對任意的正實數
t
{\displaystyle t}
,一維維納過程在
t
{\displaystyle t}
時刻是一個隨機變量,它的概率密度函數 是:
f
W
t
(
x
)
=
1
2
π
t
e
−
x
2
/
2
t
.
{\displaystyle f_{W_{t}}(x)={\frac {1}{\sqrt {2\pi t}}}e^{-x^{2}/{2t}}.}
這是因為按照維納過程的定義,當
s
=
0
{\displaystyle s=0}
時,可以推出
W
t
{\displaystyle W_{t}}
的分佈:
W
t
=
W
t
−
W
0
∼
N
(
0
,
t
)
.
{\displaystyle W_{t}=W_{t}-W_{0}\sim {\mathcal {N}}(0,t).}
它的數學期望值是零:
E
(
W
t
)
=
0.
{\displaystyle \mathbb {E} (W_{t})=0.}
它的方差 是
t
{\displaystyle t}
:
Var
(
W
t
)
=
E
(
W
t
2
)
−
E
2
(
W
t
)
=
E
(
W
t
2
)
−
0
=
E
(
W
t
2
)
=
t
.
{\displaystyle \operatorname {Var} (W_{t})=\mathbb {E} (W_{t}^{2})-\mathbb {E} ^{2}(W_{t})=\mathbb {E} (W_{t}^{2})-0=\mathbb {E} (W_{t}^{2})=t.}
在維納過程的獨立增量定義中,令
t
2
=
t
{\displaystyle t_{2}=t}
,
s
2
=
t
1
=
s
<
t
{\displaystyle s_{2}=t_{1}=s<t}
,
s
1
=
0
{\displaystyle s_{1}=0}
,那麼
W
s
=
W
t
1
−
W
s
1
∼
N
(
0
,
s
)
{\displaystyle W_{s}=W_{t_{1}}-W_{s_{1}}\sim {\mathcal {N}}(0,s)}
和
W
t
−
W
s
=
W
t
2
−
W
s
2
∼
N
(
0
,
t
−
s
)
{\displaystyle W_{t}-W_{s}=W_{t_{2}}-W_{s_{2}}\sim {\mathcal {N}}(0,t-s)}
是相互獨立的隨機變量,並且
cov
(
W
s
,
W
t
)
=
E
[
(
W
s
−
E
(
W
s
)
)
⋅
(
W
t
−
E
(
W
t
)
)
]
=
E
(
W
s
⋅
W
t
)
=
E
[
W
s
(
W
t
−
W
s
)
]
+
E
(
W
s
2
)
=
E
(
W
s
)
E
(
W
t
−
W
s
)
+
s
=
s
.
{\displaystyle \operatorname {cov} (W_{s},W_{t})=\mathbb {E} \left[(W_{s}-\mathbb {E} (W_{s}))\cdot (W_{t}-\mathbb {E} (W_{t}))\right]=\mathbb {E} (W_{s}\cdot W_{t})=\mathbb {E} [W_{s}\left(W_{t}-W_{s}\right)]+\mathbb {E} (W_{s}^{2})=\mathbb {E} (W_{s})\mathbb {E} \left(W_{t}-W_{s}\right)+s=s\ \ .}
所以兩個不同時刻
0
⩽
s
,
t
{\displaystyle 0\leqslant s,t}
,
W
t
{\displaystyle W_{t}}
與
W
s
{\displaystyle W_{s}}
的協方差 和相關係數 是:
cov
(
W
s
,
W
t
)
=
min
(
s
,
t
)
,
corr
(
W
s
,
W
t
)
=
c
o
v
(
W
s
,
W
t
)
σ
W
s
σ
W
t
=
min
(
s
,
t
)
s
t
=
min
(
s
,
t
)
max
(
s
,
t
)
.
