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Optimal One-Point Approximation of Stochastic Heat Equations with Additive Noise

Wagner, Tim (2008)
Optimal One-Point Approximation of Stochastic Heat Equations with Additive Noise.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

Abstract

Let X be the mild solution of a stochastic heat equation taking values in a Hilbert space H=L^2((0,1)^d) driven by a (cylindrical) Brownian motion W with values in H. We study the strong approximation of X at a fixed time point t=T for equations with additive noise. The algorithms we consider, are based on evaluations of a finite number of one-dimensional components of W at a finite number of time nodes. For the first time, non-equidistant time discretizations are considered. We analyze the smallest possible error obtained by arbitrary algorithms that use at most a total of N evaluations. The main results of this thesis are the derivation of the weak asymptotic of these minimal errors, depending on the spatial dimension d and the smoothness of W, and further the construction of asymptotically optimal approximations. In particular, we show that asymptotic optimality, in general, is only achieved by approximation schemes based on non-equidistant time discretizations. We complete our analytical results with simulation studies.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2008
Creators: Wagner, Tim
Type of entry: Primary publication
Title: Optimal One-Point Approximation of Stochastic Heat Equations with Additive Noise
Language: English
Referees: Ritter, Prof. Dr. Klaus ; Geiß, Prof. Dr. Stefan
Date: 8 November 2008
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Technische Universität
Refereed: 2007
URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11703
Abstract:

Let X be the mild solution of a stochastic heat equation taking values in a Hilbert space H=L^2((0,1)^d) driven by a (cylindrical) Brownian motion W with values in H. We study the strong approximation of X at a fixed time point t=T for equations with additive noise. The algorithms we consider, are based on evaluations of a finite number of one-dimensional components of W at a finite number of time nodes. For the first time, non-equidistant time discretizations are considered. We analyze the smallest possible error obtained by arbitrary algorithms that use at most a total of N evaluations. The main results of this thesis are the derivation of the weak asymptotic of these minimal errors, depending on the spatial dimension d and the smoothness of W, and further the construction of asymptotically optimal approximations. In particular, we show that asymptotic optimality, in general, is only achieved by approximation schemes based on non-equidistant time discretizations. We complete our analytical results with simulation studies.

Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Sei X die milde Lösung einer stochastischen Wärmeleitungsgleichung mit Werten im Hilbertraum H=L^2((0,1)^d). Diese Gleichung werde von einer (zylindrischen) Brownschen Bewegung W getrieben, die ebenfalls Werte in H annimmt. Wir analysieren das Problem der starken Approximation von X zu einem festen Zeitpunkt t=T für Gleichungen mit additivem Rauschen. Dazu betrachten wir Algorithmen, die auf einer endlichen Anzahl der eindimensionalen Komponenten von W an einer endlichen Zahl von Auswertungspunkten basieren. Zum ersten Mal werden deshalb auch solche Approximationen betrachtet, die auf nicht äquidistanten Zeitdiskretisierungen basieren.

German

Wir untersuchen den kleinstmöglichen Fehler, der durch beliebige Algorithmen, die auf einer vorgegebenen Anzahl N von Auswertungen beruhen, erreichbar ist. Die Hauptergebnisse der Arbeit sind die Bestimmung der schwachen Asymptotik dieser minimalen Fehler in Abhängigkeit von der räumlichen Dimension d und der Glattheit der treibenden Brownschen Bewegung W und die Konstruktion asymptotisch optimaler Approximationen. Es zeigt sich insbesondere, dass asymptotische Optimalität im Allgemeinen nur von Algorithmen erreicht wird, die auf nicht äquidistanter Zeitdiskretiserung basieren. Die analytischen Ergebnisse werden durch Simulationsbeispiele ergänzt.

German
Uncontrolled Keywords: Stochastic heat equations, Strong approximation, Minimal errors, Lower bounds, Non-equidistant time discretization
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 510 Mathematics
Divisions: 04 Department of Mathematics
04 Department of Mathematics > Stochastik
Date Deposited: 21 Nov 2008 10:17
Last Modified: 26 Aug 2018 21:25
PPN:
Referees: Ritter, Prof. Dr. Klaus ; Geiß, Prof. Dr. Stefan
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2007
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