standard brownian motion

8/7/2019 standard Brownian motion

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P a g e 5 - 1

5 . B r o w n i a n m o t i o n

S e c t i o n 1 . T h e d e n i t i o n a n d s o m e s i m p l e p r o p e r t i e s .

S e c t i o n 2 . V i s u a l i z i n g B r o w n i a n m o t i o n . D i s c u s s i o n a n d d e m y s -

t i c a t i o n o f s o m e s t r a n g e a n d s c a r y p a t h o l o g i e s .

S e c t i o n 3 . T h e r e e c t i o n p r i n c i p l e .

S e c t i o n 4 . C o n d i t i o n a l d i s t r i b u t i o n o f B r o w n i a n m o t i o n a t s o m e

p o i n t i n t i m e , g i v e n o b s e r v e d v a l u e s a t s o m e o t h e r t i m e s .

S e c t i o n 5 . E x i s t e n c e o f B r o w n i a n m o t i o n . H o w t o c o n s t r u c t

B r o w n i a n m o t i o n f r o m f a m i l i a r o b j e c t s .

S e c t i o n 6 . B r o w n i a n b r i d g e . A p p l i c a t i o n t o t e s t i n g f o r u n f o r -

m i t y .

S e c t i o n 7 . A b o u n d a r y c r o s s i n g p r o b l e m s o l v e d i n t w o w a y s :

d i e r e n t i a l e q u a t i o n s a n d m a r t i n g a l e s .

S e c t i o n 8 . D i s c u s s i o n o f s o m e i s s u e s a b o u t p r o b a b i l i t y s p a c e s

a n d m o d e l i n g .

B r o w n i a n m o t i o n i s o n e o f t h e m o s t f a m o u s a n d f u n d a m e n t a l o f s t o c h a s t i c p r o c e s s e s .

T h e f o r m u l a t i o n o f t h i s p r o c e s s w a s i n s p i r e d b y t h e p h y s i c a l p h e n o m e n o n o f B r o w n i a n m o -

t i o n , w h i c h i s t h e i r r e g u l a r j i g g l i n g s o r t o f m o v e m e n t e x h i b i t e d b y a s m a l l p a r t i c l e s u s p e n d e d

i n a u i d , n a m e d a f t e r t h e b o t a n i s t R o b e r t B r o w n w h o o b s e r v e d a n d s t u d i e d i t i n 1 8 2 7 . A

p h y s i c a l e x p l a n a t i o n o f B r o w n i a n m o t i o n w a s g i v e n b y E i n s t e i n , w h o a n a l y z e d B r o w n i a n

m o t i o n a s t h e c u m u l a t i v e e e c t o f i n n u m e r a b l e c o l l i s i o n s o f t h e s u s p e n d e d p a r t i c l e w i t h t h e

m o l e c u l e s o f t h e u i d . E i n s t e i n ' s a n a l y s i s p r o v i d e d h i s t o r i c a l l y i m p o r t a n t s u p p o r t f o r t h e

a t o m i c t h e o r y o f m a t t e r , w h i c h w a s s t i l l a m a t t e r o f c o n t r o v e r s y a t t h e t i m e | s h o r t l y a f t e r

1 9 0 0 . T h e m a t h e m a t i c a l t h e o r y o f B r o w n i a n m o t i o n w a s g i v e n a r m f o u n d a t i o n b y N o r -

b e r t W i e n e r i n 1 9 2 3 ; t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l w e w i l l s t u d y i s a l s o k n o w n a s t h e W i e n e r

p r o c e s s . "

A d m i t t e d l y , i t i s p o s s i b l e t h a t y o u m i g h t n o t s h a r e a n a l l - c o n s u m i n g f a s c i n a t i o n f o r t h e

m o t i o n o f t i n y p a r t i c l e s o f p o l l e n i n w a t e r . H o w e v e r , t h e r e p r o b a b l y a r e a n y n u m b e r o f

t h i n g s t h a t y o u d o c a r e a b o u t t h a t j i g g l e a b o u t r a n d o m l y . S u c h p h e n o m e n a a r e c a n d i d a t e s

f o r m o d e l i n g v i a B r o w n i a n m o t i o n , a n d t h e h u m b l e B r o w n i a n m o t i o n p r o c e s s h a s i n d e e d

c o m e t o o c c u p y a c e n t r a l r o l e i n t h e t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n s o f s t o c h a s t i c p r o c e s s e s . H o w

d o e s i t t i n t o t h e b i g p i c t u r e ? W e h a v e s t u d i e d M a r k o v p r o c e s s e s i n d i s c r e t e t i m e a n d

h a v i n g a d i s c r e t e s t a t e s p a c e . W i t h c o n t i n u o u s t i m e a n d a c o n t i n u o u s s t a t e s p a c e , t h e

p r o s p e c t a r i s e s t h a t a p r o c e s s m i g h t h a v e c o n t i n u o u s s a m p l e p a t h s . T o s p e a k a b i t r o u g h l y

f o r a m o m e n t , M a r k o v p r o c e s s e s t h a t h a v e c o n t i n u o u s s a m p l e p a t h s a r e c a l l e d d i u s i o n s .

B r o w n i a n m o t i o n i s t h e s i m p l e s t d i u s i o n , a n d i n f a c t o t h e r d i u s i o n s c a n b e b u i l t u p

f r o m B r o w n i a n m o t i o n s i n v a r i o u s w a y s . B r o w n i a n m o t i o n a n d d i u s i o n s a r e u s e d a l l t h e

t i m e i n m o d e l s i n a l l s o r t s o f e l d s , s u c h a s n a n c e i n m o d e l i n g t h e p r i c e s o f s t o c k s , f o r

S t o c h a s t i c P r o c e s s e s J . C h a n g , J u n e 1 , 1 9 9 9


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P a g e 5 - 2 5 . B R O W N I A N M O T I O N

e x a m p l e , e c o n o m i c s , q u e u e i n g t h e o r y , e n g i n e e r i n g , a n d b i o l o g y . J u s t a s a p o l l e n p a r t i c l e

i s c o n t i n u a l l y b u e t e d b y c o l l i s i o n s w i t h w a t e r m o l e c u l e s , t h e p r i c e o f a s t o c k i s b u e t e d

b y t h e a c t i o n s o f m a n y i n d i v i d u a l i n v e s t o r s . B r o w n i a n m o t i o n a n d d i u s i o n s a l s o a r i s e

a s a p p r o x i m a t i o n s f o r o t h e r p r o c e s s e s ; m a n y p r o c e s s e s c o n v e r g e t o d i u s i o n s w h e n l o o k e d

a t i n t h e r i g h t w a y . I n f a c t , i n a s e n s e d o e s n o n - s e n s e c o u n t ? , B r o w n i a n m o t i o n i s t o

s t o c h a s t i c p r o c e s s e s a s t h e s t a n d a r d n o r m a l d i s t r i b u t i o n i s t o r a n d o m v a r i a b l e s : j u s t a s

t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n a r i s e s a s a l i m i t d i s t r i b u t i o n f o r s u i t a b l y n o r m a l i z e d s e q u e n c e s o f

r a n d o m v a r i a b l e s , B r o w n i a n m o t i o n i s a l i m i t i n d i s t r i b u t i o n o f c e r t a i n s u i t a b l y n o r m a l i z e d

s e q u e n c e s o f s t o c h a s t i c p r o c e s s e s . R o u g h l y s p e a k i n g , f o r m a n y p r o c e s s e s , i f y o u l o o k a t

t h e m f r o m f a r a w a y a n d n o t e x c e s s i v e l y c a r e f u l l y , t h e y l o o k n e a r l y l i k e B r o w n i a n m o t i o n

o r d i u s i o n s , j u s t a s t h e d i s t r i b u t i o n o f a s u m o f m a n y i i d r a n d o m v a r i a b l e s l o o k s n e a r l y

n o r m a l .

5 . 1 T h e d e n i t i o n

L e t ' s s c a n t h r o u g h t h e d e n i t i o n r s t , a n d t h e n c o m e b a c k t o e x p l a i n s o m e o f t h e w o r d s i n

i t .

5 . 1 D e f i n i t i o n . A s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n S B M f W t : t 0 g i s a s t o c h a s t i c

p r o c e s s h a v i n g

i c o n t i n u o u s p a t h s ,

i i s t a t i o n a r y , i n d e p e n d e n t i n c r e m e n t s , a n d

i i i W t N 0 ; t f o r a l l t 0 .

T h e l e t t e r W " i s o f t e n u s e d f o r t h i s p r o c e s s , i n h o n o r o f N o r b e r t W i e n e r . T h e n a g a i n ,

t h e r e i s a l s o a n o b j e c t c a l l e d t h e W i e n e r s a u s a g e " s t u d i e d i n p h y s i c s .

T h e d e n i t i o n c o n t a i n s a n u m b e r o f i m p o r t a n t t e r m s . F i r s t , i t i s a l w a y s w o r t h p o i n t i n g

o u t t h a t a s t o c h a s t i c p r o c e s s W i s r e a l l y a f u n c t i o n W : R ! R , a n d t h u s m a y b e

v i e w e d i n t w o w a y s : a s a c o l l e c t i o n o f r a n d o m v a r i a b l e s " a n d a s a r a n d o m f u n c t i o n " o r

r a n d o m p a t h " . T h a t i s , W = W t ; ! . F o r e a c h x e d t , W t ; i s a r e a l - v a l u e d f u n c t i o n

d e n e d o n , t h a t i s , a r a n d o m v a r i a b l e . S o W i s a c o l l e c t i o n o f r a n d o m v a r i a b l e s . W e w i l l

u s e b o t h n o t a t i o n s W t a n d W

t

f o r t h e r a n d o m v a r i a b l e W t ; . F o r x e d ! , W ; ! i s

a r e a l - v a l u e d f u n c t i o n d e n e d o n R

+

; s u c h a f u n c t i o n c o u l d b e v i e w e d a s a p a t h . " T h u s

W i s a r a n d o m f u n c t i o n , o r r a n d o m p a t h . W h i c h b r i n g s u s t o t h e n e x t i t e m : c o n t i n u o u s

p a t h s . B y t h i s w e m e a n t h a t

P f ! 2 : W ; ! i s a c o n t i n u o u s f u n c t i o n g = 1 :

N e x t , t h e i n d e p e n d e n t i n c r e m e n t s r e q u i r e m e n t m e a n s t h a t f o r e a c h n a n d f o r a l l c h o i c e s

o f t i m e s 0 t

0

t

1

t

n

1 , t h e r a n d o m v a r i a b l e s W t

1

, W t

0

; W t

2

,

W t

1

; : : : ; W t

n

, W t

n , 1

a r e i n d e p e n d e n t . T h e t e r m s t a t i o n a r y i n c r e m e n t s m e a n s

t h a t t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e i n c r e m e n t W t

,W s d e p e n d s o n l y o n t

,s . N o t e t h a t f r o m



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5 . 1 . T H E D E F I N I T I O N P a g e 5 - 3

t h e r e q u i r e m e n t t h a t W t N 0 ; t , w e c a n s e e t h a t W 0 = 0 w i t h p r o b a b i l i t y o n e . F r o m

t h i s , u s i n g i i a n d i i i o f t h e d e n i t i o n ,

W t , W s W t , s , W 0 = W t , s N 0 ; t , s

f o r s t . T h u s :

T h e i n c r e m e n t t h a t a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n m a k e s o v e r

a t i m e i n t e r v a l o f l e n g t h h i s n o r m a l l y d i s t r i b u t e d w i t h m e a n

0 a n d v a r i a n c e h .

A s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n h a s a c o n s t a n t m e a n o f 0 , s o t h a t i t h a s n o d r i f t , " a n d

i t s v a r i a n c e i n c r e a s e s a t a r a t e o f 1 p e r s e c o n d . F o r n o w t a k e t h e u n i t o f t i m e t o b e 1

s e c o n d . A s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n i s a s t a n d a r d i z e d v e r s i o n o f a g e n e r a l B r o w n i a n

m o t i o n , w h i c h n e e d n o t h a v e W 0 = 0 , m a y h a v e a n o n z e r o d r i f t " , a n d h a s a v a r i a n c e

p a r a m e t e r "

2

t h a t i s n o t n e c e s s a r i l y 1 .

