几何布朗运动的定义
若随机过程 S 满足随机微分方程 dS = dW,其中 和 是分别表示漂移率和波动率的常数,W 是标准布朗运动,则称 S 服从几何布朗运动。
Mike, the Mathematician · YouTube · 6:26
本节通过其随机微分方程引入几何布朗运动的定义,并将伊藤引理作为刻画该过程所用的工具。 本段120-第二次板书引入了几何布朗运动,其随机微分方程为 dS= dW,并陈述了关于 的伊藤引理。讲师寻求形如 的解,通过匹配系数导出方程组 和 _{WW}=,再将第一个方程视为关于 W 的常微分方程求解,得到 。该片段在计算完 、 和 f_{WW} 以代入第二个偏微分方程后结束。 这段时长为120秒的白板推导,求解了几何布朗运动随机微分方程 dS=\,\,dW 的显式解。讲师将伊藤引理应用于试探解 ,通过匹配系数得到偏微分方程组: 和 _{WW}=;将第一个方程解为 ;将所得导数代入第二个方程,消去公共指数因子 ,从而将问题化简为常微分方程 '(t)=();接着写出 ;合并各项因子,得到 ;最后由 得出 。 本视频片段完成了几何布朗运动显式解的数学推导。讲师指出积分常数 由初始条件 确定,并将这一注释写在黑板上;随后他突出显示最终公式 ,并指出该公式刻画了几何布朗运动。黑板上还展示了利用伊藤引理求解底层随机微分方程的完整逐步证明过程。
在学习检查器中查看要点和时刻,或切换阅读标签查看完整笔记。
依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。
视频以标题卡开场,题为“几何布朗运动”,主讲人为密歇根大学迪尔伯恩分校的迈克尔·达布科夫斯基博士。
讲师介绍本主题,指出目标是运用伊藤引理来刻画几何布朗运动。
他开始在黑板上书写正式定义:若一个随机过程 S 满足某个特定的随机微分方程(SDE),则称其服从几何布朗运动。
该随机微分方程写作 dS = dW。讲师说明 和 是常数,分别表示漂移参数与波动率参数,而 W 表示标准布朗运动。
接着,讲师转向分析所需的数学工具,写出伊藤引理:该引理适用于依赖于布朗运动 W 和时间 t 的函数 f。
该引理表述为 df(W,t) = [_{WW}] dW。此公式表明,该函数的微分不仅包含关于变量的标准一阶偏导数项,还额外含有一项关于 W 的二阶导数项,该项源于布朗运动的二次变差。
最后,讲师为推导的下一步做好铺垫,指出将利用刚刚定义的框架来寻求过程 S 的解,但本节在此处结束,尚未展开具体应用。
该片段开场时黑板上已写出几何布朗运动的定义性随机微分方程,以及关于布朗运动与时间的函数的伊藤引理。讲师补充试探解形式,并说明解仅在关于和的函数中寻求。
将试探解代入伊藤公式,并与随机微分方程比较,讲座推导出两个系数匹配条件:扩散项给出,代入后变为;漂移项给出,从而得到。
讲师随后聚焦于第一个方程。由于其中仅出现对的微分,而仅作为参数出现,因此该方程被视作关于的常微分方程,而非真正混合的偏微分方程问题。
求解该常微分方程得到分离形式的解,其中是时间的任意函数。这是与第一个系数条件相容的最一般形式。
为处理第二个偏微分方程,讲师对该候选解进行微分。时间导数为,第一个-导数为,第二个-导数为。本片段结束时,这些表达式已准备好代入。
白板起始处给出几何布朗运动的定义:一个过程 S 满足 dS=\,\,dW,其中 和 为常数。其正下方写出了关于函数 的伊藤引理,讲师进而引入试探解 。
由右侧方程组可知,第一个条件是 ,第二个条件是 _{WW}=。左侧一栏已展示:求解第一个方程可得 ,并列出了后续所需的导数公式。
讲师现在将这些导数代入第二个偏微分方程。得到12φ'(t)²。由于每一项都含有相同的指数因子,他消去了。
