×

具有局部Lipschitz漂移的SDE的分裂方法:FitzHugh-Nagumo模型的说明。 (英语) Zbl 1491.65014号

摘要:本文构造并分析了一类带加性噪声的半线性随机微分方程(SDE)的显式数值分裂方法,其中漂移可以多项式增长且满足整体单边Lipschitz条件。证明了该方法是一阶均方收敛的,并保持了SDE的重要结构性质。首先,它在每个迭代步骤中都是次椭圆的。其次,它是几何遍历的,并且具有渐近有界的二阶矩。第三,它保留了振荡动力学,例如振幅、频率和振荡的相位,即使是对于大的时间步长也是如此。我们的结果在随机FitzHugh-Nagumo模型上进行了说明,并与Euler Maruyama方法的已知均方收敛驯服/截断变体进行了比较。所提出的分裂方法能够保持上述特性,这可能使其适用于不同的统计推断过程。相比之下,已知的Euler-Maruyama类型方法通常无法保持此类属性,从而产生了基于病态条件的似然估计工具或基于模拟的计算不可行的推理算法。

MSC公司:

65立方米 随机微分和积分方程的数值解
60华氏35 随机方程的计算方法(随机分析方面)
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Ableidinger,M。;Buckwar,E.,随机Landau-Lifshitz方程的分裂积分器,SIAM J.Sci。计算。,38,A1788-A1806(2016)·Zbl 1342.60111号
[2] Ableidinger,M。;巴克瓦尔,E。;Hinterleitner,H.,Jansen和Rit神经质量模型的随机版本:分析和数值,J.Math。神经科学。,7, 8 (2017) ·Zbl 1395.92027号
[3] 阿拉莫。;Sanz-Serna,J.M.,研究分裂随机积分器的强局部误差和弱局部误差的技术,SIAM J.Numer。分析。,54, 6, 3239-3257 (2016) ·Zbl 1353.65004号
[4] Alyushina,L.A.,单调系数Itó方程的欧拉多边形线,理论概率。申请。,32, 2, 340-345 (1988) ·Zbl 0663.60049号
[5] 阿诺德,L.,《随机微分方程:理论与应用》(1974),威利出版社,威利纽约·Zbl 0278.60039号
[6] 北伯格伦德。;Landon,D.,随机FitzHugh-Nagumo模型中的混合模式振荡和峰间间隔统计,非线性,25,8,2303-2335(2012)·Zbl 1248.60059号
[7] 布兰斯,S。;卡萨斯,F。;Murua,A.,微分方程数值积分中的分裂和合成方法,Bol。Soc.Esp.Mat.Apl.公司。,45 (2009)
[8] Bonaccosi,S。;Mastrogiacomo,E.,随机FitzHugh Nagumo系统的分析,无限期。尺寸。分析。量子概率。相关。顶部。,11, 03, 427-446 (2008) ·Zbl 1172.35422号
[9] Bou-Rabee,N.,二阶Langevin随机偏微分方程的Cayley分裂(2017)
[10] 北卡罗来纳州Bou-Rabee。;Owhadi,H.,随机环境下变分积分器的长期精度,SIAM J.Numer。分析。,48, 1, 278-297 (2010) ·Zbl 1215.65012号
[11] Bréhier,C.E。;Goudenège,L.,随机Allen-Cahn方程的一些分裂格式的分析,离散Contin。动态。系统。,序列号。B、 244169-4190(2019)·Zbl 07099047号
[12] 巴克瓦尔,E。;坦博里诺,M。;Tubikanec,I.,《部分观测扩散过程的基于光谱密度和保留测量的ABC》。哈密顿SDE图解,统计计算。,30, 3, 627-648 (2020) ·Zbl 1505.62081号
[13] 陈,Z。;Raman,B。;Stern,A.,Hodgkin-Huxley型系统的保结构数值积分器,SIAM J.Sci。计算。,42、1、B273-B298(2020)·Zbl 1431.65238号
[14] 谢瓦利埃,J。;Melnykova,A。;Tubikanec,I.,《多类Hawkes过程的扩散近似:理论和数值分析》,Adv.Appl。概率。,53, 3, 716-756 (2021) ·Zbl 1471.60106号
