ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2021, том 57, № 10, с. 1305-1317
ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
УДК 517.911
СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ
РЕШЕНИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ,
СЛАБО УПРАВЛЯЕМЫХ ГРУБЫМИ ТРАЕКТОРИЯМИ
С ПРОИЗВОЛЬНЫМ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ
ПОКАЗАТЕЛЕМ ГЁЛЬДЕРА
© 2021 г. М. М. Васьковский
Разработан функциональный вариант теории грубых траекторий с произвольным показа-
телем Гёльдера. С его помощью для класса обыкновенных и класса стохастических од-
номерных дифференциальных уравнений, слабо управляемых грубыми траекториями с
произвольным показателем Гёльдера, доказана теорема существования и единственности
решения и для уравнений первого из этих классов получена формула замены переменных.
DOI: 10.31857/S0374064121100022
Введение. Дифференциальные уравнения вида dYt = f(Yt) dXt, где X - некоторая α-
гёльдеровская функция, α 1/2, не могут быть исследованы с использованием интегралов
Римана-Стилтьеса. В работе Т. Лайонса [1] предложен принципиально новый подход к инте-
грированию по α-гёльдеровским функциям и разработаны его приложения к теории диффе-
ренциальных уравнений. Метод Лайонса основан на включении в интегральные суммы членов
тейлоровских разложений высших порядков, соответствующих уравнению dYt = f(Yt) dXt, и
получил название теории грубых траекторий. М. Губинелли [2] разработал функциональный
вариант теории грубых траекторий, позволяющий исследовать дифференциальные уравнения,
управляемые негеометрическими грубыми траекториями. Однако теория грубых траекторий
применима лишь при α > 1/3. Ф.А. Харан [3] показал, что подход Губинелли может быть рас-
ширен и использован для интегрирования по гёльдеровским функциям с показателем α > 1/4.
Однако подход Харана реализован лишь для геометрических грубых траекторий.
Теория грубых траекторий имеет наиболее значительное применение в теории стохастиче-
ских дифференциальных уравнений и, в частности, для уравнений, управляемых дробными
броуновскими движениями [4]. Первые работы, посвящённые таким приложениям теории гру-
бых траекторий, принадлежат Л. Кутэн, Ж. Кьяну, Ф. Бадуэну [5, 6]. В дальнейшем эти
результаты уточнялись и обобщались в работах [7-11]. В статье [5] показано, что для дробных
броуновских движений с индексами Хёрста H 1/4 их кусочно-линейные аппроксимации
не являются сходящимися по вероятности. Поэтому стохастические дифференциальные урав-
нения, управляемые дробными броуновскими движениями с индексами Хёрста H 1/4, не
могут быть исследованы в рамках известной теории грубых траекторий.
Опираясь на идеи Губинелли и Харана, в настоящей статье разработана теория грубых
траекторий с произвольным показателем Гёльдера α, которая, в отличие от теории Лай-
онса, не требует сходимости кусочно-линейных аппроксимаций процесса X, что позволяет
применять построенную теорию к исследованию проблемы существования и единственности
решений одномерных стохастических дифференциальных уравнений, управляемых дробными
броуновскими движениями с произвольным показателем Хёрста H ∈ (0, 1). Недостатком тео-
рии грубых траекторий являются жёсткие условия относительно гладкости и ограниченности
функции f. Для стохастических дифференциальных уравнений, управляемых стандартными
и дробными броуновскими движениями с индексами Хёрста, большими 1/2, результаты могут
быть значительно усилены, что, в частности, показано в работах [12-20].
1305
1306
ВАСЬКОВСКИЙ
Определение грубых траекторий. Зафиксируем какие-либо T > 0 и α ∈ (0,1]. Пусть
V - конечномерное евклидово пространство. Через Cα([0,T],V ) и Cα2 ([0,T],V ) обозначим
множества функций f : [0, T ] → V и g : [0, T ]2 → V соответственно таких, что величины
|ft - fs|
|gs,t|
∥f∥α := sup
,
∥g∥α,2 := sup
|t - s|α
|t - s|α
s,t∈[0,T]
s,t∈[0,T]
s=t
s=t
конечны. Как и в [4, гл. 2], далее для функции двух переменных gs,t будем писать ∥g∥α вместо
∥g∥α,2. Для функции одной переменной ft через fs,t будем обозначать приращение ft - fs.
Для целого неотрицательного k и конечномерных евклидовых пространств V и W через
Ckb(V,W) обозначим множество функций h : V → W таких, что норма
∥h∥Ck :=
∥Dih∥
b
i=0
конечна, где ∥Dih∥ = sup |Diht|.
t∈[0,T ]
Положим n = [1]. Обозначим через Cα([0, T ], V ) множество α-непрерывных по Гёль-
деру грубых траекторий, т.е. множество элементов X = (1, X1, . . . , Xn) таких, что Xi
∈ C2([0,T],V
i) для любого i = 1,n, и для любых s,u,t ∈ [0,T] выполняется тождество
Чена Xs,t = Xs,u Xu,t, где
(Xs,u Xu,t)i =
Xjs,u
Xi-ju,t.
j=0
n
Отметим, что операция задаёт умножение на тензорной алгебре T(n)(V ) =
V
i, где
i=0
V
0 = R. Таким образом, элемент X : [0,T]2 → T(n)(V ) однозначно определяется значения-
ми X0,t, t ∈ [0, T ], поскольку Xs,t = (X0,s)-1 X0,t. Далее будем писать Xt вместо X0,t.
Грубая траектория X = (1, X1, . . . , Xn) называется геометрической, если
1
Sym (Xis,t) =
(X1s,t)
i для всех i = 1,n,
i!
где Sym (Xis,t) обозначает симметрическую часть тензора Xis,t. Множество геометрических
грубых траекторий обозначаем через Cαg([0, T ], V ).
Будем говорить, что элемент X ∈ Cα([0, T ], V ) является грубой траекторией над X ∈
∈ Cα([0,T],V ), если X10,t = Xt для любых t ∈ [0,T].