消去后,方程化为 '(t)+(),他将其整理为标准的一阶线性常微分方程形式 '(t)=()。
求解该常微分方程得 。将其代回 ,得到显式解 。
最后,在处取值,可知积分常数由初始值确定:。因此,本片段以几何布朗运动解的完全确定形式(仅差初始条件)结束。
教师指向最终解的公式,并解释如何确定未知常数。他指出,本题中的常数必须等于,即该过程在时刻零时的初始值。他在黑板右侧写下‘注:’以阐明这一边界条件。
接着,教师用粉笔将完整表达式框起来。他口头确认,这一特定公式刻画了几何布朗运动,总结了黑板左侧 lengthy 推导所得的结果——该推导利用伊藤引理求解了随机微分方程。
若随机过程 S 满足随机微分方程 dS = dW,其中 和 是分别表示漂移率和波动率的常数,W 是标准布朗运动,则称 S 服从几何布朗运动。
对于标准布朗运动 W 和时间 t 的足够光滑函数 f,伊藤引理给出其微分为 df(W,t) = [_{WW}] dW。其中项 _{WW} dt 反映了布朗运动非零的二次变差。
视频通过过程S所满足的随机微分方程来定义几何布朗运动,其中漂移系数与扩散系数均为常数。
黑板上写出布朗运动与时间的函数的微分,并将dt项贡献与dW项贡献分开。
讲师并未直接求解该随机微分方程,而是将注意力限定于可表示为布朗运动与时间之函数的过程。
将试探形式代入伊藤引理,并与原随机微分方程比较,得到f必须满足的两个方程。
主讲人强调, 仅在 W 上求导,因此 t 视为参数,该方程可作为常微分方程求解。
求解关于 W 的常微分方程,得到一个含 W 的指数因子乘以一个关于 t 的任意函数。
在获得候选形式后,课程中计算将代入剩余方程的各阶导数。
讲座从定义该过程的随机微分方程出发。若一个过程S的无穷小变化与S自身成正比,且具有常数漂移μ和常数波动率σ,则称S为几何布朗运动。
对于关于布朗运动和时间的函数f,其微分包含两部分:dt部分为加上二分之一f_{WW},dW部分为。这一工具将随机微分方程问题转化为关于f的方程组。
讲师设解的形式为。将伊藤展开式与随机微分方程对比,得到f需满足的两个条件:一个来自dW系数,另一个来自dt系数。
将t视为固定,方程作为关于W的指数型方程求解。积分因子可依赖于t,因此解写作含任意函数的形式。
一旦将 f 写成 的形式,所需的偏导数便立即可得。这些公式使得第二个偏微分方程可约化为关于 的常微分方程。
将导数公式代入 _{WW}= 后,每一项都含有公因子 。消去该因子后,得到一个关于确定性函数 的一阶线性常微分方程。
所满足的常微分方程具有标准的指数形式解。此时积分常数记为 。
将 与指数因子 结合,即得到推导所得的闭式解。这是本视频片段的主要结论。
最后,讲师在 处对解进行求值。这表明积分常数恰好等于该过程的初始值。
在几何布朗运动的显式解中,积分常数通过在时刻处对过程进行取值来确定。由于标准布朗运动,将代入解可得。因此,必须等于资产或过程的初始值。
随机微分方程描述了几何布朗运动。通过应用伊藤引理,并假设解具有形式,可推导出显式的闭式解。该公式将过程直接表示为布朗运动、时间、漂移项、波动率以及初始条件的函数。
按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。
主讲人说:“我们称过程 S 服从几何布朗运动。”
字母 S 出现在定义中,随后也出现在随机微分方程(SDE)中。
S
服从几何布朗运动的随机过程。
随机过程
变量 t 出现在随机微分方程(SDE)的微分 dt 中,以及伊藤引理中的 里。
t
时间变量
实数
变量 W 出现在随机微分方程(SDE)的微分 dW 中,也作为伊藤引理中 的自变量出现。
W
标准布朗运动(维纳过程)
随机过程