[15] 克莱伦,Q。;Samson,A.,部分观测椭圆和次椭圆线性随机微分方程中估计的最优控制,Stat.推理Stoch。工艺。,23, 1, 105-127 (2020) ·Zbl 1436.62077号
[16] Cohen,D.,《关于随机振荡器的数值离散化》,数学。计算。模拟。,82, 8, 1478-1495 (2012) ·Zbl 1246.65012号
[17] Da Prato,G。;Zabczyk,J.,《无限维系统的遍历性》,伦敦数学学会讲义系列(1996),剑桥大学出版社·Zbl 0849.60052号
[18] de la Cruz,H。;Jimenez,J.C.,多维Ornstein-Uhlenbeck过程的精确路径模拟,应用。数学。计算。,366,第124734条pp.(2020)·Zbl 1433.60075号
[19] 迪特勒夫森,S。;Samson,A.,《亚椭圆扩散:完全和部分观测的过滤和推断》,J.R.Stat.Soc.B,81,2,361-384(2019)·Zbl 1420.62094号
[20] FitzHugh,R.,神经膜理论模型中的冲动和生理状态,生物物理学。J.,1,6,445-466(1961)
[21] Ginzburg,V.L.公司。;Landau,L.D.,《超导理论》,Zh。埃克斯普·特尔。Fiz.公司。,20, 1064-1082 (1950)
[22] 郭,Q。;刘伟。;毛,X。;Yue,R.,部分截断Euler-Maruyama方法及其稳定性和有界性,应用。数字。数学。,115, 235-251 (2017) ·Zbl 1358.65008号
[23] 海尔,E。;卢比奇,C。;Wanner,G.,《几何-数值积分》(2006),施普林格:施普林格-海德堡·Zbl 1094.65125号
[24] 海尔,E。;诺塞特,S.P。;Wanner,G.,《求解常微分方程:非刚性问题》(2000),Springer:Springer-Blin
[25] 海姆·D·J。;毛,X。;Stuart,A.M.,非线性随机微分方程欧拉型方法的强收敛性,SIAM J.Numer。分析。,40, 1041-1063 (2002) ·Zbl 1026.65003号
[26] 霍奇金,A.L。;赫胥黎,A.F.,《膜电流的定量描述及其在神经传导和兴奋中的应用》,《生理学杂志》。,117, 4, 500-544 (1952)
[27] 汉弗莱斯,A.R。;Stuart,A.M.,《决定论和随机动力学系统:理论和数值》,(Bourlioux,A.;Gander,M.J.;Sabidussi,G.,《科学计算和应用中的现代方法》,《科学计算机和应用的现代方法,北约科学丛书》(丛书II:数学、物理和化学),第75卷(2002年),施普林格荷兰:施普林格(荷兰多德雷赫特),211-254·Zbl 1051.37026号
[28] Hutzenthaler,M。;Jentzen,A.,具有非全局Lipschitz连续系数的随机微分方程的数值逼近,Mem。美国数学。Soc.,236(2012年)
[29] Hutzenthaler,M。;Jentzen,A。;Kloeden,P.E.,非全局Lipschitz连续系数随机微分方程欧拉方法的有限时间强发散和弱发散,Proc。R.Soc.A,4671563-1576(2011)·Zbl 1228.65014号
[30] Hutzenthaler,M。;Jentzen,A。;Kloeden,P.E.,非全局Lipschitz连续系数SDE显式数值方法的强收敛性,Ann.Appl。概率。,22, 4, 1611-1641 (2012) ·Zbl 1256.65003号
[31] Hutzenthaler,M。;Wakolbinger,A.,局部调节分支种群的遍历行为,Ann.Appl。概率。,17, 20, 474-501 (2007) ·Zbl 1125.60112号
[32] Kamke,E.,Differentialgleichungen Lösungsmethoden und Lösongen:Gewöhnliche Differentionalgleichugen(1983),Teubner