5 . 2 D e f i n i t i o n . A p r o c e s s X i s c a l l e d a ;

2

B r o w n i a n m o t i o n i f i t c a n b e w r i t t e n

i n t h e f o r m

X t = X 0 + t + W t ;

w h e r e W i s a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n .

N o t i c e t h a t t h e m e a n a n d v a r i a n c e o f a ;

2

B r o w n i a n m o t i o n i n c r e a s e a t r a t e a n d

2

p e r s e c o n d , r e s p e c t i v e l y .

T h i s s i t u a t i o n h e r e i s a n a l o g o u s t o t h a t w i t h n o r m a l d i s t r i b u t i o n s , w h e r e Z N 0 ; 1

i s c a l l e d a s t a n d a r d " n o r m a l r a n d o m v a r i a b l e , a n d g e n e r a l n o r m a l r a n d o m v a r i a b l e s a r e

o b t a i n e d b y m u l t i p l y i n g a s t a n d a r d n o r m a l r a n d o m v a r i a b l e b y s o m e t h i n g a n d a d d i n g

s o m e t h i n g .

5 . 3 E x e r c i s e A s o j o u r n t i m e p r o b l e m . L e t X t = t + W t , w h e r e W i s a

s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n a n d 0

i F o r 0 , n d t h e e x p e c t e d t o t a l a m o u n t o f t i m e t h a t t h e p r o c e s s X s p e n d s i n t h e

i n t e r v a l 0 ; . T h a t i s , d e n i n g

T =

Z

1

0

I f X t 2 0 ; g d t ;

w h a t i s E T ? A r a t h e r i n v o l v e d c a l c u l u s c a l c u l a t i o n s h o u l d e v e n t u a l l y a r r i v e a t a s t r i k i n g l y

s i m p l e a n s w e r .

i i C a n y o u g i v e a c o n v i n c i n g b u t c a l c u l a t i o n - f r e e a r g u m e n t w h y t h e s i m p l e a n s w e r i s c o r r e c t ?

5 . 4 E x e r c i s e A n o t h e r s o j o u r n t i m e p r o b l e m . A s i n t h e p r e v i o u s p r o b l e m , l e t

X t = t + W t , w h e r e W i s a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n a n d 0 . W h a t i s t h e e x p e c t e d



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5 . 1 . T H E D E F I N I T I O N P a g e 5 - 5

T o c h e c k t h i s , w e ' l l c h e c k t h a t X s a t i s e s t h e c o n d i t i o n s i n t h e l a s t c h a r a c t e r i z a t i o n .

T o s t a r t w e a s k : i s X a G a u s s i a n p r o c e s s ? G i v e n n , t

1

; : : : ; t

n

, a n d a

1

; : : : ; a

n

, w e h a v e

a

1

X t

1

+ + a

n

X t

n

= a

1

t

1

W 1 = t

1

+ + a

n

t

n

W 1 = t

n

;

w h i c h , b e i n g a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f W e v a l u a t e d a t v a r i o u s t i m e s , h a s a n o r m a l d i s t r i b u -

t i o n . T h u s , t h e f a c t t h a t W i s a G a u s s i a n p r o c e s s i m p l i e s t h a t X i s a l s o . N e x t , o b s e r v e

t h a t t h e p a t h c o n t i n u i t y o f X i s a l s o a s i m p l e c o n s e q u e n c e o f t h e p a t h c o n t i n u i t y o f W : i f

t 7! W t i s c o n t i n u o u s , t h e n s o i s t 7! t W 1 = t . W e l l , t h i s p r o v e s t h a t w i t h p r o b a b i l i t y o n e

X = X t i s c o n t i n u o u s f o r a l l p o s i t i v e t . F o r t = 0 , i f y o u b e l i e v e t h a t l i m

s ! 1

W s = s = 0

w i t h p r o b a b i l i t y o n e | w h i c h i s e m i n e n t l y b e l i e v a b l e b y t h e S L L N | t h e n m a k i n g t h e s u b -

s t i t u t i o n s = 1 = t g i v e s l i m

t ! 0

t W 1 = t = 0 w i t h p r o b a b i l i t y 1 , s o t h a t X i s a l s o c o n t i n u o u s

a t t = 0 . L e t ' s l e a v e i t a t t h i s f o r n o w . T h e f a c t t h a t X t h a s m e a n 0 i s t r i v i a l . F i n a l l y ,

t o c h e c k t h e c o v a r i a n c e f u n c t i o n o f X , l e t s t a n d o b s e r v e t h a t

C o v X s ; X t = C o v s W

1

s

; t W

1

t

= s t C o v W

1

s

; W

1

t

= s t

1

s

1

t

= s t

1

t

= s :

T h u s , X i s a S B M .

5 . 7 E x e r c i s e B r o w n i a n s c a l i n g " . S u p p o s e t h a t W i s a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n ,

a n d l e t c 0 . S h o w t h a t t h e p r o c e s s X d e n e d b y X t = c

, 1 = 2

W c t i s a l s o a s t a n d a r d

B r o w n i a n m o t i o n .

T h e n e x t e x e r c i s e i s a t y p i c a l e x a m p l e o f t h e u s e o f t h e B r o w n i a n s c a l i n g r e l a t i o n s h i p

t o g e t s u b s t a n t i a l i n f o r m a t i o n a b o u t t h e f o r m o f a f u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i p w i t h l i t t l e e o r t .

5 . 8 E x e r c i s e . I m a g i n e t h a t y o u d o n o t a l r e a d y k n o w t h e a n s w e r t o E x e r c i s e 5 . 4 ; y o u k n o w

o n l y t h a t t h e a n s w e r i s s o m e f u n c t i o n o f a n d

2

. U s e B r o w n i a n s c a l i n g t o a r g u e w i t h o u t

c a l c u l u s t h a t t h e d e s i r e d f u n c t i o n m u s t b e o f t h e f o r m a

2

=

2

f o r s o m e n u m b e r a

5 . 9 E x e r c i s e . S u p p o s e t h a t W i s a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n , a n d l e t c 0 . D e n e

X t = W c + t , W c . S h o w t h a t f X t : t 0 g i s a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n t h a t i s

i n d e p e n d e n t o f f W t : 0 t c g

T h e p r e v i o u s e x e r c i s e s h o w s t h a t B r o w n i a n m o t i o n i s c o n t i n u a l l y r e s t a r t i n g " i n a p r o b -

a b i l i s t i c s e n s e . A t e a c h t i m e c , t h e B r o w n i a n m o t i o n f o r g e t s " i t s p a s t a n d c o n t i n u e s t o

w i g g l e o n j u s t a s i f i t w e r e a n e w , i n d e p e n d e n t B r o w n i a n m o t i o n . T h a t i s , s u p p o s e t h a t w e

k n o w t h a t W c = w , s a y . L o o k a t t h e g r a p h o f t h e p a t h o f W ; w e a r e a s s u m i n g t h e g r a p h

p a s s e s t h r o u g h t h e p o i n t c ; w . N o w i m a g i n e d r a w i n g a n e w s e t o f c o o r d i n a t e a x e s , t r a n s -

l a t i n g t h e o r i g i n t o t h e p o i n t c ; w . S o t h e p a t h n o w g o e s t h r o u g h t h e n e w o r i g i n . E x e r c i s e



6/29


5 . 9 s a y s t h a t i f w e l o o k a t t h e p a t h p a s t t i m e c , r e l a t i v e t o t h e n e w c o o r d i n a t e a x e s , w e

s e e t h e p a t h o f a n e w s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n , i n d e p e n d e n t o f w h a t h a p p e n e d b e f o r e

t i m e c . B r o w n i a n m o t i o n i s a M a r k o v p r o c e s s : g i v e n t h e c u r r e n t s t a t e , f u t u r e b e h a v i o r d o e s

n o t d e p e n d o n p a s t b e h a v i o r .

J u s t a s a b r i e f n o t e i n p a s s i n g , t h e s t r o n g M a r k o v p r o p e r t y i s a n e x t e n s i o n o f t h e r e s t a r t -

i n g p r o p e r t y o f E x e r c i s e 5 . 9 f r o m x e d t i m e s c t o r a n d o m s t o p p i n g t i m e s : F o r a s t o p p i n g

t i m e , t h e p r o c e s s x d e n e d b y X t = W + t , W i s a B r o w n i a n m o t i o n , i n d e p e n -

d e n t o f t h e p a t h o f W u p t o t i m e . W e w i l l d i s c u s s s t o p p i n g t i m e s a b i t m o r e b e l o w , b u t

t h e c o n c e p t i s t h e s a m e a s t h e i d e a f r o m t h e p r e v i o u s c h a p t e r a b o u t m a r t i n g a l e s i n d i s c r e t e

t i m e : a t t i m e t , w e k n o w w h e t h e r o r n o t t b y l o o k i n g a t t h e p a t h o f W u p t o t i m e t . W e

c a n s e e t h e r o l e o f t h i s s o r t o f r e q u i r e m e n t b y s e e i n g t h a t t h e r e s t a r t i n g p r o p e r t y c a n f a i l f o r

a r a n d o m t i m e t h a t i s n ' t a s t o p p i n g t i m e . F o r e x a m p l e , l e t M = m a x f B

t

: 0 t 1 g a n d

l e t = i n f f t : B

t

= M g ; t h i s i s t h e r s t t i m e a t w h i c h B a c h i e v e s i t s m a x i m u m h e i g h t o v e r

t h e t i m e i n t e r v a l 0 ; 1 . C l e a r l y i s n o t a s t o p p i n g t i m e , s i n c e w e m u s t l o o k a t t h e w h o l e

p a t h f B

t

: 0 t 1 g t o d e t e r m i n e w h e n t h e m a x i m u m i s a t t a i n e d . A l s o , t h e r e s t a r t e d

p r o c e s s X t = W + t , W i s n o t a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n ; i n p a r t i c u l a r , b y

d e n i t i o n o f , t h e p r o c e s s f X t g s t a y s b e l o w 0 f o r s o m e t i m e a f t e r t = 0 , w h i c h w e k n o w

h a p p e n s w i t h p r o b a b i l i t y 0 f o r B r o w n i a n m o t i o n .

5 . 1 0 E x e r c i s e O r n s t e i n - U h l e n b e c k p r o c e s s . D e n e a p r o c e s s X b y

X t = e

, t

W e

2 t

f o r t 0 X i s c a l l e d a n O r n s t e i n - U h l e n b e c k p r o c e s s

i F i n d t h e c o v a r i a n c e f u n c t i o n o f X

i i E v a l u a t e t h e f u n c t i o n s a n d

2

, d e n e d b y

x ; t = l i m

h 0

1

h

E X t + h , X t j X t = x

2

x ; t = l i m

h 0

1

h

V a r X t + h , X t j X t = x :

5 . 2 V i s u a l i z i n g B r o w n i a n m o t i o n

F i r s t , f r i e n d s , i t ' s t i m e f o r s o m e f r a n k t a l k a b o u t B r o w n i a n m o t i o n . B r o w n i a n m o t i o n c a n

b e v e r y d i c u l t t o v i s u a l i z e ; i n f a c t , i n v a r i o u s r e s p e c t s i t ' s i m p o s s i b l e . B r o w n i a n m o t i o n

h a s s o m e p a t h o l o g i c a l " f e a t u r e s t h a t m a k e i t s e e m s t r a n g e a n d s o m e w h a t i n t i m i d a t i n g .