主讲人说:“其中 mu 和 sigma 为常数。”
希腊字母 mu 出现在随机微分方程(SDE)的漂移项中。
几何布朗运动随机微分方程中的常数漂移参数。
实常数
说话人说:“对于常数 mu 和 sigma”。
希腊字母 sigma 出现在该随机微分方程的扩散项中。
几何布朗运动随机微分方程中的常数波动率参数。
实常数
说话人说:“如果我们考虑 f 关于 W 和 t 的函数”。
在伊藤引理中,函数 f 写作以 (W, t) 为自变量的形式。
一个关于布朗运动 W 和时间 t 的函数,伊藤引理将应用于该函数。
二元函数
偏导数 出现在伊藤引理展开式的首项中。
f 关于时间 t 的偏导数。
函数
二阶偏导数 f_{WW} 在伊藤引理的 dt 项中乘以 。
f_{WW}
函数 f 关于 W 的二阶偏导数。
函数
一阶偏导数 在伊藤引理中乘以 dW。
函数 f 关于 W 的一阶偏导数。
函数
黑板上在定义和试探解 中均展示了过程符号 S。
S
满足几何布朗运动随机微分方程的随机过程。
过程取值;视频未明确给出其具体取值范围。
黑板在随机微分方程中写出 dW,并将 W 作为 的自变量。
W
驱动该随机微分方程的布朗运动。
视频未明确给出定义域。
黑板在随机微分方程中写出 dt,并将 t 作为 的第二个自变量。
t
随机微分方程及试探解 中的时间变量。
视频未明确给出具体的时间区间。
主讲人陈述了几何布朗运动的定义及其对应的随机微分方程。
黑板上写着:‘我们称一个过程 S 遵循几何布朗运动,当且仅当它满足如下随机微分方程:dS = dW,其中 和 为常数。’
若一个随机过程 S 满足指定的随机微分方程,且该方程中的漂移项与波动率项系数均为常数,则称 S 遵循几何布朗运动。
和 是常数
主讲人回顾了关于函数 的伊藤引理。
黑板上写着文字:‘伊藤引理: ⇒ df(W,t) = [_{WW}] dW。’
伊藤引理给出了依赖于标准布朗运动 W 和时间 t 的函数 f 的微分表达式,该表达式同时包含一阶与二阶偏导数,以反映布朗运动的特性。
f 是关于 W 和 t 的足够光滑的函数
黑板顶部第一行:我们称过程 S 服从几何布朗运动,当且仅当它满足如下随机微分方程:dS = dW,其中 和 为常数。
视频通过指定过程 S 必须满足的随机微分方程来定义几何布朗运动,其中系数 和 为常数。
μ 是常数
σ 是常数
黑板第二行:伊藤引理: ⇒ df(W,t) = [_{WW}] dW。
黑板上依据伊藤引理写出 的微分,它由两项组成:一项是含 和二分之一 f_{WW} 的 dt 项,另一项是含 的 dW 项。
应用于布朗运动与时间的函数
视频未明确列出光滑性假设
黑板第三行:寻求形如 的解。
讲师表示,将仅考察以布朗运动和时间为自变量的函数,作为该随机微分方程可能的解类。
为求解该随机微分方程,讲师将注意力限定于可表示为布朗运动与时间之函数的过程。
该方法仅在 (W,t) 的函数中搜索
黑板上写出:由伊藤公式,,且 _{WW} = 。
讲师指出,他们考虑这一组偏微分方程。
将试探解代入伊藤引理,并与随机微分方程比较,得到关于 f 的两个系数匹配方程。
使用关系式
使用随机微分方程 dS = dW
使用伊藤引理
黑板将第一个方程改写为 。
讲师指出,该偏微分方程中不显含 t,因此它实际上只是一个常微分方程。
由于方程 不含对 t 的导数,且仅将 t 视为参数,因此可将其作为关于 W 的常微分方程求解。
为常数
t 仅以参数形式出现
黑板上写出 。
讲师说,这表明 是一个形如 的常数函数。
由 可解得 f 关于 W 呈指数依赖,再乘以一个关于 t 的任意函数。
由 推出
此时 是任意的
黑板上写出 '(t),,以及 f_{WW} = 。
讲师说,他们将取 f 的这种形式代入第二个偏微分方程,并计算 、 和 f_{WW}。
