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一类最优投资理论的数学模型

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第50卷第5期 吉林大学学报(理学版) Vol_50 No.5 2012年9月 Journal of Jilin University(Science Edition) Sep 2012 一类最优投资理论的数学模型 任长宇 ,袁芳 (1.吉林大学数学学院,长春130012;2.浸会大学数学系,) 摘要:考虑一类最优投资理论的数学模型,该类数学模型可以 -3结为一个抛物型Monge- Ampere方程的混合定解问题.将连续性方法与解的先验估计相结合,建立了相关方程混合初 边值问题古典解的存在唯一性. 关键词:最优投资理论;抛物型Monge—Ampere方程;混合初边值问题 中图分类号:O175.26 文献标志码:A 文章编号:1671-5489(2012)05-0829-06 A Class of Mathematical Model of Optimal Investment Theory REN Chang.yu ,YUAN Fang (1.College ofMathematics,Jilin University,Changchun 130012,China; 2.Department ofMathematics,Hongkong Baptist University,Hongkong,China) Abstract:The authors discussed a class of mathematical model of optimal investment theory.Such mathematical models can be attributed to a mixed initial—boundary value problem of a parabolic Monge—Ampere equation.We established the existence and uniqueness of classical solutions for the mixed initial—boundary value problem of relevant equations using the continuity method combined with a prior estimates. Key words:optimal investment theory;parabolic Monge—Ampere equation;mixed initial—boundary value problem 0 引 言 雍炯敏¨l 研究了金融数学中的一类最优投资问题,目标是寻找最优投资组合,以最优化该投资者 的收益,他把这类问题归结为如下抛物型Monge.Ampere方程: 十ry 一 =0, (1) k , 其中:V=V(s,y)是未知函数;0= ;r,b, 为给定常数,用于刻画金融市场的参数,’满足条件r≥0, or O->0,b—r>0.投资者对待终端时刻T的风险与利润的态度由效益函数g(Y)描述.对于函数 g(Y)=1一e (A>0)的情况,文献[2.4]得到了模型(1)相应初值问题解的存在性. 注意到方程(1)中自变量Y的意义是“该投资者用于投资的初始资本”,则显然当Y<0时该投资者 无法进行投资.同时,作为“初始资本”,必然是有限的.因此,为了与这种投资问题的实际更接近,应 该代替纯粹的初值问题(1)而考虑区域Q=[0,T)×(0, )上的初边值问题.文献[5]对该问题的第一 初边值问题进行了一些基础性研究,在给定的结构条件下,建立了相关问题古典解的存在唯一性. 本文进一步研究由模型(1)导出的如下抛物型Monge.Ampere方程的混合初边值问题: 收稿日期:2012-01-09. 作者简介:任长宇(1978一),男,汉族,博士,讲师,从事偏微分方程的研究,E—mail:rency@jlu.edu.cn 基金项目:国家自然科学基金(批准号:11026045). 