Определение слабо управляемых грубых траекторий. Пусть X ∈ Cα([0,T],V ),
а X = (1,X1,...,Xn) - грубая траектория над X. Пусть W - конечномерное евклидо-
во пространство. Будем говорить, что функция Yt ∈ Cα([0, T ], W ) слабо управляется гру-
бой траекторией X ∈ Cα([0, T ], V ), если существуют функции Y(1) : [0, T ] → L(V, W ),
(n-1),W)такие,что
..., Y (n-1) : [0,T] → L(V
Ys,t = Y(1)sX1s,t + ... + Y(n-1)sXn-1s,t + RY,ns,t, Y(1)s,t = Y(2)sX1s,t + ... + Y(n-1)sXn-2s,t + RY,n-1s,t,
...,
Y(n-2)s,t =Y(n-1)sX1s,t +RY,2s,t, Y(n-1)s,t =RY,1s,t;
а величина ∥RY,i, i = 1, n, конечна для каждого из остаточных членов RY,i. Функцию
Y (i) будем называть грубой производной порядка i от Y (если α ∈ (1/2,1/3], то грубая
производная Y(1) является производной Губинелли [4, гл. 4]).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЙ
1307
Так как пространство Cα([0, T ], W ) банахово, то множество
{
}
DαX([0,T],W) = (Y,Y(1),... ,Y(n-1)) : Y ∈ Cα([0,T],W),
∥RY,i < ∞
i=1
также образует банахово пространство относительно нормы
YDα :=
|Y(i)0| +(Y, Y(1), . . . , Y(n-1))Dα ,
X
X
i=0
n
где Y(0)t = Yt,
(Y, Y(1), . . . , Y(n-1))Dα
=
∥RY,i[4, гл. 4].
X
i=1
Определение интеграла по грубым траекториям. Пусть V, W - некоторые конечно-
мерные евклидовы пространства, X = (1, X1, . . . , Xn) ∈ Cα([0, T ], V ), Y ∈ Cα([0, T ], L(V, W )),
(Y, Y(1), . . . , Y(n-1)) ∈ DαX([0, T ], L(V, W )). Возьмём некоторые s, t ∈ [0, T ], s < t, через P
обозначим произвольное конечное разбиение отрезка [s, t] точками, а через |P| - наибольшую
из длин отрезков разбиения.
t
Потраекторным интегралом
Yr dXr назовём следующий предел интегральных сумм
s
(если этот предел существует, конечен и не зависит от способа разбиения отрезка [s, t] точ-
ками):
t
Yr dXr := lim
Y(i)uXi+1u,v.
|P|→0
s
[u,v]∈P i=0
Предложение 1. Пусть V, W - конечномерные евклидовы пространства, α ∈ (0, 1], n =
= [1], X = (1, X1, . . . , Xn) ∈ Cα([0, T ], V ), (Y, Y (1), . . . , Y (n-1)) ∈ DαX([0, T ], L(V, W )). Тогда
t
для любых s, t ∈ [0, T ] интеграл
Yr dXr корректно определён и существует постоянная
s
C = C(α) такая, что выполняется оценка
∫
t
r dXr -
s
Xi+1s,t
C
Xn+1-i(n+1-i)α∥RY,i|t - s|(n+1)α
(1)
Y
≤
i=0
i=1
s
для всех s, t ∈ [0, T ].
Доказательство. Пусть
ψs,t =
Y(i)sXi+1s,t,
0<s<t<T,
i=0
δψs,u,t = ψs,t - ψs,u - ψu,t,
0<s<u<t<T.
Непосредственной подстановкой несложно убедиться в справедливости равенства
δψs,u,t = -
RY,is,uXn-i+1u,t.
(2)
i=1
Докажем, что существует постоянная β > 1 такая, что ∥ψ∥α,β := ∥ψ∥α + ∥δψ∥β,3 < ∞, где
s,t|
|δψs,u,t|
∥ψ∥α = sup
,
∥δψ∥β,3 = sup
s<t |t - s|α
s<u<t |t - s|β
Имеем
(
)
|Xi+1s,t|
∥ψ∥α sup|Yis| sup
= sup
|Yi0| +
|Y(j)0Xj-i0,s + RY,n-i0,s|
Xi+1α
s
s<t
|t - s|α
s
i=0
i=0
j=i+1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1308
ВАСЬКОВСКИЙ
cT,α,X(1 +YDα ) < ∞,
X
здесь cT,α,X - постоянная, зависящая от T, α, max
Xi+1α.
i=0,n-1
Покажем теперь, что ∥δψ∥β,3 < ∞ при β = (n + 1)α. Вследствие равенства (2) имеем
n
|
R
|
|Xn-i+1u,t|
|δψs,u,t|
i=1
,uXu
t
|R
,u|
∥δψ∥β,3 = sup
= sup
sup
(3)
s<u<t |t - s|(n+1)α
s<u<t
|t - s|(n+1)α
s<u<t |t - s| |t - s|(n+1-i)α
i=1
Существуют постоянные c = cT,α,X, l = lT,α,∥Y такие, что для любых i = 1, n и всех
X
s,u,t, 0 < s < u < t < T, выполняются неравенства
|RY,is,u| l|s - u|,
|Xn-i+1u,t| c|t - u|(n-i+1)α.
(4)
Учитывая неравенства (4) в (3), получаем, что ∥δψ∥β,3 < ∞.
t
Таким образом, согласно лемме 4.2 [4], интеграл
Yr dXr корректно определён.
s
Перейдём к доказательству оценки (1). Из доказательства леммы 4.2 [4] следует, что суще-
ствует постоянная C = C(β) такая, что выполняется неравенство
∫
t
r dXr -
Xi+1s,t
C∥δψ∥β,3|t - s|β для всех s, t,
0<s<t<T.
(5)
Y
s
≤
i=0
s
Используя равенство (2), получаем
n
|
R
,uXu
|
|R
,uXu
|
i=1
t
t
∥δψ∥β,3 = sup
sup
s<u<t
|t - s|β
s<u<t
|t - s|β
i=1
|Xn-i+1u,t|
|R
,u|
sup
∥RY,iXn+1-i(n+1-i)α.
