Équation différentielle stochastique

Une équation différentielle stochastique (EDS) est une généralisation de la notion d'équation différentielle prenant en compte un terme de bruit blanc. Les EDS permettent de modéliser des trajectoires aléatoires, tels des cours de bourse ou les mouvements de particules soumises à des phénomènes de diffusion. Elles permettent aussi de traiter théoriquement ou numériquement des problèmes issus de la théorie des équations aux dérivées partielles.

Les domaines d'application des EDS sont vastes : physique, biologie, dynamique des populations, écologie, mathématiques financières, traitement du signal, théorie du contrôle

Quelques approches et définitions informelles modifier

Les EDS comme trajectoires de particules modifier

Le mouvement brownien, nommé ainsi en hommage au botaniste Robert Brown, décrit le mouvement d'une particule soumise à une infinité de chocs en des temps très courts, et ses trajectoires sont erratiques. Elles ont les propriétés suivantes :

  • si l'on connaît la position de la particule à un instant  , alors la loi de sa position spatiale à un instant ultérieur   ne dépend que de sa position à cet instant  . Autrement dit, le passé, c'est-à-dire la trajectoire de la particule à des instants antérieurs à  , n'a aucune influence sur ses déplacements futurs. Cette propriété s'appelle la propriété de Markov ;
  • les particules bougent continûment dans l'espace ;
  • la loi de la position de la particule entre deux instants   et   ne dépend que de  . Les accroissements sont alors stationnaires ;
  • en fait, si   désigne la position de la particule à un instant  , alors la loi de   et de   avec   sont indépendants l'un de l'autre. Nous dirons alors que les accroissements sont indépendants. En fait, cette propriété implique la propriété de Markov ;
  • de ces deux derniers faits, et dans l'esprit du théorème central limite, il est alors possible de montrer que   suit une loi normale de moyenne   et de variance  .

En d'autres termes, la dynamique de la particule est la même quelle que soit sa position dans l'espace, et si l'on tourne les coordonnées de l'espace à l'aide d'une rotation, un mouvement brownien reste un mouvement brownien : la particule évolue dans un environnement homogène et isotrope.

La notion d'EDS permet de décrire le mouvement d'une particule dans un milieu dont les propriétés physiques peuvent varier, en créant deux effets :

  • si nous connaissons la position   d'une particule, la loi du processus à un instant   est une gaussienne dont la covariance n'est pas nécessairement l'identité, et qui peut dépendre de la position  . La covariance doit être de l'ordre de   ;
  • en temps très petit, les particules sont poussées dans une direction donnée. Nous parlerons alors de dérive. Cela implique en fait que la position moyenne de la particule à l'instant   sachant la position   est donnée par   pour un vecteur  , qui peut aussi dépendre de  .

En combinant ces deux effets, nous pouvons écrire

 ,

  est une gaussienne normale centrée de covariance l'identité. L'on vérifie facilement que

 

et

 .

En partant de  , et si l'on somme les accroissements entre   et  , alors nous obtenons

 ,

où ne faisons l'hypothèse que les variables gaussiennes   sont indépendantes, ce qui est assez raisonnable si nous souhaitons garder la propriété de Markov, c'est-à-dire l'indépendance de la loi des positions futures de la particule après   par rapport aux instant antérieurs à  . Nous pouvons prendre pour   les accroissements successifs d'un mouvement brownien.

À l'aide de la théorie des intégrales stochastiques, nous pouvons faire tendre   vers   (attention, il s'agit ici d'une convergence en probabilité !), et considérer l'équation suivante

 ,

  est un mouvement brownien,   est une fonction à valeur matricielle (qui n'est pas forcément une matrice carrée), et   une fonction à valeur vectorielle. Une telle équation, qui implique donc une intégrale stochastique, est appelée équation différentielle stochastique (EDS).

La théorie des EDS consiste donc à étudier les propriétés de cet objets, et les conditions sur les coefficients qui permettent d'assurer l'existence de tels objets.

Contrairement au mouvement brownien, les solutions d'EDS, sauf dans le cas simple où   et   sont constants, ne sont pas à accroissement indépendants et stationnaires. Par contre, elles possèdent bien la propriété de Markov.

Équations différentielles bruitées modifier

Considérons une équation différentielle ordinaire   à laquelle nous aimerions rajouter du bruit. Un bruit blanc   sera utilisé comme modèle de bruit, dont l'intensité va varier en fonction de la position de l'espace, et notre équation devient alors

 

pour une fonction  . En soi, un bruit blanc est un objet mal défini (cela correspond à un bruit aléatoire où toutes les fréquences sont présentes avec une égale probabilité), et une telle équation n'a pas de sens. Par contre, le bruit blanc étant défini formellement comme la dérivée du mouvement brownien   nous transformons notre équation en

 

dont nous pouvons prouver qu'elle a bien un sens, à l'aide du calcul stochastique, lorsqu'elle est écrite sous forme intégrale :

 

Les EDS comme limites d'équations différentielles ordinaires modifier

Une autre façon naturelle pour considérer les EDS est d'utiliser des interpolations linéaires par morceaux des trajectoires d'un mouvement brownien. Soit   une telle trajectoire, et considérons entre l'instant   et l'instant  ,

  si  

ainsi que les équations différentielles ordinaires (sous de bonnes conditions de régularité sur   et  )

