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2022-06-01
英文标题:
《Martingale Benamou--Brenier: a probabilistic perspective》
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作者:
Julio Backhoff-Veraguas, Mathias Beiglb\\\"ock, Martin Huesmann, Sigrid
  K\\\"allblad
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最新提交年份:
2019
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英文摘要:
  In classical optimal transport, the contributions of Benamou-Brenier and McCann regarding the time-dependent version of the problem are cornerstones of the field and form the basis for a variety of applications in other mathematical areas.   We suggest a Benamou-Brenier type formulation of the martingale transport problem for given $d$-dimensional distributions $\\mu, \\nu $ in convex order. The unique solution $M^*=(M_t^*)_{t\\in [0,1]}$ of this problem turns out to be a Markov-martingale which has several notable properties: In a specific sense it mimics the movement of a Brownian particle as closely as possible subject to the conditions $M^*_0\\sim\\mu, M^*_1\\sim \\nu$. Similar to McCann\'s displacement-interpolation, $M^*$ provides a time-consistent interpolation between $\\mu$ and $\\nu$. For particular choices of the initial and terminal law, $M^*$ recovers archetypical martingales such as Brownian motion, geometric Brownian motion, and the Bass martingale. Furthermore, it yields a natural approximation to the local vol model and a new approach to Kellerer\'s theorem.   This article is parallel to the work of Huesmann-Trevisan, who consider a related class of problems from a PDE-oriented perspective.
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中文摘要:
在经典的最优运输中,贝纳莫·布雷尼尔(BenamouBrenier)和麦肯(McCann)对该问题的时间相关版本的贡献是该领域的基石,并为其他数学领域的各种应用奠定了基础。对于给定的凸序$d$维分布,我们提出了鞅输运问题的Benamou-Brenier型公式。这个问题的唯一解$M ^*=(M\\u t ^*){t\\in[0,1]}$是一个马尔可夫鞅,它有几个显著的性质:在特定意义上,它尽可能地模仿布朗粒子的运动,受条件$M ^*\\u 0\\sim\\mu,M ^*\\u 1\\sim\\nu$的约束。与McCann的位移插值类似,M ^*$提供了$\\ mu$和$\\ nu$之间的时间一致性插值。对于初始定律和终端定律的特殊选择,$M ^*$恢复了原型鞅,如布朗运动、几何布朗运动和Bass鞅。此外,它还为局部vol模型提供了一种自然近似,并为Kellerer定理提供了一种新的方法。本文与Huesmann Trevisan的工作平行,他从面向PDE的角度考虑了一类相关的问题。
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分类信息:

一级分类:Mathematics        数学
二级分类:Probability        概率
分类描述:Theory and applications of probability and stochastic processes: e.g. central limit theorems, large deviations, stochastic differential equations, models from statistical mechanics, queuing theory