(6)
s<u<t
|u - s| |t - u|(n-i+1)α
i=1
i=1
Таким образом, из соотношений (5) и (6) вытекает оценка (1). Предложение доказано.
Следствие. Пусть X = (1, X1, . . . , Xn) ∈ Cαg([0, T ], R) - геометрическая грубая траекто-
рия над X ∈ Cα([0,T],R), α ∈ (0,1], n = [1]. Если F ∈ Cnb(R,W), где W - конечномер-
ное евклидово пространство, то (F(X),DF(X),... ,Dn-1F(X)) ∈ DαX([0,T],W) и для любых
t
s,t ∈ [0,T] корректно определён интеграл
F (Xr) dXr.
s
Доказательство. Пусть Y(i)t = DiF (Xt), i = 0, n - 1. По формуле Тейлора с остаточным
членом в форме Лагранжа имеем
F (Xt) = F (Xs) + DF (Xs)X1s,t + . . . + Dn-1F (Xs)Xn-1s,t + DnF (Xs + θXs,t)Xns,t, θ ∈ (0, 1).
Отсюда следует, что RY,ns,t = DnF (Xs +θXs,t)Xns,t. Так как DnF (X) ∈ Cb(R, W ), ∥Xn < ∞,
то ∥RY,n < ∞.
Аналогичными рассуждениями, раскладывая DiF (Xt) по формуле Тейлора, доказываем,
что ∥RY,i < ∞ для любого i < n.
Таким образом, (Y, Y(1), . . . , Y(n-1)) ∈ DαX([0, T ], W ) и, согласно предложению 1, интеграл
t
F (Xr ) dXr корректно определён.
s
Композиция слабо управляемых грубых траекторий с гладкими функциями.
Пусть α ∈ (1/(n + 1), 1/n], X = (1, X1, . . . , Xn) ∈ Cαg([0, T ], R) - геометрическая грубая траек-
тория над X ∈ Cα([0, T ], R). Пусть Y ∈ Cα([0, T ], R), (Y, Y(1), Y(2), . . . , Y(n-1)) ∈ DαX([0, T ], R);
f ∈ Cnb (R,R).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЙ
1309
Определим Zt = f(Yt). По аналогии с формулой Фаа-Ди-Бруно [21, с. 137] положим
Z(k) =
Djf(Y )Bk,j(Y(1),... ,Y(k-j+1)), k = 1,n - 1,
(7)
j=1
где Bk,j(x1, . . . , xk-j+1) - многочлены Белла [21, с. 133].
Предложение 2. Пусть α ∈ (1/(n + 1), 1/n], X = (1, X1, . . . , Xn) ∈ Cαg([0, T ], R) - гео-
метрическая грубая траектория над X ∈ Cα([0,T],R), f ∈ Cnb(R,R). Если
(Y, Y(1), Y(2), . . . , Y(n-1)) ∈ DαX([0, T ], R),
то (Z,Z(1),Z(2),... ,Z(n-1)) ∈ DαX([0,T],R), где Z = f(Y ), а грубые производные Z(k) опре-
деляются по формулам (7). Кроме того, для любого M > 0 существует такое CM > 0,
что для любого (Y, Y(1), . . . , Y(n-1)) ∈ DαX([0, T ], R), для которого ∥(Y, Y(1), . . . , Y(n-1))Dα +
X
n-1
+
|Y(i)0| M, выполняется оценка
i=0
(Z, Z(1), Z(2), . . . , Z(n-1))Dα
CM.
X
Доказательство. Рассмотрим сначала случай, когда Xt = t, а Y - произвольная функ-
ция из Cnb([0, T ], R). В данном случае грубые производные Y(i)t совпадают с обычными про-
изводными DiYt.
Возьмём произвольное i ∈ {1, . . . , n}. С одной стороны, справедливость равенства
Z(i)t = Z(i)s + Z(i+1)sX1s,t + ... + Z(n-1)sXn-i-1s,t + RZ,n-is,t,
(8)
где RZ,n-is,t = O(|t - s|n-i), вытекает из формулы Тейлора с остаточным членом в форме
Лагранжа.
С другой стороны, согласно формуле (7), справедливо равенство
Z(i)t =
Djf(Yt)Bi,j(Y(1)t,... ,Y(i-j+1)t).
(9)
j=1
В силу формулы Тейлора получаем
Djf(Yt) =
Dkf(Ys)Yk-j+1s,t + O(Yn-js,t) =
k=j
(
(n-1
)k-j+1)
=
Dkf(Ys)
Y(l)sXls,t + RY,n
+ O(Y n-js,t).
(10)
s,t
k=j
l=1
По определению грубых производных имеем
Bi,j(Y(1)t,... ,Y(i-j+1)t) = Bi,j(Y(1)s + Y(2)sX1s,t + ... + Y(n-1)sXn-2s,t + RY,n-1s,t, ... ,
Y (i-j+1)s + Y (i-j+2)sX1s,t + . . . + Y (n-1)sXn-i+j-2s,t + RY,n-i+j-1s,t).
(11)
Подставляя (10) и (11) в (9) и приводя подобные, приходим к соотношению
Z(i)t =
Xr
s,t
Djf(Ys)Pr,j(Y(1)s,... ,Y(n-1)s) + O(|t - s|n-i),
(12)
r=0
j=1
где Pr,j (x1, . . . , xn-1) - некоторые многочлены, не зависящие от X, Y, f.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1310
ВАСЬКОВСКИЙ
Принимая во внимание равенства (7), будем иметь
Z(i)s + Z(i+1)sX1s,t + ... + Z(n-1)sXn-i-1s,t =
Xr
Djf(Ys)Br+i,j(Y(1)s,... ,Y(r+i-j+1)s).