在得到 后,讲师计算第二个偏微分方程所需的各阶导数。
对 使用乘积法则
在 W 上对 和 f_{WW} 进行重复求导
黑板最上方一行写的是:我们称过程 S 服从几何布朗运动,当且仅当它满足如下随机微分方程:dS = mu S dt + sigma S dW,其中 mu 与 sigma 为常数。
视频中将一个过程 S 定义为几何布朗运动,当且仅当它的随机微分方程具有成比例的漂移项与扩散项,且系数 mu 与 sigma 均为常数。
μ 和 σ 是常数
黑板第二行写的是:伊藤引理: ⇒ df(W,t) = [_{WW}] dW。
对于关于布朗运动 W 和时间 t 的函数 f,其微分 df(W,t) 包含一个 dt 项——该项由 f 对时间的偏导数加上 f 对 W 的二阶偏导数的一半构成;还包含一个 dW 项——该项由 f 对 W 的一阶偏导数构成。
f 在 (W,t) 上足够光滑,这是讲座所作的假设
黑板第三行写的是:设解为 。
为求解该随机微分方程,讲者将未知过程 S 设为布朗运动与时间的函数 f。
黑板上写出 以及 _{WW} = 。
讲师指出,根据伊藤引理, 等于 sigma S,且 加上二分之一 f_{WW} 等于 mu S。
若 满足 dS = dW,则 df(W, t) 中的系数必须满足 且 _{WW} = μ f。
S 满足几何布朗运动的随机微分方程
设 S 为形如 的函数
伊藤引理适用于
对于试探解类 ,所展示的恒等式按系数逐项成立。
讲师指出,请注意该偏微分方程中不显含变量 t,这意味着它实际上只是一个常微分方程。
黑板上显示 。
方程 可视为关于 W 的常微分方程,因为 t 不参与求导,仅作为参数出现。
σ 是常数
该方程是关于 W 建立的,而 t 保持固定
对每个固定的 t,该关系式都是关于 W 的常微分方程。
黑板上写出 。
讲师说,这表明 是形如 的函数,其中 是仅关于 t 的函数。
的通解形式为 ,其中 φ 仅依赖于 t。
成立
σ 是常数
存在一个仅关于 t 的函数 ,使得 。
黑板最上方一行写出了几何布朗运动所满足的定义性随机微分方程。
若过程 S 满足 dS = dW,且 μ 与 σ 为常数,则称 S 遵循几何布朗运动。
μ 和 σ 为常数
对于一个过程 S 及常数 μ、σ。
黑板第二行写出了推导中所采用形式的伊藤引理。
对于函数 ,有 df(W,t) = [_{WW}] dW。
本讲假设了应用伊藤引理所需的通常光滑性条件,但未明确陈述这些条件。
对于关于 W 和 t 的足够光滑的函数 f。
黑板右侧展示了应用伊藤引理后通过匹配系数所得的方程组。
若 是该随机微分方程的解,则 f 必须满足 = sigma f 且 _{WW} = mu f。
采用试探解形式 并应用伊藤引理。
针对所求的解 f。
黑板中右部的推导在消去 e^{sigma W} 后,将第二个偏微分方程约化为一个常微分方程。
将 =phi(t)e^{sigma W} 代入第二个偏微分方程,得到 phi'(t) + ( sigma^2 - mu)phi(t)=0,等价地,phi'(t)=(mu - sigma^2)phi(t)。
f(W,t)等于 phi(t)乘以 e 的 sigma W 次方
函数 、、f_{WW} 的导数公式成立。
对所考虑定义域内的所有 t。
黑板底部给出了 S 的最终显式表达式。
推导所得的解为(sigma W + (mu - sigma^2)t),且 当。
mu 和 sigma 为常数。
设解为 是合理的。
使用了常微分方程 phi(t) 的解。
针对讲座中构造的随机过程 S。
黑板上从 出发,接着写出‘由伊藤公式得’,然后写下 和 _{WW} = 。