P e r s o n a l l y , I r e m e m b e r t h a t a f t e r h a v i n g h e a r d s o m e w e i r d t h i n g s a b o u t B r o w n i a n m o t i o n ,

I f e l t r a t h e r s u s p i c i o u s a n d m i s t r u s t f u l o f i t , a s i f I c o u l d n o t u s e i t w i t h c o n d e n c e o r e v e n

s p e a k o f i t w i t h o u t f e e l i n g a p o l o g e t i c s o m e h o w . W e w i l l n o t d w e l l u n d u l y o n t h e p a t h o l o g i e s

h e r e , b u t I d o n o t w a n t u s t o c o m p l e t e l y a v e r t o u r e y e s , e i t h e r . L e t ' s t r y t o t a k e e n o u g h



7/29

5 . 2 . V I S U A L I Z I N G B R O W N I A N M O T I O N P a g e 5 - 7

o f a p e e k s o t h a t w e w i l l n o t b e f o r e v e r s a d d l e d w i t h t h e f e e l i n g t h a t w e h a v e c h i c k e n e d

o u t c o m p l e t e l y . H o p e f u l l y , s u c h a p e e k w i l l r e s u l t i n a n i m p r o v e d l e v e l o f c o n d e n c e a n d

f a m i l i a r i t y i n w o r k i n g w i t h B r o w n i a n m o t i o n .

W h a t i s a l l t h i s a b o u t p a t h o l o g i e s " ? A f t e r a l l , B r o w n i a n m o t i o n h a s c o n t i n u o u s s a m p l e

p a t h s , a n d c o n t i n u o u s f u n c t i o n s a r e q u i t e n i c e a l r e a d y , a r e n ' t t h e y ? H e r e ' s o n e s l i g h t l y

s t r a n g e f e a t u r e , j u s t t o g e t s t a r t e d . R e c a l l t h a t W 0 = 0 . I t t u r n s o u t t h a t f o r a l m o s t

a l l s a m p l e p a t h s o f B r o w n i a n m o t i o n t h a t i s , f o r a s e t o f s a m p l e p a t h s h a v i n g p r o b a b i l i t y

o n e , f o r a l l 0 , t h e p a t h h a s i n n i t e l y m a n y z e r o s i n t h e i n t e r v a l 0 ; . T h a t i s ,

t h e p a t h c h a n g e s s i g n i n n i t e l y m a n y t i m e s , c u t t i n g t h r o u g h t h e h o r i z o n t a l a x i s i n n i t e l y

m a n y t i m e s , w i t h i n t h e i n t e r v a l 0 ; ; i t d o e s m o r e b e f o r e t i m e t h a n m o s t o f u s d o a l l

d a y . A n o t h e r r a t h e r m i n d - b o g g l i n g p r o p e r t y i s t h a t w i t h p r o b a b i l i t y 1 , a s a m p l e p a t h o f

B r o w n i a n m o t i o n d o e s n o t h a v e a d e r i v a t i v e a t a n y t i m e ! I t ' s e a s y t o i m a g i n e f u n c t i o n s | l i k e

f t = j t j , f o r e x a m p l e | t h a t f a i l t o b e d i e r e n t i a b l e a t i s o l a t e d p o i n t s . B u t t r y t o i m a g i n e

a f u n c t i o n t h a t e v e r y w h e r e f a i l s t o b e d i e r e n t i a b l e , s o t h a t t h e r e i s n o t e v e n o n e t i m e p o i n t

a t w h i c h t h e f u n c t i o n h a s a w e l l - d e n e d s l o p e .

S u c h f u n c t i o n s a r e n o t e a s y t o i m a g i n e . I n f a c t , b e f o r e a r o u n d t h e m i d d l e o f t h e

1 9 t h c e n t u r y m a t h e m a t i c i a n s g e n e r a l l y b e l i e v e d t h a t s u c h f u n c t i o n s d i d n o t e x i s t , t h a t

i s , t h e y b e l i e v e d t h a t e v e r y c o n t i n u o u s f u n c t i o n m u s t b e d i e r e n t i a b l e s o m e w h e r e . T h u s ,

i t c a m e a s q u i t e a s h o c k a r o u n d 1 8 7 0 w h e n K a r l W e i e r s t r a s s p r o d u c e d a n e x a m p l e o f a

n o w h e r e - d i e r e n t i a b l e f u n c t i o n . S o m e i n t h e m a t h e m a t i c a l e s t a b l i s h m e n t r e a c t e d n e g a -

t i v e l y t o t h i s w o r k , a s i f i t r e p r e s e n t e d a n u n d e s i r a b l e p r e o c c u p a t i o n w i t h u g l y , m o n s t r o u s

f u n c t i o n s . P e r h a p s i t w a s n o t u n l i k e t h e w a y a d u l t s m i g h t l o o k u p o n t h e u g l y , n o i s y m u s i c o f

t h e n e x t g e n e r a t i o n . I t i s i n t e r e s t i n g t o r e e c t o n t h e o b s e r v a t i o n t h a t , i n a s e n s e , t h e s a m e

s o r t o f t h i n g h a p p e n e d i n m a t h e m a t i c s m u c h e a r l i e r i n a d i e r e n t c o n t e x t w i t h w h i c h w e a r e

a l l f a m i l i a r . P y t h a g o r u s d i s c o v e r e d t h a t

p

2 | w h i c h h e k n e w t o b e a p e r f e c t l y l e g i t i m a t e

n u m b e r , b e i n g t h e l e n g t h o f t h e h y p o t e n u s e o f a r i g h t t r i a n g l e h a v i n g l e g s o f l e n g t h o n e | i s

i r r a t i o n a l . S u c h n u m b e r s w e r e i n i t i a l l y v i e w e d w i t h g r e a t d i s t r u s t a n d e m b a r r a s s m e n t .

T h e y w e r e t o b e s h u n n e d ; n o t i c e h o w e v e n t h e n a m e i r r a t i o n a l " s t i l l c a r r i e s a n e g a t i v e

c o n n o t a t i o n . A p p a r e n t l y s o m e P y t h a g o r e a n s e v e n t r i e d t o h i d e t h e i r r e g r e t a b l e d i s c o v e r y .

A n y w a y , n o w w e k n o w t h a t i n a s e n s e a l m o s t a l l " n u m b e r s a r e o f t h i s u n d e s i r a b l e " t y p e ,

i n t h e s e n s e t h a t t h e n a t u r a l m e a s u r e s t h a t w e l i k e t o p u t o n t h e r e a l n u m b e r s l i k e L e b e s g u e

m e a s u r e o r d i n a r y l e n g t h p l a c e a l l o f t h e i r m a s s " o n t h e s e t o f i r r a t i o n a l n u m b e r s a n d

n o m a s s o n t h e s e t o f r a t i o n a l n u m b e r s . T h u s , t h e p r o o f o f e x i s t e n c e o f i r r a t i o n a l n u m b e r s

b y p r o d u c i n g a n e x a m p l e o f a p a r t i c u l a r i r r a t i o n a l n u m b e r w a s d w a r f e d b y t h e r e a l i z a t i o n

t h a t i f o n e c h o o s e s a r e a l n u m b e r a t r a n d o m u n d e r t h e m o s t n a t u r a l p r o b a b i l i t y m e a s u r e s ,

t h e r e s u l t w i l l b e a n i r r a t i o n a l n u m b e r w i t h p r o b a b i l i t y 1 . T h e s a m e s o r t o f t u r n a b o u t

h a s o c c u r r e d i n c o n n e c t i o n w i t h t h e s e h o r r i b l e n o w h e r e - d i e r e n t i a b l e f u n c t i o n s . W e i e r -

s t r a s s c o n s t r u c t e d a p a r t i c u l a r f u n c t i o n a n d s h o w e d t h a t i t w a s n o w h e r e d i e r e n t i a b l e . T h e

s t r a n g e n a t u r e o f t h i s d i s c o v e r y w a s t r a n s f o r m e d i n t h e s a m e s e n s e b y B r o w n i a n m o t i o n ,

w h i c h p u t s p r o b a b i l i t y 0 o n n i c e " f u n c t i o n s a n d p r o b a b i l i t y 1 o n n o w h e r e d i e r e n t i a b l e

f u n c t i o n s .

H a v i n g p r e s e n t e d t w o s c a r y p a t h o l o g i e s , l e t u s n o w a r g u e t h a t t h e y a r e n o t r e a l l y a l l

t h a t s t r a n g e o r u n e x p e c t e d . W e ' l l s t a r t w i t h t h e f a c t t h a t a B r o w n i a n m o t i o n W h a s

i n n i t e l y m a n y z e r o s i n t h e i n t e r v a l 0 ; . L e t b b e a n a r b i t r a r y p o s i t i v e n u m b e r , p e r h a p s



8/29


v e r y l a r g e . D o y o u b e l i e v e t h a t a B r o w n i a n m o t i o n w i l l n e c e s s a r i l y h i t 0 i n n i t e l y m a n y

t i m e s i n t h e t i m e i n t e r v a l b ; 1 ? T h i s p r o p o s i t i o n s e e m s t o m e t o b e q u i t e b e l i e v a b l e a n d

n o t a t a l l s c a r y f o r e x a m p l e , b y r e c u r r e n c e c o n s i d e r a t i o n s w e k n o w t h a t a s i m p l e r a n d o m

w a l k w i l l b e h a v e t h i s w a y . W e l l , r e c a l l t h a t X s = s W 1 = s i s a B r o w n i a n m o t i o n . S o

y o u b e l i e v e t h a t X s = s W 1 = s = 0 f o r i n n i t e l y m a n y v a l u e s o f s i n b ; 1 . B u t t h i s

i m p l i e s t h a t W t = 0 f o r i n n i t e l y m a n y v a l u e s o f t i n t h e i n t e r v a l 0 ; 1 = b . M a k i n g t h e

i d e n t i c a t i o n o f 1 = b w i t h s h o w s t h a t t h e s c a r y p a t h o l o g y a n d t h e b e l i e v a b l e p r o p o s i t i o n

a r e t h e s a m e . N o w f o r t h e n o n d i e r e n t i a b i l i t y o f t h e B r o w n i a n p a t h s . T h i s s h o u l d n o t b e

v e r y s u r p r i s i n g , b y t h e a s s u m p t i o n o f i n d e p e n d e n t i n c r e m e n t s . I n d e e d , f o r e a c h t a n d e a c h

0 , t h e i n c r e m e n t W t + , W t i s i n d e p e n d e n t o f t h e i n c r e m e n t W t , W t , , s o

t h a t i t w o u l d j u s t b e t h e w i l d e s t s t r o k e o f l u c k i f t h e i n c r e m e n t s o n b o t h s i d e s o f t m a t c h e d

u p " w e l l e n o u g h f o r W t o b e d i e r e n t i a b l e a t t !

E n o u g h o f t h a t f o r a w h i l e . H o w d o e s B r o w n i a n m o t i o n l o o k a n d b e h a v e ? W e c a n g e t a

g o o d i d e a o f t h e b e h a v i o r o n a r o u g h s c a l e b y s a m p l i n g t h e p r o c e s s a t e v e r y i n t e g e r , s a y . I f

w e a r e l o o k i n g a t t h e p r o c e s s o v e r a l a r g e t i m e i n t e r v a l a n d a r e n o t c o n c e r n e d a b o u t l i t t l e

u c t u a t i o n s o v e r s h o r t t i m e i n t e r v a l s , t h e n t h i s s o r t o f v i e w m a y b e e n t i r e l y a d e q u a t e . I t

i s a l s o v e r y e a s y t o u n d e r s t a n d , s i n c e W 0 ; W 1 ; W 2 ; : : : i s j u s t a r a n d o m w a l k w i t h i i d

s t a n d a r d n o r m a l i n c r e m e n t s . T h i s a v e r y f a m i l i a r , n o n - m y s t e r i o u s s o r t o f p r o c e s s .

1 2 3

W h a t i f w e w a n t t o g e t a m o r e d e t a i l e d p i c t u r e ? L e t ' s z o o m i n o n t h e r s t t e n t h o f a

s e c o n d , s a m p l i n g t h e p r o c e s s i n t i m e i n t e r v a l s o f l e n g t h 0 . 0 1 i n s t e a d o f l e n g t h 1 . T h e n w e

m i g h t g e t a p i c t u r e t h a t l o o k s l i k e t h i s .