(13)
s,t
r=0
j=1
Теперь из формулы Фаа-Ди-Бруно [21, с. 137], соотношений (8), (12), (13), выполненных
для произвольных функций Y ∈ Cnb([0, T ], R), f ∈ Cnb(R, R) и Xt = t, вытекает, что
Pr,j(x1,... ,xn-1) = Br+i,j(x1,... ,xr+i-j+1)
(14)
для всех j r + i, и Pr,j(x1, . . . , xn-1) 0 при j > r + i.
Пусть X = (1, X1, . . . , Xn) ∈ Cαg([0, T ], R), Y = (Y, Y(1), Y(2), . . . , Y(n-1)) ∈ DαX([0, T ], R).
В силу соотношений (7) справедливо равенство (13), а также равенство (12) с теми же мно-
гочленами Pr,j(x1, . . . , xn-1). Теперь из равенств (14) следуют соотношения (8). При этом
постоянные, входящие в оценку для O большого в соотношениях (10), (12), могут быть выбра-
ны одними и теми же для всех Y ∈ DαX([0, T ], R) из шара радиуса M (следовательно, таким
же свойством обладает и постоянная, входящая в оценку для O большого в соотношении (8)).
Таким образом, (Z, Z(1), Z(2), . . . , Z(n-1)) ∈ DαX([0, T ], R) и (Z, Z(1), Z(2), . . . , Z(n-1))Dα
=
X
= O(M). Предложение доказано.
В дальнейшем нам понадобится многомерный аналог формул Фаа-Ди-Бруно для грубых
производных.
Пусть X ∈ Cαg([0, T ], R), Y = (Y, Y(1), . . . , Y(n-1)),
Y=
Y
Y(1),...
Y (n-1)) ∈ DαX([0,T],R),
g∈Cnb(R2,R), Zt =g(Yt
Yt). Положим
∑∑
Z(k)t =
Dj
g(Yt
Yt)Qj,l(Y(1)t,... ,Y(k)t
Y(1)t,...
Y (k)t), k = 1,n - 1,
(15)
xlyj-l
j=1 l=0
где Qj,l(x1, . . . , xk, y1, . . . , yk) =
k!ki=1((i!)mi qi1!qi2!)-1xqi1iyii2, а суммирование осуществля-
ется по всем целым неотрицательным числам mi, qi1, qi2 (i ∈ {1, . . . , k}) таким, что m1 +
+ 2m2 + . . . + kmk = k, q11 + . . . + qk1 = l, q12 + . . . + qk2 = j - l, qi1 + qi2 = mi, i ∈ {1, . . . , k}.
Предложение 3. Пусть α ∈ (1/(n + 1), 1/n], X = (1, X1, . . . , Xn) ∈ Cαg([0, T ], R) - гео-
метрическая грубая траектория над X ∈ Cα([0,T],R), g ∈ Cnb(R2,R). Если
(Y, Y(1), Y(2), . . . , Y(n-1)),
Y
Y(1),...
Y (n-1)) ∈ DαX([0,T],R),
то (Z,Z(1),Z(2),... ,Z(n-1)) ∈ DαX([0,T],R), где Z
= g(Y
Y ), а грубые производные Z(k)
определяются по формулам (15). Для любого M > 0 существует такое CM > 0, что для
любых (Y, Y(1), . . . , Y(n-1)),
Y
Y(1),...
Y (n-1)) ∈ DαX([0,T],R), для которых
(Y, Y(1), . . . , Y(n-1))Dα +
|Y(i)0| M,
Y
Y(1),...
Y (n-1))Dα +
Y(i)0| M,
X
X
i=0
i=0
выполняется оценка ∥(Z, Z(1), Z(2), . . . , Z(n-1))Dα
CM.
X
Доказательство предложения 3 проводится по той же схеме, что и предложения 2, при
этом необходимо воспользоваться формулой Тейлора для функции двух переменных и дву-
мерным аналогом формулы Фаа-Ди-Бруно из [22].
В завершение настоящего пункта докажем, что произведение управляемых грубых траек-
торий является управляемой грубой траекторией.
Пусть
X ∈ Cαg ([0,T],R), G = (G,G(1),...,G(n-1)),
H = (H,H(1),...,H(n-1)) ∈ DαX([0,T],R), Zt = GtHt.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЙ
1311
Положим
Z(k)t =
CjkG(j)tH(k-j)t, k = 1,n - 1.
(16)
j=0
Предложение 4. Пусть α ∈ (1/(n + 1), 1/n], X = (1, X1, . . . , Xn) ∈ Cαg([0, T ], R) - гео-
метрическая грубая траектория над X ∈ Cα([0,T],R), g ∈ Cnb(R2,R). Если
G = (G,G(1),...,G(n-1)), H = (H,H(1),...,H(n-1)) ∈ DαX([0,T],R),
то (Z,Z(1),Z(2),... ,Z(n-1)) ∈ DαX([0,T],R), где Z = GH, а грубые производные Z(k) опреде-
ляются по формулам (16). Кроме того, выполняется оценка
(Z, Z(1), Z(2), . . . , Z(n-1))Dα
X
(
)(
)
C ∥(G,G(1),... ,G(n-1))Dα +
|G(i)0|
(H, H(1), . . . , H(n-1))Dα +
|H(i)0|
,
X
X
i=0
i=0
где постоянная C не зависит от G и H.
Доказательство. Возьмём произвольное i ∈ {1, . . . , n} и рассмотрим остаточный член
RZ,is,t = Z(n-i)s,t - Z(n-i+1)sX1s,t - ... - Z(n-1)sXi-1s,t.