830 吉林大学学报(理学版) 第50卷 一(“ 一 M )IL =厂( ,t), u(x,0)= ( ,0), u(o,t)一all (0,t)=A(t), u(x,t)+bu (X,t)=B(t), 这里:M( ,t)是未知函数; ,t)和 ( ,0)分别是Q和[0, ]上的适当光滑函数;A(t),B(t)为[0,T] 上的函数;a,b为非负常数.此外,还需下列基本假设: (H )存在常数Ot∈(0,1), >0,使得 ,t)∈C ’ +o/2( ), ,t)>/x于Q; (H:) ( ,0)∈C ”([0,X])满足 ( ,0)≥ 于[0,X],A(t),B(t)∈C ([0,T]),满足 一A (£)+rA( )一 (0,0)≥ ,一 ( )+÷(b+X)(B( )一 ( ,0))≥ 于[0,T]; (H )问题(2)满足直到二阶为止的衔接条件. 在问题(2)中,为方便,用 ( ,0)表示g( ).由于本文考虑混合初边值问题,因此条件(H )与 文献[5]中的条件有不同之处. 记 ={ ( ,t): ( ,t)∈C2+3,1+3/2( ), >0, ∈≥ ≥ 一)[0 0 ( ( ,t)一TXU ( ,t))>0,V( ,t)∈Q},卢∈(0,1). , , 函数 (∈  ,t)∈ 称为可容许函数.显然,对任意的可容许函数u( ,t)∈ 问题(2)为抛物型方程. 本文将在5zQ列 , #中寻找问题(2)的可容许解.主要结果如下:= ∈ ∈  定理1若条件(H )~(H )成立,则问题(2)有唯一解U( ,t)∈C4 ( )满足 0 0 0 .: 一(U 一rxu )>0,M >0于Q. ) , ● 注1文献[5]中保留了问题(1)的条件g ( )≤0,本文可以去掉. × 0 注2当r=0时,问题(2)中的方程恰好是文献[6.7]中所讨论方程的一维情形.因此本文只考虑 r>0的情况.一 一  注3当a=b=0时,问题(2)恰好与献[5]中所研究的问题相同.因此本文也可视为文献[5]中 所述问题的进一步研究. 为简便,本文不妨假设函数 ( ,t)已经光滑延拓到整个Q,并且 一[ ( ,t)一 ( ,t)] ( ,t)=,( ,t), V( ,t)∈[0,X]×{t=0}. (3) 1解的存在性 2 对 ∈[0,1],考虑如下单参数问题族: 一(M 一 u:)u =(1一r)f。( ,t)+ _厂( ,t),( , )∈Q, : ,(00t)一aUx、)  ,o , ,、 ∈[0, ], (4) ,(0,t)=A (t), M (X,t)+bu:(X,t)=B (t), 其中: A (t)=(1一r)A。(t)+rA(t); B (t)=(1— )B。(t)+rB(t); 4。(t)=U。(0,t)一a/z (0,t); B。(t)=U。(X,t)+6M:(X,t). 显然,当 =1时,问题(4) 即为问题(2). 命题1存在“。∈ n c4 o/ ( ),使得 f。( ,t)=一(u 一T: ̄/L:)u , 从而问题(4)。在 中有解. 证明:令 u。( ,t)= ( ,0)+(e 一1)( 一Xx)一kt, (5) 第5期 任长宇,等:一类最优投资理论的数学模型 831 ax{_肛 ( ,0),0}+1.显然 。∈C 其中 =m( ).容易验证 一(u?一 :)=一{一 +ire“( 一 )一 [ ( ,0)+(e 一1)(2 — )]}= (e 一1)+FX,(X一 )+ + 0( ,0)≥1, =g ( )+2(e 一1)≥IX, f。( ,t)=一( 一 “ ) 0 ≥IX. 命题1确保了单参数问题族(4) 的解集合不空.如果能事先得到问题族(4),的所有可能解的 C ,¨ 估计: ll“Il c2 + ( )≤C,’ 这里:OL∈(0,1);C>0为可控常数.则问题(2)解的存在性可以通过经典的连续性方法得到 (6) ].不 难验证,从“问题数据”的角度看,问题(4) 和问题(2)具有相同的性质,因此只需对问题(2)的所有 可能解u= ( ,t)做出与式(6)相同的先验估计即可. 2 先验估计 为了证明解的唯一性及做先验估计,先证明一个比较原理. 