{\displaystyle \operatorname {cov} (W_{s},W_{t})=\min(s,t)\,,\qquad \quad \operatorname {corr} (W_{s},W_{t})={\mathrm {cov} (W_{s},W_{t}) \over \sigma _{W_{s}}\sigma _{W_{t}}}={\frac {\min(s,t)}{\sqrt {st}}}={\sqrt {\frac {\min(s,t)}{\max(s,t)}}}\,.}
維納過程中的即時最大值
M
t
=
max
0
≤
s
≤
t
W
s
{\displaystyle M_{t}=\max _{0\leq s\leq t}W_{s}}
與
W
t
{\displaystyle W_{t}}
的聯合概率分佈是:
f
M
t
,
W
t
(
m
,
w
)
=
2
(
2
m
−
w
)
t
2
π
t
e
−
(
2
m
−
w
)
2
2
t
,
m
≥
0
,
w
≤
m
{\displaystyle f_{M_{t},W_{t}}(m,w)={\frac {2(2m-w)}{t{\sqrt {2\pi t}}}}e^{-{\frac {(2m-w)^{2}}{2t}}},m\geq 0,w\leq m}
而即時最大值的分佈
f
M
t
{\displaystyle f_{M_{t}}}
是對
−
∞
<
w
≤
m
{\displaystyle -\infty <w\leq m}
的積分:
f
M
t
(
m
)
=
∫
−
∞
m
f
M
t
,
W
t
(
m
,
w
)
d
w
=
∫
−
∞
m
2
(
2
m
−
w
)
t
2
π
t
e
−
(
2
m
−
w
)
2
2
t
d
w
=
2
π
t
e
−
m
2
2
t
{\displaystyle f_{M_{t}}(m)=\int _{-\infty }^{m}f_{M_{t},W_{t}}(m,w)\,dw=\int _{-\infty }^{m}{\frac {2(2m-w)}{t{\sqrt {2\pi t}}}}e^{-{\frac {(2m-w)^{2}}{2t}}}\,dw={\sqrt {\frac {2}{\pi t}}}e^{\frac {-m^{2}}{2t}}}
即時最大值的數學期望值是[ 3] :114 :
E
M
t
=
∫
0
∞
m
f
M
t
(
m
)
d
m
=
∫
0
∞
m
2
π
t
e
−
m
2
2
t
d
m
=
2
t
π
.
{\displaystyle \mathbb {E} M_{t}=\int _{0}^{\infty }mf_{M_{t}}(m)\,dm=\int _{0}^{\infty }m{\sqrt {\frac {2}{\pi t}}}e^{\frac {-m^{2}}{2t}}\,dm={\sqrt {\frac {2t}{\pi }}}.}
由於維納過程上下對稱,即時最小值顯然是即時最大值的相反數 。
將一個維納過程不斷按比例展開,它的一部分就會呈現另一個維納過程的樣子
尺度不變性:對任意的正實數
α
>
0
{\displaystyle \alpha >0}
,隨機過程
(
V
t
)
t
⩾
0
:
V
t
=
1
α
W
α
t
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{t\geqslant 0}:\,\,V_{t}={\frac {1}{\sqrt {\alpha }}}W_{\alpha t}}
都仍然是一個維納過程。
時間反轉:對任意的正實數
T
>
0
{\displaystyle T>0}
,隨機過程
(
V
t
)
0
⩽
t
⩽
T
:
V
t
=
W
T
−
W
T
−
t
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{0\leqslant t\leqslant T}:\,\,V_{t}=W_{T}-W_{T-t}}
和
(
W
t
)
0
⩽
t
⩽
T
{\displaystyle \left(W_{t}\right)_{0\leqslant t\leqslant T}}
性質相同。
空間對稱:隨機過程
(
V
t
)
t
⩾
0
:
V
t
=
−
W
t
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{t\geqslant 0}:\,\,V_{t}=-W_{t}}
也是一個維納過程。
時間反演:隨機過程
(
V
t
)
t
⩾
0
:
V
0
=
0
,
∀
t
>
0
,
V
t
=
t
W
1
t
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{t\geqslant 0}:\,\,V_{0}=0,\,\,\forall t>0,\,\,V_{t}=tW_{\frac {1}{t}}}
也是一個維納過程。
參考資料:[ 2] :13 、[ 4] :44
維納過程具有馬可夫性質 ,也就是說,在任意一點之後的走勢僅僅和這一點的取值相關,而與之前的取值無關。也就是說,對任何的有界連續函數
ϕ
{\displaystyle \phi }
,
E
[
ϕ
(
W
s
,
s
⩾
t
)
|
F
t
]
=
E
[
ϕ
(
W
s
,
s
⩾
t
)
|
W
t
]
{\displaystyle \mathbb {E} [\phi (W_{s},s\geqslant t)|{\mathcal {F}}_{t}]=\mathbb {E} [\phi (W_{s},s\geqslant t)|W_{t}]}
因此維納過程具有時間平移不變性:隨機過程
(
V
t
)
t
⩾
0
:
V
t
=
W
t
0
+
t
−
W
t
0
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{t\geqslant 0}:\,\,V_{t}=W_{t_{0}+t}-W_{t_{0}}}
也是一個維納過程。不僅如此,維納過程還滿足強馬可夫性質:對任意的有限停時
τ
{\displaystyle \tau }
,隨機變量
B
t
=
W
τ
+
t
−
W
τ
{\displaystyle B_{t}=W_{\tau +t}-W_{\tau }}
獨立於濾波
F
τ
{\displaystyle {\mathcal {F}}_{\tau }}
。也就是說,對任何的有界連續函數
ϕ
{\displaystyle \phi }
,
E
[
ϕ
(
W
s
,
s
⩾
τ
)
|
F
τ
]
=
E
[
ϕ
(
W
s
,
s
⩾
τ
)
|
W
τ
]
.