Нетрудно убедиться, что для любых функций f, g : [0, T ] R справедливо тождество
(fg)s,t = fsgs,t + gsfs,t + fs,tgs,t. Поэтому
RZ,is,t =
Cjn-i(G(j)sH(n-i-j)s,t +G(j)s,tH(n-i-j)s +G(j)s,tH(n-i-j)s,t)-
Xl
s,t
Cjn-i+lG(j)sH(n-i+l-j)s =
j=0
l=1
j=0
)
(i+j-1
(n-j-1
= Cjn-iG(j)
H(n-i-j+r)sXrs,t+RH,i+j
+ Cjn-iH(n-i-j)
G(j+r)sXrs,t +RG,n-j
+
s
s,t
s
s,t
j=0
r=1
j=0
r=1
)
(n-j-1
)(i+j-1
+ Cj
G(j+r)sXrs,t + RG,n-j
H(n-i-j+r)sXrs,t + RH,i+j
-
n-i
s,t
s,t
j=0
r=1
r=1
- Xl
Cjn-i+lG(j)sH(n-i+l-j)s.
s,t
l=1
j=0
Приводя подобные и группируя члены, получаем
RZ,is,t =
Xj
s,t
H(r)sPj,r(G(1)s,... ,G(n-1)s,RG,is,t,... ,RG,ns,t) +
j=0
r=0
+ Xj
RH,rs,tQj,r(G(1)s,... ,G(n-1)s,RG,is,t,... ,RG,ns,t),
(17)
s,t
j=0
r=i
где Pj,r(x1, . . . , xn-1, yi, . . . , yn), Qj,r(x1, . . . , xn-1, yi, . . . , yn) - некоторые линейные многочле-
ны с нулевыми свободными членами, коэффициенты которых не зависят от G, H, X.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1312
ВАСЬКОВСКИЙ
Полагая Xt = t, G, H ∈ Cn([0, T ], R) и раскладывая Z(n-i)t по формуле Тейлора в точке s,
заключаем, что Pj,r(x1, . . . , xn-1, yi, . . . , yn) не зависят от x1, . . . , xn-1 при j < i. Следова-
тельно, из соотношения (17) вытекает существование постоянной Ci = Ci(G, X) такой, что
(
)(
)
∥RZ,i Ci
(G, G(1), . . . , G(n-1))Dα +
|G(i)0|
(H, H(1), . . . , H(n-1))Dα +
|H(i)0|
X
X
i=0
i=0
Предложение доказано.
Дифференциальные уравнения, управляемые грубыми траекториями. Пусть β ∈
(1/(n + 1), 1/n], X = (1, X1, . . . , Xn)
g ([0, T ], R) - геометрическая грубая траектория над
X ∈ Cβ([0,T],R); f ∈ Cn+1b(R,R). Выберем произвольно и зафиксируем α ∈ (0).
Рассмотрим дифференциальное уравнение
dYt = f(Yt)dXt, t ∈ [0,T].
(18)
Определение 1. Решением уравнения (18) с начальным условием Y0 = x ∈ R будем назы-
вать элемент (Y, Y(1), . . . , Y(n-1)) ∈ DαX([0, T ], R) такой, что для любого t ∈ [0, T ] выполнено
равенство
t
Yt = x + f(Ys)dXs,
(19)
0
где интеграл в правой части соотношения (19) понимается как грубый потраекторный ин-
теграл, а соответствующие ему грубые производные от Z = f(Y ) определяются по форму-
лам (7), а Y(1)0 = f(Y0), Y(2)0 = Df(Y0)f(Y0), Y(3)0 = D2f(Y0)f2(Y0) + (Df(Y0))2f(Y0) и т.д.
Определение 2. Пусть x ∈ R. Будем говорить, что уравнение (18) с начальным условием
Y0 = x
(20)
имеет единственное решение, если для любых решений Y,
Y∈ DαX([0,T],R) уравнения (18)
таких, что Y0
Y0 = x, следует, что Yt =Yt для любых t ∈ [0,T].
Теорема 1. Пусть α, β ∈ (1/(n + 1), 1/n], α < β, X = (1, X1, . . . , Xn)
g ([0, T ], R).
Если f ∈ Cn+1b(R, R), то для любого x ∈ R уравнение (18) с начальным условием (20) имеет
единственное решение.
Доказательство. Не нарушая общности, можем предполагать, что [0, T ] = [0, 1]. Дока-
жем, что существует T0 > 0 такое, что уравнение (18) с начальным условием (20) имеет
единственное решение в единичном шаре
BT0 = {Y = (Y,Y(1),... ,Y(n-1)) ∈ DαX([0,T0],R) : Y0 = (x,f(x),Df(x)f(x),...),
YDα 1}.
X
Определим аналог отображения Ито-Лайонса MT0 : DαX([0, T0], R) → DαX([0, T0], R), задав
его равенством
(
·
)
MT0(Y,Y(1),... ,Y(n-1)) = x + Zs dXs,Z,Z(1),... ,Z(n-2)
,
0
где грубые производные Z(i) определяются по формулам (7).
Воспользовавшись предложениями 1 и 2, получаем
(n-2)
|Zs
|
,t
(n-k)
∥MT0(Y, Y(1), . . . , Y(n-1))Dα = sup
+
sup|t - s|-(k-1)α
- Z(n-k+i)sXis,t
Z
s,t
+
X s=t
|t - s|α
s=t
k=3
i=1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЙ
1313
 ∫
t
[
]
+ sup|t - s|-nα
Zr dXr - Z(i)sXi+1s,t
Z(n-k)s,t =
Z(n-k+i)sXis,t + RZ,k
=
s,t
s=t
i=0
i=1
s
|
s
Xks,t + RZ,k+1s,t|
sup
+
s=t
|t - s|
k=1
+ sup|t - s|-nα
Xn+1-i(n+1-i)α∥RZ,i|t - s|(n+1)α + Z(n-1)sXns,t
CTβ-α0 < 1,
≤
s=t
i=1
где постоянная C может быть выбрана не зависящей от Y ∈ BT0 . Таким образом, существует
T0 > 0 такое, что MT0 (BT0 ) ⊂ BT0 .
Докажем, что отображение MT0 является сжимающим в шаре BT0 .
Пусть Y = (Y, Y(1), . . . , Y(n-1)),
Y=
Y
Y(1),...
Y (n-1)) ∈ BT0. Применяя композицию с
функцией f, определим соответствующие элементы (Z, Z(1), . . . , Z(n-1)),
Z
Z(1),...
Z(n-1))
∈ DαX([0,T0],R) согласно формулам (7).