[33] 凯利,C。;Lord,G.J.,非线性随机系统的自适应时间步进策略,IMA J.Numer。分析。,38, 3, 1523-1549 (2017) ·兹比尔1477.65023
[34] 凯利,C。;Lord,G.J.,具有非全局Lipschitz系数的随机系统的自适应欧拉方法,Numer。算法(2021)
[35] Khasminskii,R.,微分方程的随机稳定性(2011),Springer
[36] 哈斯明斯基,R。;Klebaner,F.C.,小随机扰动下Lotka-Volterra系统解的长期行为,Ann.Appl。概率。,11, 3, 952-963 (2001) ·Zbl 1061.34513号
[37] 克劳登,体育。;Platen,E.,随机微分方程的数值解(1992),Springer:Springer-Blin·Zbl 0752.60043号
[38] Krylov,N.V.,单调系数Itós方程解存在性的简单证明,理论问题。申请。,35, 3, 583-587 (1991) ·兹标0735.60061
[39] 莱姆库勒,B。;Matthews,C.,《分子动力学:用确定性和随机数值方法》(2015),施普林格国际出版社:施普林格国际出版社。查姆·Zbl 1351.82001号
[40] 莱姆库勒,B。;马修斯,C。;Stoltz,G.,平衡和非平衡Langevin分子动力学平均值的计算,IMA J.Numer。分析。,36, 1, 13-79 (2015) ·Zbl 1347.65014号
[41] León,J.R。;Samson,A.,亚椭圆随机FitzHugh-Nagumo神经元模型:混合、上交叉和尖峰率估计,Ann.Appl。概率。,28, 4, 2243-2274 (2018) ·Zbl 1406.92087号
[42] Mao,X.,《随机微分方程及其应用》(1997),霍伍德出版社:霍伍德出版社奇切斯特出版社·Zbl 0892.60057号
[43] Mao,X.,随机微分方程的截断Euler-Maruyama方法,J.Compute。申请。数学。,290, 370-384 (2015) ·Zbl 1330.65016号
[44] Mao,X.,随机微分方程截断Euler-Maruyama方法的收敛速度,J.Compute。申请。数学。,296, 362-375 (2016) ·Zbl 1378.65036号
[45] J.C.马丁利。;Stuart,A.M。;Higham,D.J.,SDE和近似的遍历性:局部Lipschitz向量场和退化噪声,Stoch。过程。申请。,101, 2, 185-232 (2002) ·Zbl 1075.60072号
[46] 麦克拉克伦,R。;Quispel,G.,分裂方法,Acta Numer。,11, 341-434 (2002) ·Zbl 1105.65341号
[47] Melnykova,A.,全观测下亚椭圆遍历扩散的参数推断,Stat.inference Stoch。工艺。,23, 595-635 (2020) ·Zbl 1465.62047号
[48] Milstein,G.N.,随机微分方程组解的均方近似收敛阶定理,理论概率论。申请。,32, 4, 738-741 (1988) ·Zbl 0655.60046号
[49] Milstein,G.N。;Tretyakov,M.V.,《Langevin型方程的拟符号方法》,IMA J.Numer。分析。,23, 4, 593-626 (2003) ·Zbl 1055.65141号
[50] Milstein,G.N。;Tretyakov,M.V.,《数学物理的随机数值》,科学计算(2004),施普林格:施普林格柏林·Zbl 1085.60004号
[51] Milstein,G.N。;Tretyakov,M.V.,计算Langevin方程的遍历极限,物理学。D: 非线性现象。,229, 1, 81-95 (2007) ·Zbl 1117.65012号
[52] Misawa,T.,随机微分方程数值积分的李代数方法,SIAM J.Sci。计算。,23, 3, 866-890 (2001) ·Zbl 1004.65010号