概率论与随机过程的理论与应用:例如中心极限定理,大偏差,随机微分方程,统计力学模型,排队论
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一级分类:Mathematics        数学
二级分类:Classical Analysis and ODEs        经典分析与颂歌
分类描述:Special functions, orthogonal polynomials, harmonic analysis, ODE\'s, differential relations, calculus of variations, approximations, expansions, asymptotics
特殊函数、正交多项式、调和分析、Ode、微分关系、变分法、逼近、展开、渐近
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一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:Mathematical Finance        数学金融学
分类描述:Mathematical and analytical methods of finance, including stochastic, probabilistic and functional analysis, algebraic, geometric and other methods
金融的数学和分析方法,包括随机、概率和泛函分析、代数、几何和其他方法
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2022-6-1 06:10:01
BENAMOU-BRENIER鞅:概率观点。BACKHOFF-VERAGUAS、M.BEIGLB¨OCK、M.HUESMANN和S.K¨ALLBLADAbstract。在经典的最优运输中,Benamou–Brenier和McCann关于该问题的时间依赖性版本的贡献是该领域的基石,并为其他数学领域的各种应用奠定了基础。对于给定的d维分布u,ν,我们提出了鞅输运问题的Benamou-Brenier型公式。唯一的解决方案M*=(M)*t) t型∈这个问题的[0,1]被证明是一个马尔可夫鞅,它有几个显著的性质:在特定意义上,它尽可能接近地模仿布朗粒子的运动,受条件M的影响*~ u,M*~ ν. 类似于McCann的位移插值,M*在u和ν之间提供时间一致的插值。对于初始和终止定律的特殊原因,M*恢复原型鞅,如布朗运动、几何布朗运动和Bass鞅。此外,它还简化了对局部vol模型的自然逼近和对Kellerer定理的一种新方法。本文与HuesmannTrevisan的工作平行,他从面向PDE的角度考虑了一类相关的问题。关键词:最优运输,鞅,弱运输问题,Brenier定理,Benamou Brenier,循环单调性,因果运输,Knothe-Rosenblatt耦合,Schr¨odinger问题。数学学科分类(2010):小学60G42、60G44;次级91G20.1。简介最佳运输作为一个数学领域的根源可以追溯到Monge[48]和Kantorovich[37],他们建立了其现代公式。贝纳莫、布雷尼尔和麦肯(19、20、16、47)的开创性成果是其在过去几十年急剧发展的重要诱因。
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2022-6-1 06:10:04
今天,该领域因其在数学物理和PDE理论、几何和泛函不等式等领域的突出应用而闻名。我们参考[56,57,2,53]对该理论进行了全面的阐述。最近,人们还对运输计划必须满足附加鞅约束的最优运输问题感兴趣。这类问题自然出现在反金融中,但也具有独立的数学意义,例如,它们对鞅不等式的研究(参见[18,31,51])和斯科罗霍德嵌入问题[8,36]有重要影响。研究此类问题的早期论文包括[34,13,55,24,23,21],这个主题通常被称为鞅最优输运。鉴于Benamou、Brenier和McCann关于平方欧几里德距离的最优传输、相关的连续时间传输问题和McCann位移插值的开创性结果所起的核心作用,在鞅背景下寻找类似概念也很有趣。虽然[15,32]提出了Brenier单调输运映射的鞅版本,但我们的出发点是Benamou Brenier连续时间输运问题,我们在此重申该问题,以便与我们随后将考虑的鞅类似物进行比较。1.1. Benamou-Brenier运输问题和概率项中的McCann插值。鉴于我们随后给出的结果的概率性质,isMB非常感谢FWF拨款Y00782的支持。MH通过CRC 1060获得了德国中日韩研究所的部分支持。应急效应数学和豪斯道夫数学中心以及MH通过VRG17-005.2 J.BACKHOFF-VERAGUAS、M.BEIGLB¨OCK、M.HUESMANN和S.项目获得了维也纳科学技术基金(WWTF)的部分资助。
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2022-6-1 06:10:07