引理1设 ( ,t), ( ,t)∈ 满足如下不等式: 一( 一 ) ≥一( 一 ) , ( ,t)∈Q, (7)  v(o,t)一口 (0, )≤w(o, )一口 (0,t), 0≥0,t∈[0,T], ( ,t)+by ( ,t)≤ ( ,t)+bw (X,t), b≥0,t∈[0,T],≤ . (8) (9) (10) ( ,t)∈[0, ]×{t=0} 则 ≤ ,V( ,t)∈p. 证明:先证明式(7).(10)中不等号均为严格不等号的情况. 若 一W的最大值在[0,X]X{t=0}上达到,则显然 < 于 .若 一 的最大值在{ =0}× [0,T]或{ :X}X[0,T]上达到,则有( 一 )l :。≤0或( 一 )I : I>0,由式(8)或(9)知 一 ≤( 一 )I :o. <0, 从而 <W于 .若 一W的最大值在Q内部某点( 。,t。)处达到,则在该点( 一W) ≤0,( 一W) =0, ( 一W) I>0.于是 一( f一 ) ≤一( 一 )W 于( 0,to), 与式(7)矛盾.综上可知 < ,V( , )∈Q. 对于式(7).(10)中不等式的情形,可取 >0充分小,令 ( ,t)= ( ,t)一s(t+1),则容易验证 一( 一rxu ) >一(Wf一 )W , ( ,t)∈Q, v(o,t)一口 (0,t)<w(o,t)一0 (0,t), ≥0,t∈[0,T], ( ,t)+by ( ,t)<W( ,t)+bw (X, ), b≥0,t∈[0,T], <W. ( ,t)∈[0,X]X{t=0}. 利用上面已经证明的结果,可得 <W于 ,再令 一0,即得所证结果. 由命题1直接可得: 定理2问题(7)一(10)在 中至多有一个解. 下面做sup』u}的估计,取M= ( ,0)一 (t+1),瓦= ( ,0)+ (t+1)为“的闸函数,.j}。>0为 Q 待定常数.容易验证:对于充分大的常数 ,有 M( ,0)= ( ,0)一 1<u( ,0), M(0,t)一oM (0,t)=g(0)一 1(t+1)一og (0)<A(t), (X,t)+b ( ,t)=g( )一 l(t+1)+6g ( )<B(t), 一(“ 一 “ )“ =[ 1+rxg ( )]g”( )>厂( ,t), 832 吉林大学学报(理学版) 第50卷 由弓I理1司知u≥兰于Q. 同理,对于充分大的常数 ,容易证明瓦≥u于 .从而得到了sup  lu J的估计. Q 此外,对于问题(2)的可容许解n,由于“ >0于Q,所以//, 在Q上的最大值一定在{ =X}× [0,T]上达到, 在Q上的最/J,值一定在{ =0}×[0,T]上达到.结合问题(2)中的第三、四式,即可 得到s p I/Zx l的估计・ 综上,有: 命题2设“∈ 为问题(2)的可容许解,则存在一个仅依赖于问题数据的常数C ,使得 sup I u I≤c , sup I“ I≤c-・ 下面估计 ,考虑问题(2)中方程的线性化算子: ( )击+[ 一 )]蠹+( ) . 关于u 的先验估计,有: 命题3设“∈ 为问题(2)的解,则存在仅依赖于问题数据的常数C:,c。>0,使得 p f一“ f≤ , i (一“t+ )≥c。>0・ 证明:先做一 的上方估计.考虑辅助函数 =一u + u,则 )= ( +告 )+[一( ~ (一 +-- ̄U-xx)+(rx“ (一u + )= +“ u 一, “ 觚一, 衄“ 一 ( l一, ) = 一 ( ,t)+句^( ,t)=f(x,t){ 一[Inf(x,t)] }. 当 ≥ 。 sup l E ̄nf( , )]t l时,有L ( )≥0,V( , )E ・由抛物算子的极值原理知 (一u + ko“)=s p(一“ + u)≥s p(一“ )+i ( ko u).(11) 下面分3种情形讨论: 1) su“Qp(一 +警“)在底边 ×{ =o l上某点达到,则利用式(3)知,存在常数c>0,使得 。up(一“t)≤c; 2) su p(一“ 十譬“)在侧边{ =0}×Eo, ]上某点(0, )达到,则在该点 (0, 。)+ ko 一 M ≤0; 由式(11)和(2)中第三式,有 s p( )≤ ( 。)+ ko“( )一i ≤ (to)一 ako )+ ko (。。,f0)一i (争 ); 3) s up(一 +≥“)在侧边{ = }×[0, ]上某点( , 达到,则在该点 ( ,f。)