[53] 穆拉托夫,C.B。;Vanden-Eijnden,E.,极限环开始附近弛豫振荡器中噪声诱导的混合模振荡,混沌,18,1,文章015111 pp.(2008)
[54] Nagumo,J。;Arimoto,S。;Yoshizawa,S.,模拟神经轴突的主动脉冲传输线,Proc。IRE,50,10,2061-2070(1962)
[55] Nualart,D.,《Malliavin微积分及相关主题,概率及其应用》(1995年),施普林格出版社·兹比尔083760050
[56] Petersen,W.P.,稳定随机微分方程数值模拟的一般隐式分裂,SIAM J.Numer。分析。,35, 4, 1439-1451 (1998) ·Zbl 0914.65144号
[57] 波克恩,Y。;Stuart,A.M。;Wiberg,P.,部分观测到的亚椭圆扩散的参数估计,J.R.Stat.Soc.B,71,1,49-73(2009)·Zbl 1231.62152号
[58] Pons,O.,密度、回归模型和过程的函数估计(2011),世界科学出版社:新加坡世界科学出版社·Zbl 1275.62025号
[59] 奎因,B。;克拉克森,我。;McKilliam,R.,《关于交错稀疏、有噪声定时数据周期的周期图估计器》(IEEE Stat.Signal Processing Workshop(2014)),232-235
[60] R: 《统计计算的语言和环境》(2011年),R统计计算基金会:R统计计算基础,奥地利维也纳
[61] Sabanis,S.,变系数欧拉近似:超线性增长扩散系数的情况,Ann.Appl。概率。,26, 4, 2083-2105 (2016) ·Zbl 1352.60101号
[62] Shardlow,T.,耗散粒子动力学的分裂,SIAM J.Sci。计算。,24, 4, 1267-1282 (2003) ·Zbl 1043.60048号
[63] Söderlind,G.,对数范数。历史与现代理论,BIT Numer。数学。,46, 631-652 (2006) ·Zbl 1102.65088号
[64] Strang,G.,《关于差分格式的构造和比较》,SIAM J.Numer。分析。,5, 3, 506-517 (1968) ·Zbl 0184.38503号
[65] Ström,T.,关于对数范数,SIAM J.Numer。分析。,12, 5, 741-753 (1975) ·Zbl 0321.15012号
[66] 斯特罗门·梅尔博,A.H。;Higham,D.J.,加性噪声线性随机振荡器的数值模拟,应用。数字。数学。,51, 89-99 (2004) ·Zbl 1060.65007号
[67] Tretyakov,M.V。;Zhang,Z.,局部Lipschitz系数SDE的基本均方收敛定理及其应用,SIAM J.Numer。分析。,51, 6, 3135-3162 (2013) ·Zbl 1293.60069号
[68] Trotter,H.F.,关于算子半群的乘积,Proc。美国数学。《社会学杂志》,第10、4、545-551页(1959年)·Zbl 0099.10401号
[69] 图比卡内克,I。;坦博里诺,M。;兰斯基,P。;Buckwar,E.,非均匀几何布朗运动不同数值方法的定性性质,J.计算。申请。数学。,406,第113951条pp.(2022)·Zbl 1490.60209号
[70] 范德波尔,B.,《自由和受迫三极管振动振幅理论》,《无线电评论》,第1期,第701-710页(1920年)
[71] 范德波尔(Van der Pol,B.),《关于“弛豫振荡”》(On“relaxation-oscillations”),菲洛斯(Philos)。Mag.,2,11,978-992(1926)
[72] Weiglhofer,W.S。;Lindsay,K.A.,《常微分方程及其应用:应用数学家、物理学家、工程师、生物科学家的数学方法》,Ellis Horwood数学及其应用系列(1999),Albion Pub。
[73] 张,Z。;Ma,H.,具有局部Lipschitz系数的SDE的序保护强格式,Appl。数字。数学。,112, 1-16 (2017) ·兹比尔1354.65017
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。