{\displaystyle \mathbb {E} [\phi (W_{s},s\geqslant \tau )|{\mathcal {F}}_{\tau }]=\mathbb {E} [\phi (W_{s},s\geqslant \tau )|W_{\tau }].}
維納過程的強馬可夫性質,說明即便給定的時間不是定時而是一個停時,維納過程在停時之後的走勢仍然與之前無關。所以,將停時之後的維納過程上下反轉,仍然會是一個維納過程。用數學語言來說,就是:給定一個停時
τ
{\displaystyle \tau }
之後,隨機變量:
B
t
=
W
t
1
t
⩽
τ
+
(
2
W
τ
−
W
t
)
1
t
>
τ
{\displaystyle B_{t}=W_{t}\mathbf {1} _{t\leqslant \tau }+\left(2W_{\tau }-W_{t}\right)\mathbf {1} _{t>\tau }}
也是一個維納過程。這個性質也稱為維納過程的反射原理。
作為推論,可以建立即時最大值
M
t
=
max
0
≤
s
≤
t
W
s
{\displaystyle M_{t}=\max _{0\leq s\leq t}W_{s}}
與
W
t
{\displaystyle W_{t}}
的另一種關係。設有正實數
a
>
0
{\displaystyle a>0}
停時
τ
a
=
inf
{
t
>
0
,
W
t
>
a
}
{\displaystyle \tau _{a}=\inf\{t>0,\,W_{t}>a\}}
,那麼
{
τ
a
⩽
t
}
=
{
M
t
⩾
a
}
{\displaystyle \{\tau _{a}\leqslant t\}=\{M_{t}\geqslant a\}}
。運用反射原理可以證明,
P
(
M
t
⩾
a
)
=
2
P
(
W
t
⩾
a
)
=
P
(
|
W
t
|
⩾
a
)
{\displaystyle \mathbb {P} \left(M_{t}\geqslant a\right)=2\mathbb {P} \left(W_{t}\geqslant a\right)=\mathbb {P} \left(|W_{t}|\geqslant a\right)}
。更一般地,設有
a
>
b
⩾
0
{\displaystyle a>b\geqslant 0}
,則
P
(
W
t
⩽
b
,
M
t
⩾
a
)
=
P
(
W
t
⩾
2
a
−
b
)
{\displaystyle \mathbb {P} \left(W_{t}\leqslant b,\,M_{t}\geqslant a\right)=\mathbb {P} \left(W_{t}\geqslant 2a-b\right)}
。
^ (英文) Rick Durrett. Probability: theory and examples ,4th edition. Cambridge University Press. 2000. ISBN 0521765390 .
^ 2.0 2.1 2.2 (英文) Peter Mörters, Yuval Peres. Brownian Motion . Cambridge University Press Cambridge Series in Statistical and Probabilistic Mathematics. 2010. ISBN 9780521760188 .
^ (英文) Steven E. Shreve. Stochastic Calculus for Finance II: Continuous Time Models . Springer. 2008. ISBN 978-0-387-40101-0 .
^ Nizar Touzi, Peter Tankov. Calcul Stochastique en Finance . Les Éditions de l'École Polytechnique. 2010.
Kleinert, Hagen , Path Integrals in Quantum Mechanics, Statistics, Polymer Physics, and Financial Markets , 4th edition, World Scientific (Singapore, 2004); Paperback ISBN 981-238-107-4 (also available online: PDF-files (頁面存檔備份 ,存於互聯網檔案館 ))
Stark,Henry, John W. Woods , Probability and Random Processes with Applications to Signal Processing , 3rd edition, Prentice Hall (New Jersey, 2002); Textbook ISBN 0-13-020071-9
Daniel Revuz and Marc Yor, Continuous martingales and Brownian motion , second edition, Springer-Verlag 1994.