+ ko ≥0一 ; 由式(11)和(2)中第四式,有 sup( )≤ ( 。)+ “( 。)一i 譬 )≤ 第5期 任长宇,等:一类最优投资理论的数学模型 833 bkou (X,to)+ ko一 + u(X,to)一i ( u). 综上,结合命题2即可得一“ 的上方估计. 下面做一 的下方估计.对相同的抛物算子L ,考虑如下两个辅助函数: klt 1=e” W2= e . 直接计算得 £ (们1) =一u u麒kle —u“u托e +eklt[一(uf—rxlL )] t +eh rxu端“船= 一k1eh £ +eh ( ,t), w2)=一Uxx rxekltk1“ +rxe t)+rXlL (ekltr +ekltrxu艇)+ “[一(u 一rxu )](2e rM +ekltrXUxxx)= rxe 1‘(一Ut 船+rxu 蚍 一Uxt 埘+rxu u +rM u )一 2ek ̄tr £ 一rxu e klu +2e u u蚍= . e r +2ekltrf一 1rxekitu M L (一 l+W2) =kleklt“£ 螂一e +e , +2e pry—klrxe u u搬= 一e ‘( 。f+ 一 一2 . 当 。=s p{左 5时,有L (一 + )≤o_由抛物算子的极值原理有 in f(一 l+W2)=inQf(一W1+ 2)・ ・ dQ下面分3种情形讨论: 1)若i (一W。+W:)在底边力×{ =0}上某点达到,则有 in¨ f(一Ut+rxu )≥e nxj xi1 。 L=uI l(一M + ); 在 ×{ =o t ̄,由式(3)知--//'t+ u = ,故存在常数c。>0,c>0,使得 in f(一“ +rxu )≥c。, i f(一Ut)≥一c; f, V 2)若i (一W +W:)在侧边{ =0}×[0, ]上某点(0,to)达到,则在该点 e l幻(一U +r/t )≥0; 由式(11)和(2)中第三式,有 inf(一11,t+r u )≥e一 ‘ 一 。 (一u )≥e-kzT(一A (t)一al ̄ )≥e-kit(一A ( )一ra )= e-klT(一A (t)+rA(t)一ru)≥e一 (一A (£)+rA(t)一ru(O,0)); 由条件(H )知,存在常数c。>0,使得in f(一 + )≥c。,进而结合命题2可得到一 的下界估计; 3)若inf(一W +W )在侧边{ =X}×[0,T]上某点( , 。)达到,则在该点 e (一11, £+rlJ, +rXu )≤0; 由式(11)和(2)中第四式,有 inf(一 +TXlL )≥e一 1‘ 一 。 (一 +rXu )≥e-kiT(一 (£)+bu +rXu )≥ e一 - (一B (t)+6ru +rXux)=e-k ̄T(一B (£)+鱼_r (B(t)一u( ,to)))≥ e一 (一B ( )+垒_r (B(f)一u( ,0))); 再由条件(H )知,存在常数c。>0,使得inf(一u +rxu )≥c。,结合命题2可得一u 的下界.证毕・ 最后,估计 .由于已经得出了一( 一rxu )≥c。>O,因此直接利用方程(2),可得: 834 吉林大学学报(理学版) 第50卷 命题4设“∈ 为问题(2)的解,则存在仅依赖于问题数据的常数 。,C。,使得 0<//'0<sup l I≤C3. 将式(2)中的方程两边对 求导,得 一 ]茜( t)+I_ ]嘉(1Zt)+E rxttxx] (u )一.(x,t)・ 式(12)可视为关于 的线性方程,利用关于有界系数一致抛物方程解的H ̄lder估计可得 [//,f] ∥2( )≤C4. 由命题4知[u 一T ̄.IL ] ( )≤C ,其中c ,c 为仅依赖于问题数据的常数,再次利用方程可得 [ ] , ( )≤C6. 综上,可得: 定理3设 ∈ 为问题(2)的解,则存在可控常数卢∈(0,1)和C>0,使得 I IM l 1c2幅1 ( )≤C. 利用连续性方法,综合上述结果即可完成定理1的证明. 参考文献 [1] 雍炯敏.数学金融学:理论与实践[M].北京:高等教育出版社,2000. 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