.03

.1

.01

-.1

.02



9/29


10/29

P a g e 5 - 1 0 5 . B R O W N I A N M O T I O N

t

b

M a k i n g t h e a b o v e s u b s t i t u t i o n s a n d s o l v i n g f o r P f

b

t g g i v e s

P f

b

t g = 2 P f W

t

b g = 2

1 ,

b

p

t

;

a n i c e e x p l i c i t r e s u l t ! T h i s i s o n e r e a s o n w h y p e o p l e l i k e t o u s e B r o w n i a n m o t i o n i n

m o d e l s | i t s o m e t i m e s a l l o w s e x p l i c i t , t i d y r e s u l t s t o b e o b t a i n e d .

H e r e ' s a n o t h e r e x a m p l e o f a n i c e , e x p l i c i t f o r m u l a . F o r n o w l e t ' s j u s t p r e s e n t i t f o r

e n r i c h m e n t " ; w e ' l l c o m e b a c k t o d e r i v e i t l a t e r . F o r B r o w n i a n m o t i o n X

t

= W

t

+ t w i t h

d r i f t , d e n i n g

b

= i n f

ft : X

t

b

g, w e h a v e

P

f

b

t g = 1 ,

b , t

p

t

+ e

2 b

, b , t

p

t

:

I s n ' t t h a t n e a t ?

5 . 1 1 E x e r c i s e . T h r o u g h o u t l e t W b e a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n .

i D e n i n g

b

= i n f f t : W t = b g f o r b 0 a s a b o v e , s h o w t h a t

b

h a s p r o b a b i l i t y d e n s i t y

f u n c t i o n

f

b

t =

b

p

2

t

, 3 = 2

e

, b

2

= 2 t

f o r t 0

i i S h o w t h a t f o r 0 t

0

t

1

,

P f W t = 0 f o r s o m e t 2 t

0

; t

1

g =

2

t a n

, 1

r

t

1

t

0

, 1

=

2

c o s

, 1

r

t

0

t

1

:

H i n t : T h e l a s t e q u a l i t y i s s i m p l e t r i g o n o m e t r y . F o r t h e p r e v i o u s e q u a l i t y , c o n d i t i o n o n

t h e v a l u e o f W t

0

, u s e p a r t i , a n d F u b i n i o r p e r h a p s i n t e g r a t i o n b y p a r t s .



11/29

5 . 4 . C O N D I T I O N A L D I S T R I B U T I O N S P a g e 5 - 1 1

i i i L e t L = s u p f t 2 0 ; 1 : W

t

= 0 g b e t h e l a s t z e r o o f W o n 0 , 1 . F i n d a n d p l o t t h e

p r o b a b i l i t y d e n s i t y f u n c t i o n o f L . R a t h e r p e c u l i a r , w o u l d n ' t y o u s a y ?

5 . 1 2 E x e r c i s e . L e t X

t

= W

t

+ t b e a B r o w n i a n m o t i o n w i t h d r i f t , a n d l e t 0 . S h o w

t h a t

P f m a x

0 t h

j X

t

j g = o h a s h 0 :

T h a t i s ,

1

h

P f m a x

0 t h

j X

t

j g ! 0 a s h 0 :

H i n t : Y o u m i g h t w a n t t o d o t h e s p e c i a l c a s e = 0 r s t . F o r t h e g e n e r a l c a s e , y o u c a n t r a n s f o r m

t h e p r o b l e m a b o u t X i n t o a n e q u i v a l e n t p r o b l e m a b o u t W , a n d u s e t h e s p e c i a l c a s e t o d o a n

e a s y b o u n d . T h i s s h o u l d n ' t b e a v e r y i n v o l v e d c a l c u l a t i o n . T h i s r e s u l t i s u s e f u l w h e n w e a r e

c a l c u l a t i n g s o m e t h i n g a n d k e e p i n g t e r m s u p t o o r d e r h , a n d w e w a n t t o s h o w t h a t t h e p r o b a b i l i t y

o f e s c a p i n g f r o m a s t r i p c a n b e n e g l e c t e d .

5 . 4 C o n d i t i o n a l d i s t r i b u t i o n s f o r B r o w n i a n m o t i o n

W h a t h a p p e n s b e t w e e n s a m p l e d p o i n t s o f a B r o w n i a n m o t i o n ? T h a t i s , i f w e a r e g i v e n t h e

v a l u e o f B r o w n i a n m o t i o n a t t w o t i m e p o i n t s , w h a t i s t h e c o n d i t i o n a l d i s t r i b u t i o n o f t h e

p r o c e s s b e t w e e n t h o s e t i m e s ?

0ut

?

W e w i l l e x a m i n e t h i s q u e s t i o n i n m o r e d e t a i l w h e n w e d i s c u s s t h e B r o w n i a n b r i d g e i n

S e c t i o n 5 . 6 . F o r n o w w e ' l l j u s t d o w h a t w e n e e d f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f B r o w n i a n m o t i o n

i n t h e n e x t s e c t i o n . S o h e r e i s a p r o b l e m . L e t W b e a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n s o w e

k n o w t h a t W

0

= 0 a n d l e t 0 t u . W h a t i s t h e c o n d i t i o n a l d i s t r i b u t i o n o f W

t

g i v e n

W

u

?

T h e n e x t r e s u l t g i v e s a n i c e w a y o f w o r k i n g w i t h t h e r e l e v a n t n o r m a l d i s t r i b u t i o n s .

5 . 1 3 C l a i m . W

t

, t = u W

u

i s i n d e p e n d e n t o f W

u

.



12/29


T o v e r i f y t h i s , j u s t n o t e t h a t

C o v W

t

, t = u W

u

; W

u

= t u , t = u u u = t , t = u u = 0 ;

a n d r e c a l l t h a t j o i n t l y G a u s s i a n v a r i a b l e s a r e i n d e p e n d e n t i f t h e y h a v e z e r o c o v a r i a n c e .

T h i s s i m p l e c l a i m m a k e s e v e r y t h i n g e a s y . T o g e t t h e c o n d i t i o n a l m e a n E W

t

j W

u

,

o b s e r v e t h a t

0 = E W

t

, t = u W

u

a

= E W

t

, t = u W

u

j W

u

= E W

t

j W

u

, t = u W

u

;

w h e r e a f o l l o w s f r o m t h e c l a i m . T h u s ,

E W

t

j W

u

= t = u W

u

:

T h i s r e l a t i o n m a k e s s e n s e ; u n d o u b t e d l y y o u w o u l d h a v e g u e s s e d i t f r o m t h e p i c t u r e ! T h e

c o n d i t i o n a l m e a n o f B r o w n i a n m o t i o n i s o b t a i n e d b y l i n e a r l y i n t e r p o l a t i n g b e t w e e n t h e

p o i n t s w e a r e g i v e n .

F o r t h e c o n d i t i o n a l v a r i a n c e ,

V a r W

t

j W

u

= E W

t

, E W

t

j W

u

2

j W

u

= E W

t

, t = u W

u

2

j W

u

a

= E W

t

, t = u W

u

2

= t t , 2 t = u t u + t = u

2

u u

= t , 2 t

2

= u + t

2

= u = t

1 ,

t

u

=

t u , t

u

;

w h e r e w e h a v e a g a i n u s e d t h e c l a i m a t a . T h e f u n c t i o n a l f o r m t u , t = u f o r t h e c o n d i t i o n a l

v a r i a n c e m a k e s s o m e q u a l i t a t i v e s e n s e a t l e a s t : n o t i c e t h a t i t a p p r o a c h e s 0 a s t a p p r o a c h e s

e i t h e r o f t h e t w o p o i n t s 0 o r u , w h i c h m a k e s s e n s e . A l s o , f o r x e d u , t h e c o n d i t i o n a l v a r i a n c e

i s m a x i m i z e d b y t a k i n g t i n t h e m i d d l e : t = u = 2 .

I n s u m m a r y , w e h a v e f o u n d t h a t f o r 0 t u

L W

t

j W

u

= N

t

u

W

u

;

t u , t

u

:

O b s e r v e t h a t t h e c o n d i t i o n a l v a r i a n c e d o e s n o t d e p e n d o n W

u

! D o e s t h i s s u r p r i s e y o u ?

F o r e x a m p l e , t o t a k e a n e x t r e m e e x a m p l e , w e h a v e f o u n d t h a t t h e c o n d i t i o n a l d i s t r i b u t i o n

o f W 1 = 2 g i v e n t h a t W 1 = 1 0 b i l l i o n i s n o r m a l w i t h m e a n 5 b i l l i o n a n d v a r i a n c e 1 4 !

H o w d o y o u f e e l a b o u t t h a t ? I n t h i s e x a m p l e , s h o u l d w e r e a l l y c l a i m t h a t W 1 = 2 i s w i t h i n

1 . 5 t h a t ' s 3 s t a n d a r d d e v i a t i o n s o f 5 b i l l i o n w i t h p r o b a b i l i t y 0 . 9 9 7 ? W e l l , t h a t i s w h a t

i s i m p l i e d b y t h e B r o w n i a n m o t i o n m o d e l . H e r e i s o n e s a y t o c o n c e p t u a l i z e w h a t i s g o i n g

o n . I t ' s e x t r e m e l y p a i n f u l f o r a B r o w n i a n m o t i o n t o g e t t o 1 0 b i l l i o n a t t i m e 1 t h a t ' s w h y

i t i s s o e x t r e m e l y r a r e . A m o n g a l l o f t h e p a i n f u l w a y s t h e B r o w n i a n m o t i o n c a n d o t h i s ,

b y f a r t h e l e a s t p a i n f u l i s f o r i t t o s p r e a d t h e p a i n e q u a l l y o v e r t h e t w o s u b i n t e r v a l s 0 , 1 2



13/29

5 . 5 . E X I S T E N C E A N D C O N S T R U C T I O N P a g e 5 - 1 3

a n d 1 2 , 1 , m a k i n g a n i n c r e m e n t o f v e r y n e a r l y 5 b i l l i o n o v e r e a c h . T h i s l a s t p r o p e r t y

o f B r o w n i a n m o t i o n , w h i c h b a s i c a l l y s t e m s f r o m t h e s m a l l t a i l o f t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n ,

c o u l d b e v i e w e d a s a d e f e c t o f t h e m o d e l . I n r e a l l i f e , i f o n e o b s e r v e s a v a l u e t h a t s e e m s

o u t l a n d i s h a c c o r d i n g t o o u r m o d e l , s u c h a s t h e v a l u e W 1 = 1 0 b i l l i o n a s d i s c u s s e d a b o v e ,

i t d o e s n o t s e e m s e n s i b l e t o b e p i g - h e a d e d l y s u r e a b o u t t h e v a l u e o f W 1 = 2 . I n f a c t ,

a n o u t l a n d i s h o b s e r v a t i o n s h o u l d b e a n o c c a s i o n f o r h e a l t h y r e s p e c t f o r t h e l i m i t a t i o n s o f

m o d e l s i n g e n e r a l a n d f o r s k e p t i c i s m a b o u t t h e s u i t a b i l i t y o f t h i s m o d e l i n p a r t i c u l a r , w h i c h

s h o u l d l e a d t o a h u m b l y l a r g e a m o u n t o f u n c e r t a i n t y a b o u t t h e v a l u e o f W 1 = 2 .

5 . 1 4 E x e r c i s e . S h o w t h a t f o r 0 s t u ,

L W

t

j W

s

; W

u

= N

W

s

+

t , s

u , s

W

u

, W

s

;

t , s u , t

u , s

:

H i n t : T h i s m a y b e o b t a i n e d b y a p p l y i n g t h e p r e v i o u s r e s u l t t o t h e B r o w n i a n m o t i o n

~

W d e n e d

b y

~

W v = W s + v

,W s f o r v

0

5 . 1 5 E x e r c i s e . L e t 0 s t u

1 . S h o w t h a t E W

s

W

t

j W

u

=

s

t

E W

2

t

j W

u

2 . F i n d E W

2

t

jW

u

y o u k n o w V a r W

t

jW

u

a n d E W

t

jW

u

! a n d u s e t h i s t o s h o w

t h a t

C o v W

s

; W

t

j W

u

=

s u , t

u

:

5 . 1 6 E x e r c i s e . W h a t i s t h e c o n d i t i o n a l d i s t r i b u t i o n o f t h e v e c t o r W

5

; W

9

; W

1 2

g i v e n t h a t

W

1 0

= 3 ? I t i s a j o i n t n o r m a l d i s t r i b u t i o n ; y o u s h o u l d g i v e t h e 3 1 m e a n v e c t o r a n d 3 3

c o v a r i a n c e m a t r i x .