Положим
, Δ(1), . . . , Δ(n-1)) = (Z
Z,Z(1)
Z(1),... ,Z(n-1)
Z(n-1)).
Аналогично, воспользовавшись предложением 1, получаем
∥MT0(Y, Y(1), . . . , Y(n-1)) - MT0
Y
Y(1),...
Y (n-1))Dα
(21)
X
C(|Δ(1)0|+... +|Δ(n-1)0|+ ,Δ(1),... ,Δ(n-1))Dα
)Tβ-α0 = C∥, Δ(1), . . . , Δ(n-1))DαTβ-α0.
X
X
ПоложимΔs = GsHs, где
1
Gs = g(Ys
Ys), Hs = Ys
Ys, g(x,y) = Df(xt + (1 - t)y)dt,
0
и определим грубые производные G(i) согласно формулам (15), грубые производные H(i)
согласно формулам (7) и грубые производные
Δ(i) согласно формулам (16).
Как показано в [4, с. 115], имеет место равенство Δtt для любых t ∈ [0, T0]. Если
Xt = t, Y
Y ∈ Cn([0,T0],R), то Δ(i)(i) в силу единственности производной. Так как
коэффициенты многочленов, входящих в формулы (7), (15), (16), не зависят от Y,
Y, X, то
равенство Δ(i)(i) для всех i ∈ {1, . . . , n - 1} сохраняется для произвольных Y,
Y∈ BT0 ,
X
g ([0, T0], R).
Используя предложения 3 и 4, приходим к оценке
)
(n-1
, Δ(1), . . . , Δ(n-1))Dα C
G(i)0+(G, G(1), . . . , G(n-1))Dα
(H, H(1), . . . , H(n-1))Dα
X
X
X
i=0
C∥(Y
Y,Y(1)
Y(1),... ,Y(n-1)
Y (n-1))Dα ,
(22)
X
где постоянная C может быть выбрана не зависящей от Y,
Y∈ MT0(BT0 ).
Таким образом, из соотношений (21) и (22) вытекает, что, уменьшив при необходимости
значение T0, можно добиться того, чтобы отображение MT0 являлось сжимающим в ша-
ре BT0 .
Так как значение T0 может быть выбрано независимо от заданного начального усло-
вия (20), то существует единственное решение уравнения (18) с начальным условием (20) на
всём отрезке [0, 1]. Теорема доказана.
2
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1314
ВАСЬКОВСКИЙ
Докажем формулу замены переменных в дифференциальном уравнении (18).
Теорема 2. Пусть α, β ∈ (1/(n + 1), 1/n], α < β, X = (1, X1, . . . , Xn)
g ([0, T ], R),
f ∈ Cn+1b(R,R), x ∈ R, Y = (Y,Y(1),...,Y(n-1)) ∈ DαX([0,T],R) - единственное решение
уравнения (18) с начальным условием (20). Тогда для любого g ∈ Cn+1b(R, R) имеет место
равенство
t
g(Yt) - g(Ys) = Dg(Yτ )f(Yτ ) dXτ , s, t ∈ [0, T ],
(23)
s
где грубые производные от Dg(Y )f(Y ) определяются по формулам (7).
Доказательство. Пусть s < t, возьмём произвольное конечное разбиение P = {s = t0 <
< t1 < ... < tN = t} отрезка [s,t]. Разложим g(Yt) по формуле Тейлора с остаточным членом
в форме Лагранжа:
)
1
1
g(Yt) - g(Ys) =
Djg(Yti )Yjt
+
Dn+1g(Yti + θiYti,ti+1 )Yti,t 1
,
(24)
i,ti+1
i+1
j!
(n + 1)!
i=0
j=1
где θi (0, 1).
Нетрудно видеть, что справедливо неравенство
Dn+1g(Yti + θiYti,ti+1 )
C∥Y ∥n+1
α
|ti+1 - ti|(n+1)α = O(|P|(n+1)α-1).
(25)
ti,ti+1
≤
i=0
i=0
Используя предложение 1, получаем соотношение
Yti,ti+1 =
f (Yτ ) dXr =
Z(k)tXk+1t
+ O(|ti+1 - ti|(n+1)α),
(26)
i
i,ti+1
k=0
ti
где Z(k) - грубые производные от Z = f(Y ), вычисленные по формулам (7).
Таким образом, из соотношений (24)-(26) следует, что
(n-1
)j
1
g(Yt) - g(Ys) =
Djg(Yti )
Z(k)tXk+1
+ o(1) при
|P| → 0.
(27)
i
ti,t
i+1
j!
i=0 j=1
k=0
Приводя подобные и группируя слагаемые в соотношении (27), получаем
g(Yt) - g(Ys) =
Xk
Djg(Yti )Pk,j(Zti ,Z(1)t
,...,Z(n-1)) + o(1) =t
ti,ti+1
i
i
i=0 k=1
j=1
∑∑
=
Xk
Djg(Yti )Dlf(Yti )Qk,j,l(Yti ,Y(1)t
,...,Y (n-1)) + o(1) при
|P| → 0,
ti,ti+1
i
ti
i=0 k=1
j=1 l=0
где Pk,j(x0, . . . , xn-1), Qk,j,l(x0, . . . , xn-1) - некоторые многочлены, коэффициенты которых
не зависят от f, g, Y, X.
Пусть h(Y ) = Dg(Y )f(Y ), обозначим Ht = h(Yt). Пусть H(j), j ∈ {1, . . . , n - 1}, - грубые
производные от H, определённые по формулам (7). Если Xt = t, Y ∈ Cn([0, T ], R), то
g(Yt) - g(Ys) =
Xkt
H(k-1) + o(1) =t
i,ti+1
i
i=0 k=1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЙ
1315
(
)
=
X1t
h(Yti ) +
Xk
Djh(Yti )Bk-1,j(Y(1)t
,...,Y(k-j))
+ o(1) =
i,ti+1
ti,ti+1
i
ti
i=0
k=2
j=1
∑∑
=
Xk
Djg(Yti )Dlf(Yti )Qk,j,l(Yti ,Y(1)t
,...,Y(n-1))+o(1) при
|P| → 0, (28)
ti,ti+1
i
ti
i=0 k=1
j=1 l=0
где
Q(x0, . . . , xn-1) - некоторые многочлены, коэффициенты которых не зависят от f, g, Y,
X. В силу единственности производных от Y ∈ Cn([0, T ], R) заключаем, что Qk,j,l =Qk,j,l
для любых k, j, l. Так как многочлены Qk,j,l не зависят от Y, X, то соотношения (28)
сохраняются для произвольных Y ∈ DαX([0, T ], R), X
g ([0, T ], R).
