:The resolvent operator 5534: 5486: 5422: 5304: 5236: 5201: 4938: 4870: 4817: 4741: 4701: 4622: 4592: 4499: 4335: 4218: 3977: 3772: 3565:Fokker–Planck equation 3549:, ·) ∈  3492: 3345: 3131:, ·) ∈  3098: 2975:Fokker–Planck equation 2943: 2700: 2513: 2206: 2033: 1824: 1450: 1183: 953:Feller continuity: if 929: 844:and define, for fixed 750: 618:functions, so it is a 588:strong Markov property 489: 328: 202: 159: 10979:Actuarial mathematics 10941:Uniform integrability 10936:Stratonovich integral 10864:Lévy–Prokhorov metric 10768:Marcinkiewicz–Zygmund 10655:Central limit theorem 10257:Gaussian random field 10086:McKean–Vlasov process 10006:Dyson Brownian motion 9867:Galton–Watson process 9682: 9577: 9363: 9275: 9116: 8904: 8792: 8601: 8467:uniformly distributed 8403: 8263: 8178: 7965: 7732: 7624: 7402: 7213: 7056: 6966: 6776: 6680: 6590: 6506:variational principle 6492: 6395: 6272: 6127: 6036:does not change with 6025:, then the density ρ( 5968:for an Itô diffusion 5949: 5849: 5732: 5535: 5466: 5402: 5310:in local coordinates 5305: 5243:was calculated to be 5218: 5202: 4939: 4871: 4818: 4742: 4702: 4623: 4572: 4500: 4336: 4247:in space, bounded on 4219: 3978: 3773: 3513:(with respect to the 3493: 3346: 3099: 2944: 2701: 2514: 2207: 2034: 1825: 1451: 1184: 940:Lower semi-continuity 930: 751: 545:diffusion coefficient 490: 329: 203: 153: 11054:Time series analysis 11009:Mathematical finance 10894:Reflection principle 10221:Regenerative process 10021:Fleming–Viot process 9836:Stochastic processes 9604: 9449: 9294: 9143: 9005: 8823: 8718: 8521: 8490:hitting distribution 8331: 8296:The harmonic measure 8283:, one can study the 8211: 8204:with expected value 8198:) at a random time τ 8044: 7747: 7740:Hence, as required, 7655: 7448: 7414:is the generator of 7310: 7235:normally distributed 7083: 6989: 6861: 6695: 6605: 6527: 6417: 6319: 6170: 6059: 5972:, i.e. a measure on 5899: 5799: 5615: 5559:of an Itô diffusion 5360: 5290: 4962: 4886: 4838: 4785: 4722: 4638: 4533: 4352: 4341:of an Itô diffusion 4321: 4303:of an Itô diffusion 4001: 3843: 3574: 3411: 3161: 3030: 2747: 2544: 2522:or, in terms of the 2278: 2101: 2074:of an Itô diffusion 1900: 1477: 1307: 1275: ≥ 0, the 1044: 969:above when the time 867: 794:given initial datum 690: 593:the existence of an 380: 371:Lipschitz continuity 234: 181: 11049:Stochastic analysis 10889:Quadratic variation 10884:Prokhorov's theorem 10819:Feynman–Kac formula 10289:Markov random field 9937:Birth–death process 9233: 9067: 8886: 8697:mean value property 8538: 8310:will first leave a 8291:Associated measures 8133: 7551: 7502: 7362: 7279:. However, for any 6282:inverse temperature 5674: 5571:is subtracted from 5265:Riemannian manifold 4911: for all  4759:and all sequences { 4512:form a sequence of 3988:Feynman–Kac formula 3912: 3822:continuous function 3788:Feynman–Kac formula 2926: 2255:compactly-supported 1279:conditioned on the 1103: 1074: 988:The Markov property 977:The Markov property 838:measurable function 736: for all  669:continuous function 600:the existence of a 106:stochastic analysis 104:– specifically, in 11019:Probability theory 10899:Skorokhod integral 10869:Malliavin calculus 10452:Korn-Kreer-Lenssen 10336:Time series models 10299:Pitman–Yor process 9777:Øksendal, Bernt K. 9733:SIAM J. Math. Anal 9677: 9591:compactly embedded 9572: 9358: 9270: 9212: 9111: 9046: 8899: 8872: 8787: 8596: 8524: 8478:compactly embedded 8398: 8258: 8173: 8119: 7960: 7727: 7636:of (Ω, Σ) by 7619: 7537: 7488: 7425:of (Ω, Σ) by 7397: 7348: 7208: 7051: 7017: 6961: 6771: 6675: 6585: 6487: 6405:partition function 6390: 6310:Gibbs distribution 6284:and Ψ :  6267: 6122: 5960:Invariant measures 5944: 5844: 5727: 5660: 5588:resolvent operator 5530: 5300: 5277:Brownian motion on 5237: 5197: 5082: 5065: 4996: 4934: 4913: 4866: 4813: 4737: 4697: 4618: 4570: 4526:in the sense that 4495: 4392: 4331: 4267:as defined above. 