讲师说:“那么根据伊藤引理,即由伊藤公式可得, 乘以 σS 加上 ,再加上二分之一 f_{WW} 乘以 μS。”
从过程 S 的待定解类出发
板书上写明的试探解形式
对试探函数 应用伊藤引理
伊藤引理已写在黑板上
与几何布朗运动的定义性随机微分方程进行比对
该方程由黑板最上方一行给出
比较两个微分式中 dW 的系数,并代入
代入后的系数比对
比较两个微分式中 dt 的系数,并代入
代入后的系数比对
随机微分方程(SDE)与试探解 一起导出方程组: 以及 _{WW} = 。
黑板上写出:。
讲师指出,第一个偏微分方程表明 等于 sigma 乘以 f;又因 t 未显式出现,这实际上是一个常微分方程,从而解得 。
取偏微分方程组中的第一个方程。
此前通过系数匹配法推导得出。
注意该方程仅对 W 求导,故 t 仅以参数形式出现。
讲座音频中已明确指出。
求解关于 W 的所得常微分方程;积分“常数”可依赖于 t。
形如 y' = 的标准解,其中 t 为参数。
第一个偏微分方程强制要求试探解具有分离变量形式 。
黑板上写出:'(t),,以及 f_{WW} = 。
主讲人表示,他们将采用函数 f 的形式,并将其代入第二个偏微分方程,计算 、 和 f_{WW}。
从第一个偏微分方程所得的一般形式出发。
此前的推导步骤。
对 t 求导,使用乘积法则; 关于 t 是常量。
常规求导法则。
对 W 求导; 关于 W 是常量。
关于 W 的导数。
再次对 W 求导 。
对指数因子重复求导。
这三个导数公式即为代入第二个偏微分方程所需的量。
黑板上展示了假设形式 、伊藤引理,以及由此得到的方程组 { = sigma sigma ; _{WW} = mu mu }。
假设解可表示为布朗运动与时间的函数。
写在黑板上,作为搜索的试探解形式。
对假设的形式应用伊藤引理。
伊藤引理写在黑板上。
与几何布朗运动的定义性随机微分方程(SDE)进行比较。
由黑板最上方一行给出。
通过比较 dW 项和 dt 项的系数,得到关于 f 的两个方程。
伊藤展开式与随机微分方程之间的系数比较。
该随机微分方程被转化为偏微分方程组: 和 _{WW}=。
左栏显示 = sigma f ⇒ = phi(t)e^{sigma W},以及导数列表。
从第一个偏微分方程出发。
由系数匹配得出。
求解关于 W 的一阶方程,允许积分“常数”依赖于 t。
关于 W 的常微分方程的标准解法。
对 t 求导。
对分离形式直接求导。
对 W 求一次导。
对分离形式直接求导。
对 W 求二次导。
对分离形式直接求导。
分离表示法提供了求解第二个偏微分方程所需的精确导数表达式。
中心右侧推导显示 phi'(t)e^{sigma W} + sigma^2 phi(t)e^{sigma W} = phi(t) mu e^{sigma W},然后消去并整理。
讲师指出,结合以上结果,第二个常微分方程意味着 phi'(t)e^{sigma W} + sigma^2 phi(t)e^{sigma W} 必须等于 phi(t) mu e^{sigma W};随后他消去 e^{sigma W} 并整理。
将导数公式代入第二个偏微分方程:_{WW} = 。
使用之前推导出的 和 f_{WW} 的表达式。
从每一项中约去非零公因子 。
代数化简过程在黑板上展示并口头说明。
将该线性常微分方程整理为标准形式。
将 φ 项移至等式右侧。
第二个偏微分方程简化为一阶线性常微分方程:φ'(t) = () 。
黑板上写出 ,接着写出 。
讲师指出该常微分方程的解为 ^{(mu - ²)t},随后写出该随机微分方程的解,并指出 )t}, then writes the solution of the SDE 且 notes 在 时成立。0.