5 . 5 E x i s t e n c e a n d c o n s t r u c t i o n o f B r o w n i a n m o t i o n O r :

L e t ' s P l a y C o n n e c t - t h e - D o t s

I l i k e t h e w a y D a v i d F r e e d m a n p u t s i t : O n e o f t h e l e a d i n g r e s u l t s o n B r o w n i a n m o t i o n i s

t h a t i t e x i s t s . " I t i s i n d e e d c o m f o r t i n g t o k n o w t h a t w e h a v e n o t b e e n t a l k i n g a b o u t n o t h i n g .

W e w i l l s h o w t h a t B r o w n i a n m o t i o n e x i s t s b y c o n s t r u c t i n g " i t . T h i s m e a n s t h a t w e w i l l

s h o w h o w w e c a n o b t a i n B r o w n i a n m o t i o n b y s o m e h o w p u t t i n g t o g e t h e r o t h e r s i m p l e r ,

m o r e f a m i l i a r t h i n g s w h o s e e x i s t e n c e w e a r e n o t w o r r i e d a b o u t . W h y d o I w a n t t o d o t h i s ?

I t i s n o t b e c a u s e I t h i n k t h a t a m a t h e m a t i c a l p r o o f o f t h e e x i s t e n c e o f B r o w n i a n m o t i o n i s

s o m e h o w l e g a l l y n e c e s s a r y b e f o r e w e c a n d o a n y t h i n g e l s e a l t h o u g h I s u p p o s e i t c o u l d b e

a b i t e m b a r r a s s i n g t o b e c a u g h t a n a l y z i n g t h i n g s t h a t d o n o t e x i s t . R a t h e r , i t i s b e c a u s e

I t h i n k t h a t s e e i n g h o w a c o n s t r u c t i o n o f B r o w n i a n m o t i o n w o r k s g i v e s o n e a m u c h b e t t e r ,

m o r e f a m i l i a r " f e e l i n g f o r B r o w n i a n m o t i o n . P e r s o n a l l y , a f t e r h a v i n g h e a r d s o m e w e i r d



14/29


t h i n g s a b o u t B r o w n i a n m o t i o n , I f e l t m u c h l e s s q u e a s y a b o u t i t a f t e r s e e i n g h o w i t c o u l d b e

c o n s t r u c t e d r a t h e r s i m p l y f r o m f a m i l i a r o b j e c t s . F o r g a i n i n g f a m i l i a r i t y a n d u n d e r s t a n d i n g ,

t h e r e ' s n o t h i n g l i k e t a k i n g s o m e t h i n g a p a r t a n d p u t t i n g i t t o g e t h e r a g a i n .

W e w i l l c o n s t r u c t B r o w n i a n m o t i o n o n t h e t i m e i n t e r v a l 0 , 1 ; h a v i n g d o n e t h a t , i t w i l l

b e e a s y t o c o n s t r u c t B r o w n i a n m o t i o n o n 0 ; 1 . W e ' l l d o i t b y a n i n t u i t i v e c o n n e c t - t h e - d o t s

a p p r o a c h , i n w h i c h a t e a c h s t a g e o f t h e c o n s t r u c t i o n w e o b t a i n a m o r e a n d m o r e d e t a i l e d

p i c t u r e o f a s a m p l e p a t h . W e k n o w W 0 = 0 . A t t h e i n i t i a l s t a g e , w e s t a r t w i t h t h e

m o d e s t g o a l o f s i m u l a t i n g t h e v a l u e o f t h e B r o w n i a n m o t i o n a t t i m e 1 . S i n c e w e k n o w t h a t

W 1 N 0 ; 1 , w e c a n d o t h i s b y g o i n g t o o u r c o m p u t e r a n d g e n e r a t i n g a N 0 ; 1 r a n d o m

v a r i a b l e Z

1

; t a k e Z

1

t o b e W 1 . G i v e n j u s t t h e i n f o r m a t i o n t h a t t h e p a t h p a s s e s t h r o u g h

t h e t w o p o i n t s 0 ; 0 a n d 1 ; Z

1

, t h e c o n d i t i o n a l e x p e c t a t i o n i s t h e l i n e a r i n t e r p o l a t i o n X

0

s h o w n i n F i g u r e 1 , t h a t i s , X

0

t = Z

1

t . T h i s w i l l b e o u r r s t c r u d e a p p r o x i m a t i o n t o a

s a m p l e p a t h .

1

X(0) (t)

t

F i g u r e 1

N e x t l e t ' s s i m u l a t e a v a l u e f o r W 1 = 2 . G i v e n t h e v a l u e s w e h a v e a l r e a d y g e n e r a t e d

f o r W 0 a n d W 1 , w e k n o w t h a t W 1 = 2 i s n o r m a l l y d i s t r i b u t e d w i t h m e a n Z

1

= 2 a n d

v a r i a n c e 1 = 2 1 = 2 = 1 = 4 . S i n c e X

0

1 = 2 i s a l r e a d y Z

1

= 2 , w e n e e d o n l y a d d a n o r m a l

r a n d o m v a r i a b l e w i t h m e a n 0 a n d v a r i a n c e 1 4 t o X

0

1 = 2 t o g e t t h e r i g h t d i s t r i b u t i o n .

A c c o r d i n g l y , g e n e r a t e a n o t h e r i n d e p e n d e n t N 0 ; 1 r a n d o m v a r i a b l e Z

2

a n d t a k e W 1 = 2 t o

b e X

0

1 = 2 + 1 = 2 Z

2

. H a v i n g d o n e t h i s , d e n e t h e a p p r o x i m a t i o n X

1

t o b e t h e p i e c e w i s e

l i n e a r p a t h j o i n i n g t h e t h r e e p o i n t s 0 , 0 , 1 = 2 ; W 1 = 2 , a n d 1 ; W 1 a s i n F i g u r e 2 .

1.5

X(1) (t)

t

F i g u r e 2

N o w l e t ' s s i m u l a t e W 1 = 4 a n d W 3 = 4 . N o t i c e h o w t h e c o r r e c t c o n d i t i o n a l m e a n s a r e

a l r e a d y g i v e n b y t h e p i e c e w i s e l i n e a r p a t h X

1

; t h a t i s , E W t j W 0 ; W 1 = 2 ; W 1 =

X

1

t ; t h i s h o l d s f o r a l l t , a n d i n p a r t i c u l a r f o r t = 1 = 4 a n d t = 3 = 4 . T h e c o n d i t i o n a l

v a r i a n c e o f W 1 = 4 g i v e n W 0 , W 1 = 2 , a n d W 1 i s 1 = 4 1 = 4 = 1 = 2 = 1 = 8 . S i m i l a r l y ,

t h e c o n d i t i o n a l v a r i a n c e o f W 3 = 4 i s 1 8 . T h u s , t o s i m u l a t e t h e s e p o i n t s w e g e n e r a t e t w o



15/29

5 . 5 . E X I S T E N C E A N D C O N S T R U C T I O N P a g e 5 - 1 5

m o r e i n d e p e n d e n t s t a n d a r d n o r m a l r a n d o m v a r i a b l e s Z

3

a n d Z

4

, a n d d e n e

W 1 = 4 = X

1

1 = 4 +

1

p

8

Z

3

;

W 3 = 4 = X

1

3 = 4 +

1

p

8

Z

4

:

T h e a p p r o x i m a t i o n X

2

i s t h e n d e n e d t o b e t h e p i e c w i s e l i n e a r i n t e r p o l a t i o n o f t h e s i m -

u l a t e d v a l u e s w e h a v e o b t a i n e d f o r t h e t i m e s 0 , 1 4 , 1 2 , 3 4 , a n d 1 , a s i n F i g u r e 3 .

1.5

X(2) (t)

t

F i g u r e 3

O n e m o r e t i m e : G i v e n t h e v a l u e s s i m u l a t e d s o f a r , e a c h o f W 1 = 8 ; W 3 = 8 ; W 5 = 8 ,

a n d W 7 = 8 h a s c o n d i t i o n a l v a r i a n c e 1 8 1 8 1 4 = 1 1 6 . S o w e c a n s i m u l a t e

W 1 = 8 ; W 3 = 8 ; W 5 = 8 , a n d W 7 = 8 b y m u l t i p l y i n g s o m e m o r e s t a n d a r d n o r m a l

r a n d o m v a r i a b l e s Z

5

; Z

6

; Z

7

; Z

8

b y

p

1 = 1 6 = 1 = 4 a n d a d d i n g t h e s e t o t h e v a l u e s

X

2

1 = 8 ; X

2

3 = 8 ; X

2

5 = 8 , a n d X

2

7 = 8 g i v e n b y t h e p r e v i o u s a p p r o x i m a t i o n . T h e

p i e c e w i s e l i n e a r i n t e r p o l a t i o n g i v e s X

3

.

A n d s o o n . I n g e n e r a l , t o g e t f r o m X

n

t o X

n + 1

, w e g e n e r a t e 2

n

n e w s t a n d a r d n o r m a l r a n d o m v a r i a b l e s Z

2

n

+ 1

; Z

2

n

+ 2

; : : : ; Z

2

n + 1 , m u l t i p l y t h e s e b y

t h e a p p r o p r i a t e c o n d i t i o n a l s t a n d a r d d e v i a t i o n

p

2

, n , 2

= 2

, n = 2 , 1

, a n d a d d t o

t h e v a l u e s X

n

1 = 2

n + 1

; X

n

3 = 2

n + 1

; : : : ; X

n

1 , 1 = 2

n + 1

t o g e t t h e n e w v a l u e s

X

n + 1

1 = 2

n + 1

; X

n + 1

3 = 2

n + 1

; : : : ; X

n + 1

1 , 1 = 2

n + 1

.

5 . 1 7 C l a i m . W i t h p r o b a b i l i t y 1 , t h e s e q u e n c e o f f u n c t i o n s X

1

; X

2

; : : : c o n v e r g e s u n i -

f o r m l y o v e r t h e i n t e r v a l 0 , 1 .

T h e i m p o r t a n c e o f t h e u n i f o r m i t y o f t h e c o n v e r g e n c e s t e m s f r o m t h e f o l l o w i n g f a c t f r o m

a n a l y s i s :

T h e l i m i t o f a u n i f o r m l y c o n v e r g e n t s e q u e n c e o f c o n t i n u o u s f u n c -

t i o n s i s a c o n t i n u o u s f u n c t i o n .

T o a p p r e c i a t e t h e n e e d f o r u n i f o r m i t y o f c o n v e r g e n c e i n o r d e r t o b e g u a r a n t e e d t h a t t h e

l i m i t f u n c t i o n i s c o n t i n u o u s , r e c a l l t h e f o l l o w i n g s t a n d a r d e x a m p l e . F o r n = 1 ; 2 ; : : : c o n s i d e r

t h e f u n c t i o n t 7! t

n

f o r t 2 0 ; 1 . T h e n a s n ! 1 , t h i s c o n v e r g e s t o 0 f o r a l l t 1 w h e r e a s

i t c o n v e r g e s t o 1 f o r t = 1 , s o t h a t t h e l i m i t i s n o t a c o n t i n u o u s f u n c t i o n . S i n c e e a c h o f

t h e f u n c t i o n s X

n

i s c l e a r l y c o n t i n u o u s , t h e c l a i m t h e n i m p l i e s t h a t w i t h p r o b a b i l i t y 1 , t h e

s e q u e n c e X

1

; X

2

; : : : c o n v e r g e s t o a l i m i t f u n c t i o n X t h a t i s c o n t i n u o u s .