用概率语言(probabilisticlanguage)可以方便地回忆一些经典概念和最优传输的结果。给定d维分布空间P(Rd)中的概率u,ν,具有有限的二阶矩系数t(u,ν):=infXt=X+Rtvsds,X~u,X~νE“Z | vt | dt#。(BB)然后通过【19】我们得到定理1.1。设u,ν∈ P(Rd),并假设u与Lebesgue测度绝对连续。然后(BB)有一个唯一的优化器X*.备注1.2。在定理1.1(和下面类似)中,(BB)的解是唯一的,因为路径空间C([0,1])上存在唯一的概率测度,因此规范/恒等过程优化(BB)。在概率方面,McCann的位移插值可由[u,ν]t定义:=定律(X*t) 其中t∈ [0,1]和u,ν,X*如定理1.1所示。定理1.3。Letu,ν∈ P(Rd),并假设u与Lebesgue测度绝对连续。设s,t,λ∈ [0,1],s<t。然后[u,ν]s,[u,ν]tλ= [u, ν](1-λ) s+λt.(1.1)此外(t- s) T1/2(u,ν)=T1/2([u,ν]s,[u,ν]t)。(1.2)最后,通过凸函数的梯度给出(BB)的优化器。更准确地说,通过【16】,我们得到了定理1.4。假设u相对于Lebesgue度量值和u,ν是绝对连续的∈ P(Rd)。候选进程X,X~ u,X~ ν是一个优化器,当且仅当ifX=f(X),其中f是凸函数的梯度ν:Rn→ R和所有粒子以恒定速度移动,即Xt=tX+(1- t) X=X+t(X- 十) 。1.2. 鞅对应。Letu,ν∈ P(Rd)为凸序(表示为u对于Rd上的布朗运动,我们考虑优化问题mt(u,ν):=supMt=M+RtσsdBsM~u,M~νE“Ztr(σt)dt#,(MBB)另见下文(2.1)。我们有定理1.5。假设u,ν∈ P(Rd)满足ucν。然后(MBB)有一个optimizerM*这在法律上是独一无二的。从表面上看,优化问题(BB)和(MBB)看起来相当不同。
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2022-6-1 06:10:10
然而,不难看出,这两个问题都相当于优化问题,它们之间的关系更为明显。在下面的第6节中,我们确定*= argminX~u,X~νW(X,恒速粒子),(1.3)M*= 阿格明姆~u,M~νWc(M,常数波动率鞅),(1.4),其中Wdenotes Wasserstein距离相对于平方Cameron-Martin范数,而Wc表示一个适应的或因果的类似物(用Lasalle[42]的术语),详见第6节。(1.4)中的重新表述允许以下解释:M*其演化过程是否尽可能地遵循布朗粒子的运动,并受边缘条件M的约束~ u,M~ ν. 这在以下定义中激励了名称。因果运输计划以与经典Kantorovich运输计划趋势图相同的方式概括适应过程。BENAMOU-BRENIER鞅:概率观点3定义1.6。Letu,ν,M*如定理1.5所示。然后我们叫M*拉伸布朗运动(sBm)从u到ν。我们将鞅位移插值定义为[u,ν]Mt:=定律M*t、 (1.5)对于t∈ [0, 1].与定理1.3类似,我们有定理1.7。假设u,ν∈ P(Rd)满足ucν。设s,t,λ∈ [0,1],s<t。然后h[u,ν]Ms,[u,ν]MtiMλ=[u,ν]M(1-λ) s+λt.(1.6)此外(t- s) MT(u,ν)=MT([u,ν]Ms,[u,ν]MT)。(1.7)1.3. 拉伸布朗运动的结构。在经典的Benamou–Brenier输运问题的解中,粒子以恒定速度沿直线运动。相反,我们将看到,在sBm的情况下,单个粒子的运动模仿布朗运动。
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2022-6-1 06:10:14
广义地说,这些粒子的“方向”将由一个映射来决定,该映射是一个凸函数的梯度,这与经典情况类似。为简单起见,我们首先考虑u,ν,ucν是实线上的概率,u集中在一个点上,即u=δmW,其中m是ν的中心。事实证明,在这种情况下,sBm M M*正是具有终端分布ν的“Bass鞅”[7](或“Brownian鞅”)。我们简要回顾其结构:选择f:R→ R递增,使f(γ)=ν,其中γ是R上的标准高斯分布。然后设置为t∈ [0,1]Mt:=E[f(B)| Ft]=E[f(B)| Bt]=Ft(Bt),(1.8),其中B=(Bt)t∈[0,1]表示从B开始的布朗运动~ δ、 (Ft)t∈[0,1]布朗过滤和ft(b):=Rf(b+y)dγ1-t(y),γs~ N(0,s)。很明显,M是一个连续的马尔可夫鞅,使得M~ δm,m~ ν. 作为下面结果的一个特殊结果,我们将看到M是一个拉伸布朗运动。为了说明一般多维情况下的结果,我们需要考虑Bass构造的扩展。让F:Rd→ R为凸函数,且setft(b)=RF(b+y)γd1-t(dy),(1.9),其中γds表示具有协方差矩阵s Id的中心d维高斯。如果bde注意到d维布朗运动始于B~ α、 我们有[F(B)| Ft]=Ft(Bt),t∈ [0, 1]. (1.10)定义1.8。如果Rd上存在概率测度α和凸函数F:Rd,则连续Rd值鞅M是从u到ν的标准拉伸布朗运动(sBm)→ R带F(α* γd)=ν,使得mt=E[F(B)| Ft]和M~ u,其中B是带B的布朗运动~ α.注意,对于α,ν∈ P(Rd)存在一个凸函数FF(α*γd)=ν和Fisα* γd-唯一到一个加性常数。(这是Brenier定理的结果,参见例如定理1.1或[56,定理2.12]。)备注1.9。
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