求解关于 的常微分方程。
一阶线性常微分方程的标准指数形式解。
回到 f 的分离形式。
由之前对 的求解得到。
将各因子合并为一个指数函数。
指数函数的代数乘法。
在 处取值,以将常数与初始值对应起来。
视频片段结尾处的口述结论。
显式解为 ,其中 由初始条件 确定。
设解为 。由伊藤引理得:{;fₜ + _{ww} = }。
f 关于 w 的偏导数等于 σ 乘以 f,即 f 关于 W 和 t 的函数等于 φ 关于 t 的函数乘以 e 的 σW 次方。
φ 关于 t 的导数乘以 e 的 σW 次方加上 1 除以 2 再乘以 σ 的 2 次方,再乘以 φ 关于 t 的函数乘以 e 的 σW 次方,等于 φ 关于 t 的函数乘以 μ 再乘以 e 的 σW 次方。
φ 关于 t 的导数加上(1 除以 2 再乘以 σ 的 2 次方减去 μ)再乘以 φ 关于 t 的函数,等于 0;因此 φ 关于 t 的导数等于(μ 减去 1 除以 2 再乘以 σ 的 2 次方)再乘以 φ 关于 t 的函数。
φ 关于 t 的函数等于 c 下标 1 乘以 e 的(μ 减去 1 除以 2 再乘以 σ 的 2 次方)乘以 t 次方。
S 等于 f 关于 W 和 t 的函数,即 c 下标 1 乘以 e 的(σW 加上(μ 减去 1 除以 2 再乘以 σ 的 2 次方)乘以 t)次方。
假设解 S 可表示为布朗运动 W 和时间 t 的函数 f。
待定系数法/试探函数法
对假设的函数 应用伊藤引理。
伊藤引理
将伊藤展开式中 dW 和 dt 的系数,与原随机微分方程 dS = 〔μ〕 S dt + 〔σ〕 S dW 中对应项的系数相等。
随机微分方程的系数匹配
求解关于 W 的偏微分方程 = 〔σ〕 f。
分离变量法/求解关于 W 的一阶常微分方程
将 = 〔φ〕(t)e^{〔σ〕 W} 及其导数代入第二个偏微分方程。
代入
两边同除以非零项 e^{〔σ〕 W},并整理得到关于 〔φ〕(t) 的常微分方程。
代数运算
求解关于 的一阶线性常微分方程。
标准常微分方程求解方法
将 的结果与 W 中的指数项合并,得到 S 的最终显式解。
代回试探解
几何布朗运动过程 S 的显式解为 。
教师用绿色粉笔在黑板上写出几何布朗运动的定义及其随机微分方程。
教师
黑板
绿色粉笔
文字与公式
几何布朗运动的定义及其随机微分方程依次出现在黑板上。
背景保持深色。
讲师始终位于画面左侧。
该视觉事件确立了本视频片段所研究的核心数学对象。
讲师在初始定义下方的黑板上书写伊藤引理。
讲师
黑板
绿色粉笔
文字与公式
关于 的伊藤引理陈述依次呈现在黑板上。
几何布朗运动(GBM)的前述定义仍保留在黑板顶部可见。
该视觉事件引入了用于分析已定义过程的主要数学工具。
一个黑板风格的授课画面:顶部已预先写好三行内容,主讲人在其下方书写新的方程。
几何布朗运动的顶部定义行
中间的伊藤引理行
底部“寻求解”行
讲师在预先写好的文字下方书写
新方程按顺序依次添加在预先写好的设定下方
推导过程从试探解出发,逐步推进至偏微分方程组,再至分离变量形式的解,最后进行导数计算
最上方三行在整个片段中始终可见
画面始终为单个连续的白板授课镜头
视觉结构将给定的定义与工具,同使用它们的实时推导清晰区分开
讲师先用绿色写出含 S 的形式,随后用粉色写出代入后的右端项 〔f〕⋅〔σ〕 和 〔f〕⋅〔μ〕
绿色方程: 和 _{WW}=
粉色附加项: 和