16/29


P r o o f : D e n e t h e m a x i m u m d i e r e n c e M

n

b e t w e e n X

n + 1

a n d X

n

b y

M

n

= m a x

t 2 0 ; 1

j X

n + 1

t , X

n

t j :

I t i s c l e a r t h a t i f

P

M

n

1 , t h e n t h e s e q u e n c e o f f u n c t i o n X

1

; X

2

; : : : c o n v e r g e s u n i -

f o r m l y o v e r 0 , 1 . T h u s , i t i s s u c i e n t t o s h o w t h a t P f

P

M

n

1 g = 1 . O b s e r v e t h a t

M

n

= 2

, n = 2 , 1

m a x

f jZ

2

n

+ 1

j;

jZ

2

n

+ 2

j; : : : ;

jZ

2

n + 1 j g:

W e w i l l u s e t h e f o l l o w i n g r e s u l t a b o u t n o r m a l r a n d o m v a r i a b l e s .

5 . 1 8 F a c t . L e t G

1

; G

2

; : : : b e i i d s t a n d a r d n o r m a l r a n d o m v a r i a b l e s , a n d

l e t c b e a n u m b e r g r e a t e r t h a n 2 . T h e n

P f j G

n

j

p

c l o g n f o r a l l s u c i e n t l y l a r g e n g = 1 :

P r o o f : R e m e m b e r t h e t a i l p r o b a b i l i t y b o u n d

P

fG x

g

' x

x

=

1

p

2

e

, x

2

= 2

x

f o r a s t a n d a r d n o r m a l r a n d o m v a r i a b l e G a n d f o r x 0 . F r o m t h i s ,

1

X

n = 1

P f j G

n

j

p

c l o g n g 2

1

p

2

1

X

n = 1

e

, 1 = 2 c l o g n

p

c l o g n

=

r

2

1

X

n = 1

n

, 1 = 2 c

p

c l o g n

;

w h i c h i s n i t e f o r c 2 . T h u s , b y t h e B o r e l - C a n t e l l i l e m m a ,

P f j G

n

j

p

c l o g n i n n i t e l y o f t e n g = 0 ;

w h i c h i s e q u i v a l e n t t o t h e d e s i r e d s t a t e m e n t .

T a k i n g c 2 , t h e f a c t i m p l i e s t h a t w i t h p r o b a b i l i t y 1 ,

M

n

2

, n = 2 , 1

p

c l o g 2

n + 1

h o l d s f o r a l l s u c i e n t l y l a r g e n . T h a t i s ,

P f M

n

2

, n = 2 , 1

p

n + 1

p

c l o g 2 e v e n t u a l l y g = 1 :

T h u s , s i n c e

P

2

, n = 2

p

n + 1 1 , w e h a v e

P

M

n

1 w i t h p r o b a b i l i t y 1 , w h i c h c o m p l e t e s

t h e p r o o f o f C l a i m 5 . 1 7 .

S o w e k n o w t h a t w i t h p r o b a b i l i t y 1 , t h e l i m i t X = l i m

n ! 1

X

n

i s a w e l l - d e n e d , c o n -

t i n u o u s f u n c t i o n . I t r e m a i n s t o c h e c k t h a t X t

N 0 ; t a n d t h e p r o c e s s X h a s s t a t i o n a r y



17/29

5 . 6 . T H E B R O W N I A N B R I D G E P a g e 5 - 1 7

i n d e p e n d e n t i n c r e m e n t s . B y c o n s t r u c t i o n , o u r p r o c e s s X s a t i s e s t h e s e p r o p e r t i e s a t l e a s t

a t a l l d y a d i c r a t i o n a l t , t h a t i s , v a l u e s o f t o f t h e f o r m t = k = 2

n

. F r o m h e r e , o n e u s e s t h e

f a c t t h a t a n y t 2 0 ; 1 i s t h e l i m i t o f s o m e s e q u e n c e o f d y a d i c r a t i o n a l s f t

n

g , s a y ; t h a t i s ,

t = l i m t

n

. S o , b y p a t h c o n t i n u i t y o f t h e X p r o c e s s , X t = l i m X t

n

. T h u s , t h e c o n c l u s i o n

X t N 0 ; t f o l l o w s f r o m t h e f o l l o w i n g f a c t , w h o s e p r o o f i s a n e x e r c i s e .

5 . 1 9 F a c t . S u p p o s e t h a t f Y

n

g i s a s e q u e n c e o f r a n d o m v a r i a b l e s t h a t c o n v e r g e s w i t h

p r o b a b i l i t y 1 t o a l i m i t Y , w i t h P f j Y j 1 g = 1 . S u p p o s e t h a t e a c h Y

n

h a s a n o r m a l

d i s t r i b u t i o n : Y

n

N

n

;

2

n

. S h o w t h a t a s n ! 1 ,

n

a n d

n

c o n v e r g e t o n i t e l i m i t s ,

a n d Y N ;

2

, w h e r e

n

! a n d

n

! .

5 . 2 0 E x e r c i s e . P r o v e t h e f a c t . H i n t : T h i s i s n o t h a r d u s i n g c h a r a c t e r i s t i c f u n c t i o n s o r

m o m e n t g e n e r a t i n g f u n c t i o n s .

T h e s t a t i o n a r y a n d i n d e p e n d e n t i n c r e m e n t s p r o p e r t i e s a r e p r o v e d b y s i m i l a r a r g u m e n t s .

5 . 2 1 E x e r c i s e . C o m p l e t e t h e p r o o f t h a t X i s a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n b y s h o w i n g t h a t

t h e i n c r e m e n t s o f X h a v e t h e r i g h t j o i n t d i s t r i b u t i o n . F o r e x a m p l e , s h o w t h a t f o r 0 t

1

t

2

,

w e h a v e X t

1

N 0 ; t

1

, X t

2

, X t

1

N 0 ; t

2

, t

1

, a n d X t

1

i s i n d e p e n d e n t o f

X t

2

, X t

1

H i n t : J o i n t c h a r a c t e r i s t i c f u n c t i o n s . F o r e x a m p l e , c o n s i d e r E e

i

1

X t

1

+

2

X t

2

, X t

1

5 . 6 T h e B r o w n i a n b r i d g e

A s t a n d a r d B r o w n i a n b r i d g e o v e r t h e i n t e r v a l 0 , 1 i s a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n W

c o n d i t i o n e d t o h a v e W 1 = 0 . P e o p l e s a y t h e B r o w n i a n m o t i o n i s t i e d d o w n " a t t i m e

1 t o h a v e t h e v a l u e 0 . B y E x e r c i s e 5 . 1 5 , w e k n o w t h a t E W t j W 1 = 0 = 0 a n d

C o v W s ; W t j W 1 = 0 = s 1 , t f o r 0 s t 1 .

5 . 2 2 D e f i n i t i o n . A s t a n d a r d B r o w n i a n b r i d g e i s a G a u s s i a n p r o c e s s X w i t h c o n t i n u o u s

p a t h s , m e a n 0 , a n d c o v a r i a n c e f u n c t i o n C o v X s ; X t = s 1 , t f o r 0 s t 1 .

H e r e i s a n e a s y w a y t o m a n u f a c t u r e a B r o w n i a n b r i d g e f r o m a s t a n d a r d B r o w n i a n

m o t i o n : d e n e

X t = W t , t W 1 f o r 0 t 1 : 5 . 2 3

I t i s e a s y a n d p l e a s a n t t o v e r i f y t h a t t h e p r o c e s s X d e n e d t h i s w a y s a t i s e s t h e d e n i t i o n o f

a B r o w n i a n b r i d g e ; I w o u l d n ' t d r e a m o f d e n y i n g y o u t h e p l e a s u r e o f c h e c k i n g i t f o r y o u r s e l f !

N o t i c e t h a t , g i v e n t h e c o n s t r u c t i o n o f s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n W , n o w w e d o n o t h a v e

t o w o r r y a b o u t t h e e x i s t e n c e o r c o n s t r u c t i o n o f t h e B r o w n i a n b r i d g e . A n o t h e r c u r i o u s b u t

s o m e t i m e s u s e f u l f a c t i s t h a t t h e d e n i t i o n

Y t = 1 , t W

t

1 , t

f o r 0 t 1 ; Y 1 = 0 5 . 2 4



18/29


a l s o g i v e s a B r o w n i a n b r i d g e .

5 . 2 5 E x e r c i s e . V e r i f y t h a t t h e d e n i t i o n s 5 . 2 3 a n d 5 . 2 4 g i v e B r o w n i a n b r i d g e s .

5 . 2 6 E x e r c i s e . W e d e n e d t h e B r o w n i a n b r i d g e b y c o n d i t i o n i n g a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n

t o b e 0 a t t i m e 1 . S h o w t h a t w e o b t a i n t h e s a m e B r o w n i a n b r i d g e p r o c e s s i f w e s t a r t w i t h a

; 1 B r o w n i a n m o t i o n a n d c o n d i t i o n i t t o b e 0 a t t i m e 1 .

5 . 6 . 1 A b o u n d a r y c r o s s i n g p r o b a b i l i t y

E a r l i e r , u s i n g t h e r e e c t i o n p r i n c i p l e , w e f o u n d t h e p r o b a b i l i t y t h a t a B r o w n i a n m o t i o n

r e a c h e s a c e r t a i n h e i g h t b y a c e r t a i n t i m e . W h a t i s t h i s p r o b a b i l i t y f o r a B r o w n i a n b r i d g e ?

L e t t i n g W b e a s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n , r e c a l l t h e d e n i t i o n o f t h e r s t h i t t i n g t i m e o f

t h e p o s i t i v e l e v e l b :

b

= i n f f t : W t = b g :

I n t h e s t a n d a r d B r o w n i a n b r i d g e , w e c o n s i d e r e d t h e p a r t i c u l a r c o n d i t i o n W 1 = 0 . I n s t e a d

o f t h e p a r t i c u l a r t i m e 1 a n d t h e p a r t i c u l a r v a l u e 0 , l e t u s c o n s i d e r t h e g e n e r a l c o n d i t i o n

w h e r e w e t i e t h e B r o w n i a n m o t i o n d o w n a t a n a r b i t r a r y t i m e t t o a n a r b i t r a r y v a l u e x , s o

t h a t w e a r e i n t e r e s t e d i n t h e p r o b a b i l i t y P f

b

t j W t = x g . C l e a r l y b y p a t h c o n t i n u i t y

t h e a n s w e r i s 1 i f x

b , s o l e t u s a s s u m e t h a t x b . A d o p t i n g r a t h e r i n f o r m a l n o t a t i o n ,

w e h a v e

P

f

b

t

jW t = x

g=

P f

b

t ; W t 2 d x g

P f W t 2 d x g

: 5 . 2 7

H e u r i s t i c a l l y , d x i s a t i n y i n t e r v a l a r o u n d t h e p o i n t x . O r , s o m e w h a t m o r e f o r m a l l y , t h i n k

o f t h e d x a s s h o r t h a n d f o r a l i m i t i n g s t a t e m e n t | t h e u s u a l l i m i t i n g i d e a o f c o n d i t i o n i n g o n

a r a n d o m v a r i a b l e t a k i n g o n a p a r t i c u l a r v a l u e t h a t h a s p r o b a b i l i t y 0 . W e c a n c a l c u l a t e

t h e r i g h t s i d e o f 5 . 2 7 e x p l i c i t l y a s f o l l o w s :

n u m e r a t o r = P f

b

t g P f W t 2 d x j

b

t g

= P f

b

t g P f W t 2 2 b , d x j

b

t g

= P f W t 2 2 b , d x ;

b

t g

= P f W t 2 2 b , d x g

=

1

p

t

'

2 b , x

p

t

d x

a n d o f c o u r s e

d e n o m i n a t o r =

1

p

t

'

x

p

t

d x ;

s o t h a t

P f

b

t j W t = x g =

'

2 b , x

p

t

'

x

p

t



19/29

5 . 6 . T H E B R O W N I A N B R I D G E P a g e 5 - 1 9

= e x p

h

,

1

2

2 b , x

2

t

+

1

2

x

2

t

i

= e x p

h

, 2 b b , x

t

i

;

a h a n d y f o r m u l a ! O f c o u r s e , i t m a k e s q u a l i t a t i v e s e n s e : t h e p r o b a b i l i t y g o e s t o 0 v e r y

f a s t ! a s b ! 1 , a n d t h e p r o b a b i l i t y i s n e a r l y 1 i f b i s s m a l l o r i f b , x i s s m a l l o r i f t i s

l a r g e .