Переходя к пределу при |P| → 0 в соотношении
g(Yt) - g(Ys) =
Xkt
H(k-1) + o(1),t
i,ti+1
i
i=0 k=1
получаем требуемое равенство (23). Теорема доказана.
Наряду с уравнением (18) рассмотрим отвечающее ему ОДУ
dZt = f(Zt) dt, t ∈ R.
(29)
Пусть St, t ∈ R, - поток, соответствующий уравнению (29), т.е. Zt = StZ0.
Теорема 3. Пусть α, β ∈ (1/(n + 1), 1/n], α < β, X = (1, X1, . . . , Xn)
g ([0, T ], R).
Если f ∈ Cn+1b(R, R), то для любого x ∈ R единственное решение Y = (Y, Y(1), . . . , Y(n-1))
уравнения (18) с начальным условием (20) может быть найдено по формулам
= Di-1ff(Yt), i ∈ {1,... ,n - 1}, t ∈ [0,T],
(30)
Yt = SXt-X0 x,
t
где (Df h)(z) = f(z)Dh(z).
Доказательство. Рассмотрим уравнение
dUt = dXt, t ∈ [0, T ],
(31)
с начальным условием U0 = X0, U(1)0 = 1, U(2)0 = . . . = U(n-1)0 = 0. Очевидно, что единствен-
ным решением уравнения (31) является элемент Ut = (Xt, 1, 0, . . . , 0).
Применяя теорему 2 к g(Ut), где g(y) = Sy(SX0 )-1x, Ut = Xt, получаем
t
g(Ut) - g(Us) = f(g(Uτ )) dXτ .
s
Таким образом, элемент Y = (Y, Y(1), . . . , Y(n-1)) является единственным решением урав-
нения (18) с начальным условием (20), где Yt = g(Xt), Y(1)t = f(Yt), Y(2)t = Df(Yt)f(Yt),
Y (3)t = D2f(Yt)(f(Yt))2 + (Df(Yt))2f(Yt) и так далее. Теорема доказана.
Замечание 1. Утверждение теоремы 3 выполняется для произвольной функции f ∈
∈ Cn+1(R,R): решение Y уравнения (18) с начальным условием (20) существует, единственно
и находится по формулам (30) на некотором достаточно малом отрезке [0, a] [0, T ], a > 0.
Стохастические дифференциальные уравнения, управляемые грубыми траекто-
риями с произвольным показателем Гёльдера. Пусть на полном вероятностном прост-
ранстве (Ω, F, P ) с потоком σ-алгебр (Ft)t∈[0,T] задан Ft-согласованный случайный про-
цесс Xt, t ∈ [0, T ], такой, что почти все траектории процесса Xt принадлежат пространству
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
2
1316
ВАСЬКОВСКИЙ
Cβ([0,T],R), β ∈ (1/(n + 1), 1/n]. Определим процесс X· = (1, X10, . . . , Xn0) как случай-
ную величину, принимающую значения в
g ([0, T ], R) п.н., где Xs,t = (Xs,t)i/(i!). Выберем и
зафиксируем произвольное α ∈ (0, β).
Рассмотрим стохастическое дифференциальное уравнение
dYt = f(Yt)dXt, t ∈ [0,T].
(32)
Определение 3. Пусть ξ : Ω R - F0-измеримая случайная величина. Решением урав-
нения (32) с начальным условием Y0 = ξ будем называть F-измеримую случайную величину
Y = (Y,Y (1),...,Y (n-1)) со значениями в DαX([0,T],R) п.н. такую, что для почти всех ω ∈ Ω
элемент Y(ω) является решением детерминированного уравнения dYt(ω) = f(Yt(ω)) dXt(ω)
в смысле определения 1. Решение уравнения (32) с начальным условием Y0 = ξ назовём един-
ственным, если для любых двух решений Y,
Y уравнения (32) с начальным условием Y0 = ξ
выполняется равенство P (Y =Y) = 1.
Теорема 4. Пусть α, β ∈ (1/(n + 1), 1/n], α < β, X = (1, X1, . . . , Xn)
g ([0, T ], R)
п.н. Если f ∈ Cn+1b(R,R), то для любой F0-измеримой случайной величины ξ : Ω R
существует единственное решение Y = (Y,Y(1),... ,Y(n-1)) уравнения (32) с начальным
условием Y0 = ξ, и п.н. выполняются равенства
Yt = SX0,tξ, Y(i)t = Di-1ff(Yt), i ∈ {1,... ,n - 1}, t ∈ [0,T],
(33)
где St, t ∈ R, - поток, соответствующий уравнению (29).
Доказательство. Пусть Ω0 = {ω ∈ Ω : X(ω)
g ([0, T ], R)}. Возьмём произвольное
ω ∈ Ω0. Из теоремы 1 вытекает, что существует единственный элемент Y(ω) ∈ DαX([0,T],R),
который является решением детерминированного уравнения dYt = f(Yt) dXt(ω), t ∈ [0, T ],
с начальным условием Y0 = ξ(ω). Согласно теореме 3 выполняются равенства
(ω) = Di-1ff(Yt(ω)), i ∈ {1, . . . , n - 1}, t ∈ [0, T ].
