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        中立型隨機(jī)延遲微分方程θ-方法的均方穩(wěn)定性*

        2014-09-05 09:23:58王文強(qiáng)
        關(guān)鍵詞:均方湘潭結(jié)論

        王文強(qiáng)

        (湘潭大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

        中立型隨機(jī)延遲微分方程θ-方法的均方穩(wěn)定性*

        王文強(qiáng)

        (湘潭大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

        討論θ-方法用于求解非線性中立型隨機(jī)延遲微分方程初值問題時(shí)數(shù)值解的穩(wěn)定性,給出了θ-方法均方穩(wěn)定的一個(gè)充分條件.

        中立型隨機(jī)延遲微分方程;θ-方法;均方穩(wěn)定

        隨機(jī)延遲微分方程數(shù)值方法的穩(wěn)定性研究是一件很有意義的工作,近年來已經(jīng)開始受到越來越多的學(xué)者關(guān)注,相關(guān)的研究成果逐漸多起來.文獻(xiàn)[1]提出了隨機(jī)延遲微分方程Milstein方法.文獻(xiàn)[2]建立了數(shù)值方法的均方穩(wěn)定性(MS-穩(wěn)定性)概念,證明了當(dāng)線性標(biāo)量系統(tǒng)的真解是均方穩(wěn)定時(shí),Euler-Maruyama方法的數(shù)值解是MS-穩(wěn)定的.文獻(xiàn)[3]研究了帶有延遲項(xiàng)的隨機(jī)微分方程半隱式Milstein數(shù)值方法的穩(wěn)定性,通過對數(shù)值方法應(yīng)用到線性試驗(yàn)方程上得到的差分方程進(jìn)行討論,給出了半隱式Milstein方法MS-穩(wěn)定與GMS-穩(wěn)定的條件.文獻(xiàn)[4]運(yùn)用Halanay-type理論,對常系數(shù)線性隨機(jī)延遲微分方程給出了Euler-Maruyama方法均方穩(wěn)定的判別準(zhǔn)則.文獻(xiàn)[5]研究了一類帶有延遲項(xiàng)的線性隨機(jī)延遲微分方程Milstein數(shù)值方法的穩(wěn)定性,通過對數(shù)值方法應(yīng)用到線性試驗(yàn)方程上得到的差分方程進(jìn)行討論,給出了Milstein方法MS-穩(wěn)定的條件.文獻(xiàn)[6]研究了改進(jìn)的Milstein方法在有限區(qū)間上對隨機(jī)延遲微分方程的分片近似的相關(guān)結(jié)論.文獻(xiàn)[7-12]研究了隨機(jī)延遲微分方程不同數(shù)值方法的均方穩(wěn)定性與收斂性.文獻(xiàn)[13]研究了中立型非線性隨機(jī)延遲微分方程單步方法的均方收斂性.文獻(xiàn)[14]進(jìn)一步研究了中立型非線性隨機(jī)延遲微分方程半隱式Euler方法的均方穩(wěn)定性.

        筆者主要討論非線性中立型隨機(jī)延遲微分方程初值問題,給出了θ-方法均方穩(wěn)定的一個(gè)充分條件.

        1 中立型隨機(jī)延遲微分方程

        設(shè)(Ω,F,{Ft}t≥0,P)是完備的概率空間,濾子{Ft}t≥0滿足通常條件,即它們是右連續(xù)的且每一個(gè)Ft都包含所有的零概率集.考慮下列中立型隨機(jī)延遲微分方程初值問題:

        其中:實(shí)常數(shù)τ>0;W(t)是一維標(biāo)準(zhǔn)Wiener過程;初始函數(shù)φ是H?lder連續(xù)的,即存在常數(shù)γ>0,L>0,使當(dāng)t,s∈[-τ,0]時(shí),有E(|φ(t)-φ(s)|p)≤L|t-s|pγ,p=1,2;映射f:[0,+∞)×R×R→R和g:[0,+∞)×R×R→R充分光滑且滿足

        (2)

        其中L,K1,K2均為常數(shù),x∨y=max(x,y),且存在常數(shù)λ∈(0,1),對任意x,y1,y2∈R,有|N(y1)-N(y2)|≤λ|y1-y2|,

        |N(x)|≤λ|x|.

        (3)

        此時(shí)方程(1)存在唯一強(qiáng)解X(t).

        2 θ-方法的均方穩(wěn)定性

        將θ-方法用于數(shù)值求解初值問題(1),得到

        Xk+1-N(Xk+1-m)=Xk-N(Xk-m)+(θf(tk+1,Xk+1,Xk+1-m)+(1-θ)f(tk,Xk,Xk-m))h+

        g(tk,Xk,Xk-m)ΔWk2∈k=0,1,2,....

        (4)

        引理1 用θ-方法求解初值問題(1)所得的數(shù)值解{Xk}滿足下列不等式:

        證明由Yk=Xk-N(Xk-m)和(3)式,可得

        |Xk|=|Yk+N(Xk-m)|≤|Yk|+|N(Xk-m)|≤|Yk|+λ|Xk-m|.

        (5)

        同理可得

        (6)

        將(6)式代入(5)式,有

        |Xk|≤|Yk|+λ|Yk-m|+λ2|Yk-2m|+...+λc(k)|Yk-c(k)m|+λc(k)+1|Xk-c(k)m-m|.

        (7)

        (7)式兩邊平方,利用Cauchy不等式得

        (8)

        (8)式兩邊取數(shù)學(xué)期望,并注意到當(dāng)l≤0時(shí),有Xl=φ(lh),則引理1的結(jié)論得證.