5 . 2 8 E x e r c i s e . L e t X t = x

0

+ t + W t b e a ;

2

B r o w n i a n m o t i o n s t a r t i n g f r o m

x

0

a t t i m e 0 . W h a t i s t h e p r o b a b i l i t y

P f X s b + c s f o r s o m e s t j X t = x

t

g ?

Y o u r a n s w e r s h o u l d b e a f u n c t i o n o f , , x

0

, x

t

, b , c , a n d t m a y b e n o t d e p e n d i n g o n a l l o f

t h e s e . T h i s s h o u l d n o t r e q u i r e s i g n i c a n t c a l c u l a t i o n , b u t r a t h e r a r e d u c t i o n t o s o m e t h i n g w e

h a v e d o n e .

5 . 6 . 2 A p p l i c a t i o n t o t e s t i n g f o r u n i f o r m i t y

S u p p o s e U

1

; : : : U

n

a r e i i d h a v i n g a d i s t r i b u t i o n F o n 0 , 1 , a n d w e a r e i n t e r e s t e d i n t e s t i n g

t h e h y p o t h e s i s t h a t F i s t h e u n i f o r m d i s t r i b u t i o n F t = t . T h e e m p i r i c a l d i s t r i b u t i o n

f u n c t i o n F

n

i s d e n e d b y

F

n

t =

1

n

n

X

i = 1

I f U

i

t g f o r 0 t 1 :

T h u s , F

n

t i s t h e f r a c t i o n o f t h e s a m p l e t h a t f a l l s i n t h e i n t e r v a l 0 ; t ; t h i s i s a n a t u r a l

e s t i m a t o r o f F t , t h e p r o b a b i l i t y t h a t o n e r a n d o m o b s e r v a t i o n f r o m F f a l l s i n 0 ; t . B y

t h e l a w o f l a r g e n u m b e r s , F

n

t ! F t f o r a l l t a s n ! 1 . S o i f F i s U n i f 0 , 1 , w e

h a v e F

n

t ! t . T h e i d e a o f t h e K o l m o g o r o v - S m i r n o v t e s t i s t o l o o k a t t h e d i e r e n c e

F

n

t , t , a n d r e j e c t t h e u n i f o r m i t y h y p o t h e s i s i f t h e d i e r e n c e g e t s l a r g e e n o u g h a t a n y

t 2 0 ; 1 . T h e q u e s t i o n i s : h o w l a r g e i s l a r g e e n o u g h ? F o r e x a m p l e , w e m i g h t w a n t t o n d

a r e j e c t i o n t h r e s h o l d t h a t g i v e s a p r o b a b i l i t y o f f a l s e r e j e c t i o n o f . 0 5 ; t h a t i s , n d b s o t h a t

P

fm a x F

n

t

,t : t

2 0 ; 1

g= : 0 5 .

A g a i n , t h e S t r o n g L a w o f L a r g e N u m b e r s s a y s t h a t f o r a l l t , t h e d i e r e n c e F

n

t

,t

a p p r o a c h e s 0 a s n ! 1 . A l i m i t d i s t r i b u t i o n i s o b t a i n e d b y m u l t i p l y i n g t h e d i e r e n c e b y

p

n : s i n c e

V a r I f U

1

t g = P f U

1

t g , P f U

1

t g

2

= t 1 , t

t h e C e n t r a l L i m i t T h e o r e m t e l l s u s t h a t

p

n F

n

t , t

D

, ! N 0 ; t 1 , t :

S o d e n e X

n

t =

p

n F

n

t

,t . T h e n , s i m i l a r l y t o t h e a b o v e , s i n c e

C o v 1

f U

1

s g

; 1

f U

1

t g

= P

fU

1

s ; U

1

t

g , P

fU

1

s

g P

fU

1

t

g = s

,s t = s 1

,t



20/29


f o r s t , t h e v e c t o r C e n t r a l L i m i t T h e o r e m t e l l s u s t h a t

X

n

s

X

n

t

=

p

n F

n

s , s

p

n F

n

t , t

D

, ! N

0

0

;

s s

s t

X s

X t

;

w h e r e X i s a B r o w n i a n b r i d g e , a n d , i n g e n e r a l ,

0

B

@

X

n

t

1

.

.

.

X

n

t

k

1

C

A

D

, ! N

0

B

@

0

B

@

0

.

.

.

0

1

C

A

;

0

B

@

t

1

t

1

.

.

.

t

1

t

k

1

C

A

1

C

A

0

B

@

X t

1

.

.

.

X t

k

1

C

A

:

T h u s , a s n ! 1 , t h e j o i n t d i s t r i b u t i o n o f p r o c e s s X

n

s a m p l e d a t a n y n i t e n u m b e r o f t i m e

p o i n t s c o n v e r g e s t o t h e j o i n t d i s t r i b u t i o n t o t h e B r o w n i a n b r i d g e X s a m p l e d a t t h o s e s a m e

t i m e s . T h e r e f o r e , f o r a n y n i t e c o l l e c t i o n o f t i m e s T = f t

1

; : : : ; t

k

g 0 ; 1 ,

l i m

n ! 1

P f m a x f X

n

t : t 2 T g b g = P f m a x f X t : t 2 T g b g

T h i s l e a d s o n e t o s u s p e c t t h a t w e s h o u l d a l s o h a v e

l i m

n ! 1

P f m a x f X

n

t : t 2 0 ; 1 g b g = P f m a x X t : t 2 0 ; 1 b g

I n f a c t , t h i s l a s t c o n v e r g e n c e c a n b e r i g o r o u s l y s h o w n ; t h e p r o o f i s a b i t t o o i n v o l v e d f o r

u s t o g e t i n t o n o w . F o r t h e g e n e r a l s u b j e c t o f w e a k c o n v e r g e n c e o f s t o c h a s t i c p r o c e s s e s

s e e t h e b o o k s C o n v e r g e n c e o f S t o c h a s t i c P r o c e s s e s b y D a v i d P o l l a r d a n d C o n v e r g e n c e o f

P r o b a b i l i t y M e a s u r e s b y P . B i l l i n g s l e y . S i n c e w e k n o w t h e e x a c t e x p r e s s i o n f o r t h e l a s t

p r o b a b i l i t y , w e c a n s a y t h a t

l i m

n ! 1

P f m a x f X

n

t : t 2 0 ; 1 g b g = e

, 2 b

2

:

T h u s , f o r e x a m p l e , s i n c e e

, 2 b

2

= 0 : 0 5 f o r b = 1 : 2 2 , t h e n i f n i s l a r g e w e h a v e

P f m a x f X

n

t : t 2 0 ; 1 g 1 : 2 2 g 0 : 0 5 :

S o w e h a v e f o u n d a n a p p r o x i m a t e a n s w e r t o o u r q u e s t i o n o f s e t t i n g a r e j e c t i o n t h r e s h o l d

i n t h e t e s t f o r u n i f o r m i t y .

5 . 7 T w o A p p r o a c h e s t o a S i m p l e B o u n d a r y C r o s s i n g P r o b -

l e m

L e t W b e s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n a s u s u a l , l e t b 0 , a n d d e n e

b

= i n f f t : W

t

= b g .

R e c a l l t h a t t h e r e e c t i o n p r i n c i p l e g i v e s

P f

b

t g = 2 P f W

t

b g = 2

1 ,

b

p

t

;

f r o m w h i c h , l e t t i n g t ! 1 w i t h b x e d , i t f o l l o w s t h a t P f

b

1 g = 1 . T h a t i s , W i s s u r e

t o c r o s s t h e h o r i z o n t a l l e v e l b e v e n t u a l l y .



21/29

5 . 7 . B O U N D A R Y C R O S S I N G P a g e 5 - 2 1

M o r e g e n e r a l l y , w e c o u l d a s k :

P r o b l e m A : W h a t i s t h e p r o b a b i l i t y

P

fW t = b + t f o r s o m e t

0

g

t h a t t h e p r o c e s s W e v e r c r o s s e s t h e l i n e a r b o u n d a r y b + t ?

C l e a r l y t h e a n s w e r i s 1 i f 0 , a n d w e j u s t o b s e r v e d i n t h e p r e v i o u s p a r a g r a p h t h a t t h e

a n s w e r i s a l s o 1 w h e n = 0 . A c c o r d i n g l y , l e t ' s l o o k a t l i n e a r b o u n d a r i e s h a v i n g p o s i t i v e

s l o p e 0 .

E

EW

N o t e t h a t i f w e s u b t r a c t t f r o m W , w e g e t B r o w n i a n m o t i o n w i t h d r i f t , , a n d i f w e

s u b t r a c t t f r o m t h e l i n e b + t , w e g e t t h e h o r i z o n t a l l e v e l b . T h u s , l e t t i n g X t : = W t , t

a n d d e n i n g t h e s t o p p i n g t i m e

b

b y

b

= i n f

ft : X

t

= b

g, i t i s c l e a r t h a t o u r p r o b l e m i s

e q u i v a l e n t t o t h e f o l l o w i n g p r o b l e m .

P r o b l e m A

0

: F i n d P

,

f

b

1 g . H e r e t h e s u b s c r i p t , " i s a t t a c h e d t o t h e P i n o r d e r

t o r e m i n d u s t h a t t h e B r o w n i a n m o t i o n t h a t w e a r e c o n s i d e r i n g h a s d r i f t , .

E

W

T o s o l v e p r o b l e m s A a n d A

0

, w e w i l l i n f a c t s o l v e t h e f o l l o w i n g b e t t e r " p r o b l e m .

P r o b l e m B : L e t a 0 b a n d b e g i v e n , a n d d e n e T = m i n f

a

;

b

g . W h a t i s t h e

p r o b a b i l i t y

P

,

f

b

a

g = P

,

f X

T

= b g

t h a t t h e B r o w n i a n m o t i o n h i t s t h e l e v e l b b e f o r e t h e l e v e l a ?



22/29


E

W

D

7D

S o l v i n g P r o b l e m B w i l l e n a b l e u s t o s o l v e t h e o t h e r t w o , s i n c e

P

,

f

b

1 g = l i m

a ! , 1

P

,

f

b

a

g

.

5 . 7 . 1 D i e r e n t i a l E q u a t i o n s

W e c o u l d f o r m u l a t e P r o b l e m B i n t e r m s o f a n a b s o r b i n g M a r k o v p r o c e s s . C o n s i d e r a

, , 1 - B r o w n i a n m o t i o n f X

t

g h a v i n g t w o a b s o r b i n g s t a t e s a a n d b . T h e n o u r p r o b l e m i s

t o n d t h e p r o b a b i l i t y t h a t t h e p r o c e s s g e t s a b s o r b e d i n b r a t h e r t h a n a . T h i s s h o u l d h a v e

a f a m i l i a r f e e l t o i t : w e s o l v e d t h i s s o r t o f p r o b l e m f o r n i t e - s t a t e M a r k o v c h a i n s e a r l i e r .

I n f a c t , w e d i d t h i s b y t w o d i e r e n t m e t h o d s , b o t h o f w h i c h s o l v e d t h e g i v e n p r o b l e m

b y s i m u l t a n e o u s l y s o l v i n g t h e w h o l e f a m i l y o f a n a l o g o u s p r o b l e m s s t a r t i n g f r o m a l l o f t h e

p o s s i b l e s t a r t i n g s t a t e s o f t h e c h a i n . T h e r s t m e t h o d u s e d t h e f u n d a m e n t a l m a t r i x . " T h e

s e c o n d m e t h o d i n v o l v e d c o n d i t i o n i n g o n w h a t t h e c h a i n d i d a t t h e r s t s t e p .