相同的方程通过粉色代入得到扩展,其中 S 被替换为 f。
原始的绿色系数匹配方程仍保留在黑板上。
颜色变化突出了在已匹配系数中进行的代数代入:。
一个大型粉色大括号将两个方程 和 _{WW}= 括在一起。
两个展示出的偏微分方程
大型粉色大括号
这两个独立的方程在视觉上被组合在一起。
加括号过程中,方程本身不发生任何变化。
该大括号提示下一步将这对方程视为一个耦合的偏微分方程组来处理。
黑板上显示 ,后接一个箭头指向 。
方程
箭头
解
推导过程从一个微分条件推进到一个显式的函数形式。
起始方程在箭头旁保持可见。
该箭头标示了解第一个偏微分方程所得到的逻辑结论。
黑板布局分为:顶部定义行、第二行伊藤引理、第三行试探解(ansatz)行、左侧导数列、右侧偏微分方程组,以及居中偏右的推导区——视频中在此区域逐步写出新方程。
顶部定义行
伊藤引理行
试探解行
左导数列
右偏微分方程组
右中部推导区域
讲师代入后写出方程:φ'(t)
然后写出消去后的常微分方程形式
接着写出
最后写出
预先写好的定义、伊藤引理、试探解、导数列及偏微分方程组全程保持可见
视觉布局将问题设定、中间导数计算与最终化简为显式解三个部分清晰分隔
讲师指向两边共有的指数因子,随后写出不含 的简化方程
方程两边均含
不含 的简化方程
从所有项中移除了因子
将剩余各项重写为关于 的常微分方程
μ、σ、 和 φ'(t) 在约去前后保持符号不变
动画明确展示:由于指数因子在每一项中都相同,第二个偏微分方程因此退化为一个常微分方程。
教师在黑板右侧写下‘注:’。
教师的手
粉笔
黑板
黑板上出现文字‘注:’。
黑板上其余数学推导保持不变。
这一视觉事件确立了积分常数 与过程 S 在时刻 的初始值之间的关系。
教师用粉笔在最终公式 周围画了一个粉色方框。
教师的手
粉笔
黑板
在最终解公式周围画了一个粉色矩形框。
公式本身的内容不发生变化。
这一视觉事件强调了推导的主要结果,并将其标识为几何布朗运动的特征公式。
主讲人明确指出:注意这个偏微分方程中不出现变量 t,这意味着它实际上只是一个关于 W 的常微分方程。
人们可能把 当作一个需要同时处理两个变量的完整偏微分方程。
视频指出:由于仅对 W 进行求导,且导数结构中不含 t,因此该方程实质上是以 t 为参数、关于 W 的常微分方程。
黑板上通过设 来求解 ,表明积分因子依赖于 t
有人可能错误地将 中的积分常数当作与 t 无关的真正常数
由于该方程是在固定 t 的前提下求解的,因此乘性因子可以是任意函数 ,而不必是常数
讲师明确说道:‘现在我可以约去一个 e 的 σW 次方因子。’
有人可能试图在将分离形式代入第二个偏微分方程之前就约去
约去操作仅在代入导数之后才有效,从而确保每个项中都出现相同的因子。
主讲人说:“现在,我们将使用伊藤引理来刻画几何布朗运动。”
主讲人明确表示,将把伊藤引理应用于此前定义的几何布朗运动过程。
讲师在试探解下方直接写下‘由伊藤公式’,并从随机微分方程中推导出系数方程。
伊藤引理是应用于试探解的工具,用于将随机微分方程转化为关于函数 f 的偏微分方程条件。
黑板内容从‘寻求形如 的解’过渡到通过匹配系数所得的方程组。
该偏微分方程组依赖于先将解的类别限定为 。
讲师指出,第一个偏微分方程实际上只是一个常微分方程,因为其中不显含变量 t。
偏微分方程组的第一个方程是一种特例,可约化为仅关于 W 的常微分方程。
黑板上显示 = 〔σ〕 f ⇒ = 〔φ〕(t) e^{〔σ〕 W}。
