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Demuestre que esta martingala local continua es una martingala

Se nos da la siguiente EDE:

$$dX_t=X_tdt+\sqrt{2}X_tdB_t, \quad X_0=1,$$

y

$$F(x,t)=e^{-t}x,\quad t\geq0,\; x\in\mathbb{R}.$$

Se nos pide que apliquemos la fórmula de Ito a $F(t,X_t)$ para $t\geq0$ y determinar una martingala local continua $(M_t)_{t\geq0}$ (a partir de $0$ ) y un proceso de variación continua acotada $(A_t)_{t\geq0}$ tal que $F(t,X_t)=M_t+A_t$ para $t\geq0$ .

Si estoy en lo cierto, $M_t=\int_0^tF_x(s,X_s)dX_s=\int_0^te^{-s}ds+\sqrt{2}\int_0^te^{-s}dB_s$ , $t\geq0$

Ahora, tenemos que demostrar que $M_t$ es una martingala y calcula $\langle M,M\rangle_t$ y $\mathbb{E}[e^{-\tau}X_\tau]$ cuando $\tau=\inf\{t\geq0:X_t=2-t\}$ ¡pero no sé cómo! ¡Se agradece cualquier ayuda!

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user36150 Puntos 8

No es difícil ver que

$$X_t := \exp \left(\sqrt{2} B_t \right)$$

resuelve la EDE dada. (Se puede utilizar la fórmula de Itô para comprobarlo o utilizar algunos métodos estándar para las EDEs lineales para obtener esta solución). Además, por la fórmula de Itô

$$f(t,X_t)-\underbrace{f(0,x_0)}_{x_0} = \sqrt{2} \int_0^t e^{-s} \cdot X_s \, dB_s + \int_0^t e^{-s} \cdot X_s + (-e^{-s} \cdot X_s) \, ds \\ = \sqrt{2} \int_0^t e^{-s} \cdot e^{\sqrt{2} B_s} \,dB_s \\ \Rightarrow f(t,X_t) = \underbrace{\sqrt{2} \int_0^t e^{\sqrt{2} B_s-s} \,dB_s}_{M_t} + \underbrace{x_0}_{A_t}$$

donde $x_0=1$ . Sea

$$g(s,w) := \sqrt{2} \cdot e^{\sqrt{2} B(s,w)-s}$$

Entonces $g \in L^2(\lambda_T \otimes \mathbb{P})$ es decir

$$\int_0^T \int_\Omega g(s,w)^2 \, d\mathbb{P} \, ds <\infty$$

Existe un resultado general que dice que esta condición implica que $M_t$ es una martingala (y no sólo local). Además,

$$\langle M,M \rangle_t = \int_0^t |g(s,w)|^2 \, ds$$

(véase René L. Schilling/Lothar Partzsch: "Brownian Motion - An Introduction to stochastic processes", Teorema 14.13).

En cuanto a la integral $\mathbb{E}(e^{-\tau} \cdot X_\tau)$ : Obsérvese que

$$\tau = \inf\{t \geq 0; X_t=2-t\} = \inf\{t \geq 0; \sqrt{2} B_t = \ln(2-t)\}$$

Ahora dejemos que

$$\sigma := 2\tau = \inf\{t \geq 0; \underbrace{\sqrt{2} B_{\frac{t}{2}}}_{=:W_t} = \ln (2-t/2)\}$$

donde $(W_t)_{t \geq 0}$ es de nuevo un movimiento browniano (propiedad de escala). Así,

$$\mathbb{E}(e^{-\tau} \cdot X_\tau) = \mathbb{E}(e^{-\tau+\sqrt{2} B_\tau}) = \mathbb{E}(e^{-\frac{\sigma}{2}+W_\sigma}) \stackrel{\ast}{=} 1$$

En $(\ast)$ aplicamos la identidad exponencial de Wald (véase el comentario).

Nota: Identidad exponencial de Wald: Sea $(W_t)_{t \geq 0}$ un movimiento browniano y $\sigma$ a $\mathcal{F}_t^W$ -tiempo de parada tal que $\mathbb{E}e^{\sigma/2}<\infty$ entonces $\mathbb{E}(e^{W_\sigma-\frac{\sigma}{2}})=1$ . (véase René L. Schilling/Lothar Partzsch: "Brownian Motion - An Introduction to stochastic processes", Teorema 5.14)

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