H e r e w e w i l l d o t h e s a m e s o r t o f t h i n g , u s i n g t h e c o n t i n u o u s - t i m e a n a l o g o f t h e c o n d i -

t i o n i n g o n w h a t h a p p e n e d a t t h e r s t s t e p " m e t h o d . W e w o n ' t t r y t o b e r i g o r o u s h e r e . L e t

P

x

a n d E

x

d e n o t e p r o b a b i l i t y a n d e x p e c t a t i o n w h e n t h e , , 1 - B r o w n i a n m o t i o n f X

t

g

s t a r t s i n t h e s t a t e X

0

= x . T h e n , d e n i n g t h e f u n c t i o n u x = P

x

f X

T

= b g , P r o b l e m B

a s k s f o r t h e v a l u e o f u 0 , w h i c h w e w i l l n d b y i n f a c t s o l v i n g f o r t h e w h o l e f u n c t i o n u x

f o r x

2 a ; b . C l e a r l y u a = 0 a n d u b = 1 , s o l e t x

2 a ; b . I n c o n t i n u o u s t i m e t h e r e i s

n o r s t s t e p " o f t h e p r o c e s s , b u t w e c a n t h i n k o f c o n d i t i o n i n g o n t h e v a l u e o f X h w h e r e

h i s a t i n y p o s i t i v e n u m b e r . T h i s g i v e s

u x = E

x

P

x

f X

T

= b j X h g = E

x

u X h + o h ;

w h e r e i n t h e l a s t e q u a l i t y w e h a v e u s e d t h e M a r k o v r e s t a r t i n g " p r o p e r t y t o s a y t h a t

P

x

f X

T

= b j X h ; T h g = u X h , a n d E x e r c i s e 5 . 1 2 t o s a y t h a t P

x

f T h g = o h .

N o w s i n c e h i s t i n y , X h w i l l b e v e r y c l o s e t o x w i t h h i g h p r o b a b i l i t y u n d e r P

x

. S o

u X h c a n b e c l o s e l y a p p r o x i m a t e d b y t h e r s t f e w t e r m s o f i t s T a y l o r e x p a n s i o n

u X h = u x + u

0

x X h

,x + 1 = 2 u

0 0

x X h

,x

2

+

:



23/29


C o m b i n i n g t h i s w i t h t h e p r e v i o u s e q u a t i o n g i v e s

u x = u x + u

0

x E

x

X h , x + 1 = 2 u

0 0

x E

x

f X h , x

2

g + :

H o w e v e r , t h e , , 1 - B r o w n i a n m o t i o n f X

t

g s a t i s e s

E

x

X h , x = , h + o h ;

E

x

f X h , x

2

g = h + o h ;

a n d

E

x

f X h , x

k

g = o h f o r k 2 :

T h u s ,

0 = u

0

x , h + 1 = 2 u

0 0

x h + o h ;

s o t h a t , d i v i d i n g t h r o u g h b y h a n d l e t t i n g h 0 , w e s e e t h a t u s a t i s e s t h e d i e r e n t i a l

e q u a t i o n

1 = 2 u

0 0

x , u

0

x = 0 : 5 . 2 9

T h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s a r e u a = 0 a n d u b = 1 . T h i s d i e r e n t i a l e q u a t i o n i s v e r y e a s y

t o s o l v e : t h e g e n e r a l s o l u t i o n i s u x = C e

2 x

+ D w h e r e C a n d D a r e c o n s t a n t s , s o t h e

s o l u t i o n s a t i f y i n g t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s i s

u x =

e

2 x

, e

2 a

e

2 b

, e

2 a

: 5 . 3 0

T h i s i s a h a n d y , e x p l i c i t r e s u l t , f r o m w h i c h t h e s o l u t i o n t o o u r o r i g i n a l p r o b l e m s f o l l o w

e a s i l y . I n p a r t i c u l a r , s i n c e w e w a n t e d o u r B r o w n i a n m o t i o n X t o s t a r t a t 0 , w e a r e i n t e r e s t e d

i n

P

,

f

b

a

g = u 0 =

1 , e

2 a

e

2 b

, e

2 a

:

S i n c e 0 , b y l e t t i n g a ! , 1 w e o b t a i n

P

,

f

b

1 g = l i m

a ! , 1

P

,

f

b

a

g = e

, 2 b

:

L e t ' s p a u s e t o m a k e s u r e t h a t 5 . 3 0 i s c o n s i s t e n t w i t h w h a t w e k n o w a b o u t t h e c a s e s

w h e r e i s n o t p o s i t i v e . I f w e r e n e g a t i v e , s o t h a t , w e r e p o s i t i v e , t h e n w e w o u l d h a v e

o b t a i n e d t h e l i m i t l i m

a ! , 1

u 0 = 1 , w h i c h m a k e s s e n s e , a s w e s a i d b e f o r e : B r o w n i a n

m o t i o n w i t h p o s i t i v e d r i f t i s s u r e t o p a s s t h r o u g h t h e l e v e l b e v e n t u a l l y . W h a t i f = 0 ? I n

t h a t c a s e t h e s o l u t i o n 5 . 3 0 b r e a k s d o w n , r e d u c i n g t o t h e f o r m 0 0 " . W h a t h a p p e n s i s

t h a t t h e d i e r e n t i a l e q u a t i o n 5 . 2 9 b e c o m e s u

0 0

x = 0 , w h o s e s o l u t i o n s a r e l i n e a r f u n c t i o n s

o f x . T h e s o l u t i o n s a t i s f y i n g t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s u a = 0 a n d u b = 1 i s

u x =

x , a

b , a

;

s o t h a t u 0 = a = a , b , w h i c h a p p r o a c h e s 1 a s a ! , 1 , a g a i n a s e x p e c t e d .

I t i s i n t e r e s t i n g t o c o n t e m p l a t e o u r s o l u t i o n s t i l l a b i t m o r e . L e t M d e n o t e t h e m a x i m u m

h e i g h t e v e r a t t a i n e d b y t h e B r o w n i a n m o t i o n , t h a t i s , M = m a x

fX

t

: t

0

g. T h e n w h a t



24/29


w e h a v e f o u n d i s t h a t P

,

f M b g = e

, 2 b

, o r , i n o t h e r w o r d s , M E x p 2 . N o w t h i s

r e s u l t a l s o m a k e s a g o o d d e a l o f s e n s e , a t l e a s t q u a l i t a t i v e l y : w e c o u l d h a v e g u e s s e d t h a t

M s h o u l d b e e x p o n e n t i a l l y d i s t r i b u t e d , s i n c e i t s e e m s i n t u i t i v e l y c l e a r t h a t M s h o u l d h a v e

t h e m e m o r y l e s s p r o p e r t y . T o s e e t h i s , s u p p o s e I t e l l y o u t h a t I o b s e r v e d M t o b e g r e a t e r

t h a n b , a n d I a s k y o u f o r y o u r c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t y t h a t M b + y . T h e n y o u s h o u l d

t h i n k t o y o u r s e l f : H e j u s t t o l d m e t h a t

b

1 . T h e p o r t i o n o f t h e B M p a t h a f t e r t i m e

b

s h o u l d l o o k j u s t l i k e o r d i n a r y B M w i t h d r i f t , , e x c e p t s t a r t e d a t t h e l e v e l b . T h e n y o u

s h o u l d m u t t e r s o m e t h i n g a b o u t t h e s t r o n g M a r k o v p r o p e r t y :

b

i s a s t o p p i n g t i m e . S o I

s h o u l d s a y P

,

f M b + y j M b g = P

,

f M y g . " T h i s i s t h e m e m o r y l e s s p r o p e r t y .

T h e f a c t t h a t t h e p a r a m e t e r o f t h e e x p o n e n t i a l d i s t r i b u t i o n s h o u l d b e 2 d o e s n o t s e e m

o b v i o u s , s o o u r c a l c u l a t i o n h a s g i v e n u s s o m e s u b s t a n t i a l i n f o r m a t i o n . A g a i n , y o u s h o u l d

c h e c k t h a t 2 a t l e a s t m a k e s s o m e c r u d e , q u a l i t a t i v e s e n s e ; f o r e x a m p l e , i t i s m o n o t o n e i n

t h e r i g h t d i r e c t i o n a n d t h a t s o r t o f t h i n g .

5 . 7 . 2 M a r t i n g a l e s

T h e r e s u l t s w e d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r f o r m a r t i n g a l e s i n d i s c r e t e t i m e h a v e

c o u n t e r p a r t s f o r c o n t i n u o u s - t i m e m a r t i n g a l e s . H e r e i s a d e n i t i o n . S u p p o s e t h a t W i s a

s t a n d a r d B r o w n i a n m o t i o n .

5 . 3 1 D e f i n i t i o n . A s t o c h a s t i c p r o c e s s M i s a m a r t i n g a l e w i t h r e s p e c t t o W i f i t s a t i s e s

t h e f o l l o w i n g t w o c o n d i t i o n s :

1 . M i s a d a p t e d t o W ; t h a t i s , f o r e v e r y t , M t i s s o m e d e t e r m i n i s t i c f u n c t i o n o f t h e

p o r t i o n h W i

t

0

: = f W s : 0 s t g o f t h e p a t h o f W u p t o t i m e t .

2 . F o r a l l 0 s t w e h a v e E f M t j h W i

s

0

g = M s .

T h e s e c o n d c o n d i t i o n i s a f a i r g a m e " s o r t o f r e q u i r e m e n t . I f w e a r e p l a y i n g a f a i r g a m e ,

t h e n w e e x p e c t t o n e i t h e r w i n n o r l o s e m o n e y o n t h e a v e r a g e . G i v e n t h e h i s t o r y o f o u r

f o r t u n e s u p t o t i m e s , o u r e x p e c t e d f o r t u n e M t a t a f u t u r e t i m e t s s h o u l d j u s t b e t h e

f o r t u n e M s t h a t w e h a v e a t t i m e s .

T h e i m p o r t a n t o p t i o n a l s a m p l i n g c o n s e r v a t i o n o f f a i r n e s s " p r o p e r t y o f m a r t i n g a l e s

e x t e n d s t o c o n t i n u o u s t i m e . L e t M b e a m a r t i n g a l e w i t h r e s p e c t t o W , a n d s u p p o s e t h a t

w e k n o w t h a t M 0 i s j u s t t h e c o n s t a n t m

0

. B y t h e f a i r g a m e " p r o p e r t y , E M t = m

0

f o r a l l t i m e s t 0 . E x e r c i s e : c h e c k t h i s ! T h a t i s , I c a n s a y s t o p " a t a n y p r e d e t e r m i n e d

t i m e t , l i k e t = 8 , s a y , a n d m y w i n n i n g s w i l l b e f a i r " : E M 8 = m

0

. A s b e f o r e , t h e i s s u e

o f o p t i o n a l s a m p l i n g i s t h i s : I f i s a r a n d o m t i m e , t h a t i s , i s a n o n n e g a t i v e r a n d o m

v a r i a b l e , d o e s t h e e q u a l i t y E M = m

0

s t i l l h o l d ? A s b e f o r e , w e c a n b e a s s u r e d t h a t t h i s

h o l d s i f w e r u l e o u t t w o s o r t s o f o b n o x i o u s b e h a v i o r s : t a k i n g t o o l o n g " a n d t a k i n g b a c k

m o v e s . " T h a t i s , o p t i o n a l s a m p l i n g h o l d s f o r b o u n d e d s t o p p i n g t i m e s .

5 . 3 2 D e f i n i t i o n . W e s a y t h a t a n o n n e g a t i v e r a n d o m v a r i a b l e i s a s t o p p i n g t i m e

w i t h r e s p e c t t o W i f f o r e a c h t i t i s p o s s i b l e t o d e t e r m i n e w h e t h e r o r n o t t j u s t b y

l o o k i n g a t

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. T h a t i s , t h e i n d i c a t o r r a n d o m v a r i a b l e I

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gi s a f u n c t i o n o f

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.



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W e c o u l d a l s o p e r v e r s e l y e

standard brownian motion

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