分离形式是通过求解约化后的常微分方程得到的。
在写出 = 〔φ〕(t) e^{〔σ〕 W} 后,讲师由此表达式计算出 、 和 f_{WW}。
导数计算依赖于此前已获得的 f 的一般形式。
板书将随机微分方程(SDE)定义置于伊藤引理之上,再利用该引理推导出偏微分方程(PDE)系统。
对几何布朗运动的随机微分方程应用伊藤引理,从而将问题转化为关于函数 f 的偏微分方程条件。
试探解 之后立即给出‘由伊藤引理得到’的方程组。
只有在假设 S 可表示为 的前提下,才推导出该偏微分方程系统。
求解该方程组中的第一个方程,得到 。
求解该方程组中的第一个偏微分方程,得到后续推导中所采用的分离形式。
将导数列代入第二个偏微分方程,从而得到关于 的常微分方程。
将分离形式及其导数代入第二个偏微分方程,即可导出关于 的常微分方程。
将解 与 相乘,得到最终的 S。
S 的显式解直接由已解出的 形式组装而成。
讲师通过代入 将 与 等同起来。
将初始条件代入显式解,以确定积分常数。
主讲人定义了几何布朗运动。
几何布朗运动的随机微分方程写在黑板上。
主讲人陈述了伊藤引理。
伊藤引理的公式写在黑板上。
黑板顶部一行通过一个随机微分方程定义了几何布朗运动。
第二块黑板上的公式给出了关于 的伊藤引理。
讲师表示,他们仅考虑以布朗运动和时间为自变量的函数作为潜在解的类别。
黑板上由伊藤引理和随机微分方程推导出 和 _{WW}=。
讲师解释说,第一个偏微分方程实际上是一个常微分方程,因为其中不显含 t。
黑板上写出 。
讲师表示,他们将把 f 的该形式代入第二个偏微分方程,并计算 、 和 f_{WW}。
顶行定义了几何布朗运动。
写出伊藤引理,然后用它来匹配系数。
右侧展示了通过系数匹配得到的方程组。
已覆盖 · 标题卡与导言。
已覆盖 · 几何布朗运动的定义及其随机微分方程。
已覆盖 · 关于布朗运动与时间的函数的伊藤引理表述。
已覆盖 · 主讲人开始说明目标:寻求 S 的解,但该片段在进一步推导前结束。
已覆盖 · 预先写好的定义和试探解形式已显示在黑板上,讲师解释了所选解类的理由。
已覆盖 · 讲师应用伊藤引理,并通过匹配系数得到关于 f 的两个方程。
已覆盖 · 第一个方程被单独分离出来,识别为关于 W 的常微分方程,并求解得到 。
已覆盖 · 讲师从试探解形式出发,计算出 、 和 f_{WW},为代入第二个偏微分方程做准备。
已覆盖 · 整个片段是一段连续的白板推导,从几何布朗运动的定义出发,经由显式解的推导,最终确定积分常数。
已覆盖 · 本段视频完整呈现了几何布朗运动推导的结论部分,包括说明积分常数的初始条件,并突出最终公式。
Reviewed English material v1: knowledge_item "Partial derivatives of the separated form" at 4:00 至 6:00 — Differentiating =phi(t)e^{sigma W} gives the time derivative 且 the first 且 second W-derivatives needed for the second PDE.
已审核中文素材 v1:knowledge_item「分离变量形式的各阶偏导数」出现在 4:00 至 6:00——对 =phi(t)e^{sigma W} 求导,可得第二个偏微分方程所需的关于时间 t 的导数以及关于 W 的一阶和二阶导数。