 

Pouvons-nous montrer que   converge vers quelque chose quand   tend vers l'infini ? En fait, cette approche fonctionne, mais la démonstration n'est pas évidente et comporte des chausses-trappes. En fait,   converge vers la solution d'une EDS au sens de Stratonovich

 

qui implique donc une autre notion d'intégrale stochastique, ici dénotée avec un  , celle de Stratonovich. Ce résultat est dû à Eugene Wong et Moshe Zakai. Si l'on souhaite utiliser une intégrale d'Itô, alors

 

Parmi les difficultés, il convient de noter qu'il est nécessaire, sauf en dimension un, d'utiliser une famille de partition déterministe si l'on souhaite utiliser autre chose qu'une partition régulière, ainsi qu'une interpolation linéaire par morceaux, afin que la convergence vers l'EDS attendue ait bien lieu.

Quelques EDS remarquables modifier

Comme pour les équations différentielles ordinaires, nous ne savons pas résoudre une EDS dans le cas général.

Mouvement brownien géométrique modifier

Le mouvement brownien géometrique est un processus de la forme

 

Sa particularité est d'être un processus stochastique à valeurs positives. De ce fait il est utilisé en mathématiques financières pour modéliser l'évolution de cours de bourse, de taux d'intérêt, de produit financier. La dynamique de ce processus est la base même du modèle de Black-Scholes. Grâce à la formule d'Itô, le mouvement brownien géométrique est solution de

 .

Ce mouvement brownien géométrique peut également être approximé par différentes méthodes numériques ou analytiques telle que la méthode des différences finies ou l'approche binomiale.

L'équation de Langevin et le processus d'Ornstein-Uhlenbeck modifier

L'équation de Langevin donne le mouvement d'une particule dans un milieu avec friction, et soumise à une force   fluctuante (« bain thermique »), que nous prendrons comme un bruit blanc. D'après le principe fondamental de la dynamique, la vitesse de la particule est solution de :

 .

Comme précédemment, cette équation n'a pas vraiment de sens, à moins de la poser sous la forme :

 ,

  est un mouvement brownien. Le paramètre   spécifie l'intensité de la friction. Cette équation peut être résolue directement :

 .

C'est un processus d'Ornstein-Uhlenbeck, et sa particularité est d'être un processus gaussien. Sa moyenne et sa variance sont :

  et  .

Notons qu'ici, nous avons considéré la vitesse de la particule. Sa position est donnée par  , et est en soi une trajectoire régulière, mais qui reste un processus gaussien.

En faisant tendre certains paramètres vers l'infini, alors nous pouvons approcher   par une EDS.

Particule aléatoire dans un champ de force modifier

Nous pouvons raffiner l'équation de Langevin en ajoutant un champ de force qui dépend de la position. Alors la position et la vitesse de la particule sont solutions d'une équation que nous écrirons sous la forme

   est le champ de force considéré, et  . Il est alors possible de montrer que la position  , lorsque   tend vers l'infini, se comporte elle-même comme la solution de l'EDS

 

En application, si   est un potentiel, c'est-à-dire que son gradient est une force, alors

 

est une EDS couramment utilisée en physique. Sans la présence du mouvement brownien dans le modèle précédent, la particule sera immobilisée au fond des puits de  , c'est-à-dire là où le gradient   est nul. En présence d'un bruit, même petit, elle a alors la possibilité de s'échapper et de passer d'un puits à l'autre, et de telles dynamiques sont souvent étudiées (on a parfois des phénomènes de résonance stochastique).

Pont brownien modifier

La probabilité qu'un mouvement brownien atteigne un point donné à un temps fixé   est nulle. Cependant, on a parfois besoin de considérer la trajectoire d'un mouvement brownien (ici en une dimension) conditionnée par un tel événement. On peut construire un tel objet   comme la solution de

 

Les trajectoires de   partiront de   et atteindront le point   au temps  . Le processus   est un processus gaussien.

Méthode de résolution numérique modifier

Les équations différentielles stochastiques peuvent être résolues numériquement et notamment par une méthode particulière de Runge-Kutta.

Lien avec les équations aux dérivées partielles modifier

Équation de Fokker-Planck modifier

Généralisations modifier

Il existe de multiples généralisations de la notion des EDS que nous venons de présenter :

Domaines d'applications modifier

Notes et références modifier

Voir aussi modifier

Bibliographie modifier

Simulation

  • P. Kloeden et E. Platen, Numerical Solution of Stochastic Differential Equations, Springer, 2000. (ISBN 3-540-54062-8)
  • P. Kloeden, E. Platen et H. Schurz, Numerical Solution of SDE Through Computer Experiments, Universitext, Springer, 2003. (ISBN 3-540-57074-8)
  • B. Lapeyre, E. Pardoux et R. Sentis, Méthodes de Monte-Carlo pour les équations de transport et de diffusion, Springer, 1998. (ISBN 3-540-63393-6)

Articles connexes modifier

Liens externes modifier