(34)
Yt(ω) = SX0,t(ω)ξ(ω),
t
Для каждого ω ∈ Ω \Ω0 положим Y(ω) = 0. Из соотношений (34) вытекает, что Yt является
Ft-согласованным случайным процессом. Так как P0) = 1, то процесс Y является реше-
нием уравнения (32) с начальным условием Y0 = ξ. В силу теоремы 1 построенное решение
является единственным. Справедливость соотношений (33) вытекает из равенств (34). Теорема
доказана.
Замечание 2. В частности, теорема 3 остаётся в силе, если выбрать Xt = BHt , где BHt -
дробное броуновское движение с показателем Хёрста H ∈ (β, 1).
Замечание 3. Дифференциальное уравнение, аналогичное уравнению (18), рассматрива-
лось в работах [23-25], в которых под его решением понимался предел последовательности
решений уравнений со сглаженным возмущением Xt.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Lyons T. Differential equations driven by rough signals // Rev. Mat. Iberoamericana. 1998. V. 14. № 2.
P. 215-310.
2. Gubinelli M. Controlling rough paths // J. of Funct. Anal. 2004. V. 216. № 1. P. 86-140.
3. Harang F.A. On the theory of rough paths, fractional and multifractional Brownian motion with
applications to finance: dissertation . . . master of mathematics. Oslo, 2015.
4. Friz P., Hairer M. A Course on Rough Paths with an Introduction to Regularity Structures. Cham, 2014.
5. Coutin L., Qian Z. Stochastic analysis, rough path analysis and fractional Brownian motions // Probab.
Theory Related Fields. 2002. V. 122. № 1. P. 108-140.
6. Baudoin F., Coutin L. Operators associated with a stochastic differential equation driven by fractional
Brownian motions // Stoch. Proc. and their Appl. 2007. V. 117. P. 550-574.
7. Neuenkirch A., Nourdin I., Robler A., Tindel S. Trees and asymptotic expansions for fractional stochastic
differential equations // Ann. de Inst. Henri Poincare (B) Probab. and Stat. 2009. V. 45. № 1. P. 157-174.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЙ
1317
8. Васьковский М.М., Качан И.В. Асимптотические разложения решений стохастических дифферен-
циальных уравнений с дробными броуновскими движениями // Докл. НАН Беларуси. 2018. T. 62.
№ 4. С. 398-405.
9. Vaskouski M., Kachan I. Asymptotic expansions of solutions of stochastic differential equations driven
by multivariate fractional Brownian motions having Hurst indices greater than 1/3 // Stoch. Anal. and
Appl. 2018. V. 36. № 6. P. 909-931.
10. Васьковский М.М. Стохастические дифференциальные уравнения смешанного типа со стандарт-
ными и дробными броуновскими движениями с индексами Хёрста, большими 1/3 // Весцi НАН
Беларусi. Сер. фiз.-мат. навук. 2020. T. 56. № 1. С. 36-50.
11. Леваков А.А., Васьковский М.М. Стохастические дифференциальные уравнения и включения.
Минск, 2019.
12. Guerra J., Nualart D. Stochastic differential equations driven by fractional Brownian motion and standard
Brownian motion // Stoch. Anal. and Appl. 2008. V. 26. № 5. P. 1053-1075.
13. Mishura Y.S., Shevchenko G.M. Existence and uniqueness of the solution of stochastic differential
equation involving Wiener process and fractional Brownian motion with Hurst index H > 1/2 // Comm.
in Stat. Theory and Methods. 2011. V. 40. № 19-20. P. 3492-3508.
14. Леваков А.А., Васьковский М.М. Существование слабых решений стохастических дифференциаль-
ных уравнений со стандартным и дробным броуновскими движениями и с разрывными коэффици-
ентами // Дифференц. уравнения. 2014. Т. 50. № 2. С. 187-200.
15. Леваков А.А., Васьковский М.М. Существование слабых решений стохастических дифференциаль-
ных уравнений со стандартным и дробным броуновскими движениями, с разрывными коэффици-
ентами и с частично вырожденным оператором диффузии // Дифференц. уравнения. 2014. Т. 50.
№ 8. С. 1060-1076.
16. Васьковский М.М. Существование слабых решений стохастических дифференциальных уравнений
с запаздыванием и стандартным и дробным броуновскими движениями // Весцi НАН Беларусi.
Сер. фiз.-мат. навук. 2015. № 1. С. 22-34.
17. Леваков А.А., Васьковский М.М. Существование решений стохастических дифференциальных
включений со стандартным и дробным броуновскими движениями // Дифференц. уравнения. 2015.
Т. 51. № 8. С. 997-1003.
18. Леваков А.А., Васьковский М.М. Свойства решений стохастических дифференциальных уравнений
со стандартным и дробным броуновскими движениями // Дифференц. уравнения. 2016. Т. 52. № 8.
С. 1011-1019.
19. Васьковский М.М. Устойчивость и притяжение решений нелинейных стохастических дифференци-
альных уравнений со стандартным и дробным броуновскими движениями // Дифференц. уравне-
ния. 2017. Т. 53. № 2. С. 160-173.
20. Васьковский М.М., Качан И.В. Методы интегрирования стохастических дифференциальных урав-
нений смешанного типа, управляемых дробными броуновскими движениями // Весцi НАН Бела-
русi. Сер. фiз.-мат. навук. 2019. T. 55. № 2. С. 135-151.
21. Comtet L. Advanced Combinatorics. The Art of Finite and Infinite Expansions. Dordrecht, 1974.
22. Mishkov R.L. Generalization of the formula of Faa Di Bruno for a composite function with a vector
argument // Int. J. Math. & Math. Sci. 2000. V. 24. № 7. P. 481-491.
23. Завалищин С.Т., Сесекин А.Н. Импульсные процессы: модели и приложения. М., 1991.
24. Kurzweil J. Generalized ordinary differential equation // Czech. Math. J. 1958. V. 8. № 1. P. 360-388.
25. Yablonski A. Differential equations with generalized coefficients // Nonlin. Anal. 2005. V. 63. P. 171-197.
Белорусский государственный университет,
Поступила в редакцию 09.04.2021 г.
г. Минск
После доработки 09.04.2021 г.
Принята к публикации 08.09.2021 г.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021