        作為一種特殊情形,根據(jù)文獻(xiàn)[15]中推論6.8容易得到下面的結(jié)論:

        定理1 如果方程(1a)滿足下列條件:

        (ⅰ) 存在2個(gè)正數(shù)λ1,λ2,使得對任意的x,y∈R,有

        2(x-N(y))f(t,x,y)+g2(t,x,y)≤-λ1|x-N(y)|2+λ2y2;

        那么方程(1)的零解是均方漸近穩(wěn)定的.

        將定理1稍加修改,可以得到下面的結(jié)論:

        引理2 如果方程(1a)滿足下列條件:

        (ⅰ) 存在2個(gè)常數(shù)μ1>0,μ2≥0,使得對任意的x,y∈R,有

        2(x-N(y))f(t,x,y)≤-μ1|x-N(y)|2+μ2y2;

        (9)

        (ⅱ)

        (10)

        那么方程(1)的零解是均方漸近穩(wěn)定的.

        證明根據(jù)三角不等式知|x|2=|x-N(y)+N(y)|2≤(|x-N(y)|+|N(y)|)2≤(|x-N(y)|+λ|y|)2.根據(jù)Cauchy不等式知

        |x|2≤(|x-N(y)|+λ|y|)2≤(1+λ2)(|x-N(y)|2+|y|2).

        (11)

        因此聯(lián)立(2),(9),(11)式可得

        2(x-N(y))f(t,x,y)+g2(t,x,y)≤ -(μ1-(1+λ2)K2)|x-N(y)|2+

        (μ2+(1+λ2)K2)y2.

        (12)

        根據(jù)定理1聯(lián)立(10)和(12)式即知結(jié)論成立.

        (13)

        (14)

        -7x2(1+x)+4x4(2x-1)<0,

        (15)

        下面給出關(guān)于數(shù)值方法穩(wěn)定性分析的結(jié)論.首先記

        證明由格式(4)得

        Yk+1-θf(tk+1,Xk+1,Xk+1-m)h=Yk+(1-θ)f(tk,Xk,Xk-m)h+g(tk,Xk,Xk-m)ΔWk,

        (16)

        (16)式兩邊同時(shí)平方,移項(xiàng)整理得

        (1-θ)2f2(tk,Xk,Xk-m)h2+g2(tk,Xk,Xk-m)(ΔWk)2+

        2(1-θ)Ykf(tk,Xk,Xk-m)h+2Ykg(tk,Xk,Xk-m)ΔWk+

        2(1-θ)hf(tk,Xk,Xk-m)g(tk,Xk,Xk-m)ΔWk.

        因此

        2(1-θ)hf(tk,Xk,Xk-m)g(tk,Xk,Xk-m)ΔWk.

        (17)

        注意到E(ΔWk)=0,E[(ΔWk)2]=h,而且Xk,Xk-m都是Ftk可測的,因此容易得到

        (18)

        又根據(jù)已知條件(9)得

        (19)

        根據(jù)數(shù)學(xué)期望的性質(zhì)和(2)式知

        (20)

        將(18),(19)和(20)式代入(15)式取數(shù)學(xué)期望得

        (21)

        根據(jù)引理1的結(jié)論整理(21)式可得

        +(1+λ2)μ2θhλ2c(k+1-m)S,

        (22)

        (23)

        其中σ1(h;θ,λ,μ2,K1,K2,S)=(1+λ2)S(2(1-θ)2K1h+μ2+2K2).

        (24)

        記M=max(ρ,λ)<1,則由(24)式進(jìn)一步可得

        定理3 當(dāng)步長h

        證明由Xk=Yk+N(Xk-m)和Cauchy不等式,可得

        (25)

        (25)式兩邊取數(shù)學(xué)期望有

        (26)

        又根據(jù)定理2的結(jié)論,對(26)式兩邊同時(shí)取極限得

        [1] HU Yaozhong,SALAH-ELDIN A MOHAMMED,YAN Feng.Discrete-Time Approximations of Stochastic Delay Equations:The Milstein Scheme[J].The Annals of Probability,2004,32(1A):265-314.

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        [3] CAO Wanrong.The Convergence and Stability of Some Numerical Methods for Stochastic Differential Delay Equation[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2004.

        [4] CHRISTOPHER T H BAKER,EVELYN BUCKWAR.Exponential Stability inp-th Mean of Solutions,and of Convergent Euler-Type Solutions,of Stochastic Delay Differential Equations[J].Journal of Computational and Applied Mathematics,2005,184:404-427.

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        (責(zé)任編輯 向陽潔)

        Mean-SquareStabilityofθ-MethodsforNeutralNonlinearStochasticDelayDifferentialEquations

        WANG Wenqiang

        (School of Mathematics and Computational Science,Xiangtan University,Xiangtan 411105,Hunan China)

        The mean-square stability of Euler method is investigated for nonlinear neutral stochastic delay differential equations.It is proved that the numerical method is mean-square stable(MS-stable) under a sufficient condition.

        neutral stochastic delay differential equations;θ-methods;mean-square stable

        1007-2985(2014)02-0010-05

        2013-11-20

        國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11271311,11171352)

        王文強(qiáng)(1971-),男(苗族),湖南邵陽人,湘潭大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院教授,博士后,主要從事常微分方程數(shù)值解研究.

        O175.13

        A

        10.3969/j.issn.1007-2985.2014.02.004

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