4214: 4209: 4032: 3973: 3898: 3768: 3763: 3605: 3488: 3341: 3336: 3192: 3094: 2939: 2912: 2890: 2879: 2795: 2778: 2696: 2615: 2509: 2394: 2377: 2308: 2202: 2137: 2029: 1820: 1818: 1446: 1179: 1169: 1086: 1060: 925: 790:denote the law of 746: 738: 660:(ω) of the noise, 543:σ is known as the 498:for some constant 485: 369:satisfy the usual 361:and σ :  324: 198: 160: 45:list of references 11085: 11084: 11039:Signal processing 10758:Doob's upcrossing 10753:Doob's martingale 10717:Engelbert–Schmidt 10660:Donsker's theorem 10594:Feller-continuous 10462:Rendleman–Bartter 10252:Dirichlet process 10169:Branching process 10138:Telegraph process 10031:Geometric process 10011:Empirical process 10001:Diffusion process 9857:Branching process 9852:Bernoulli process 9710:Dynkin, Eugene B. 9697:Diffusion process 9387:for the operator 7233:is approximately 7201: 7145: 7131: 7016: 6940: 6820:increases. Thus, 6816:must decrease as 6810:Lyapunov function 6568: 6246: 5966:invariant measure 5579:itself using the 5520: 5464: 5443: 5400: 5399: 5183: 5067: 5064: 5041: 4987: 4912: 4677: 4671: 4569: 4490: 4377: 4309:Dirichlet problem 4031: 3820:is taken to be a 3604: 3507:Hermitian adjoint 3373:evolve with time 3191: 2928: 2881: 2878: 2855: 2780: 2777: 2614: 2495: 2379: 2376: 2353: 2299: 2197: 2122: 1168: 1127: 1121: 992:An Itô diffusion 763:Feller continuity 737: 641:An Itô diffusion 637:Sample continuity 574:Feller continuity 223:(Ω, Σ,  221:probability space 189: 118:Langevin equation 98: 97: 90: 16:(Redirected from 11105: 11059:Machine learning 10946:Usual hypotheses 10829:Girsanov theorem 10814:Dynkin's formula 10579:Continuous paths 10487:Actuarial models 10427:Garman–Kohlhagen 10397:Black–Karasinski 10392:Black–Derman–Toy 10379:Financial models 10245:Fields and other 10174:Gaussian process 10123:Sigma-martingale 9927:Additive process 9829: 9822: 9815: 9806: 9794: 9766: 9748: 9717: 9686: 9684: 9683: 9678: 9667: 9634: 9633: 9581: 9579: 9578: 9573: 9562: 9529: 9528: 9516: 9512: 9511: 9507: 9506: 9505: 9504: 9478: 9477: 9472: 9403:Δ on the domain 9402: 9400: 9399: 9396: 9393: 9385:Green's function 9367: 9365: 9364: 9359: 9351: 9327: 9326: 9279: 9277: 9276: 9271: 9266: 9262: 9258: 9249: 9248: 9232: 9231: 9230: 9220: 9206: 9205: 9200: 9185: 9155: 9154: 9120: 9118: 9117: 9112: 9107: 9103: 9099: 9090: 9089: 9077: 9076: 9066: 9065: 9064: 9054: 9040: 9039: 9034: 8974:with respect to 8908: 8906: 8905: 8900: 8885: 8880: 8871: 8853: 8852: 8796: 8794: 8793: 8788: 8783: 8779: 8775: 8774: 8773: 8772: 8747: 8746: 8741: 8605: 8603: 8602: 8597: 8595: 8591: 8584: 8583: 8582: 8581: 8562: 8561: 8556: 8537: 8532: 8508:is the measure μ 8486:harmonic measure 8454: 8452: 8451: 8448: 8445: 8438: 8436: 8435: 8432: 8429: 8407: 8405: 8404: 8399: 8385: 8384: 8375: 8343: 8342: 8302:Harmonic measure 8287:of the process. 8285:harmonic measure 8267: 8265: 8264: 8259: 8254: 8253: 8238: 8237: 8225: 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