Weak convergence of the Milstein scheme for semi-linear parabolic stochastic evolution equations

Zusammenfassung

The numerical analysis of the Milstein scheme for stochastic ordinary differential equations (SDEs) is relatively well understood. It converges with both strong and weak order one. However, much less is known about the Milstein scheme and its variants when applied to stochastic partial differential equations or more general stochastic evolution equations. This thesis focuses on the weak convergence of the Milstein scheme in the latter setting. We prove that, similar to the SDE case, it also achieves an order of almost one — specifically, an order of 1 − ε for all ε > 0. More concretely, we work in the semigroup framework introduced by Da Prato and Zabczyk and examine the approximation of mild solutions of equations of semi-linear parabolic type. In addition, we allow the drift coefficient of the evolution equation to take values in certain distribution spaces associated to the dominating linear operator. In that case, the order of convergence depends on the regularity of the coefficients and tends to zero as the regularity decreases. The proof employs elements of the mild stochastic calculus recently introduced by Da Prato, Jentzen and Röckner (Trans. Amer. Math. Soc., 372(6), 2019) and crucially depends on recent results on the regularity of solutions to the associated infinite-dimensional Kolmogorov backward equation by Andersson, Hefter, Jentzen and Kurniawan (Potential Anal., 50(3), 2019). It is based on work by Jentzen and Kurniawan investigating Euler-type schemes (Found. Comput. Math., 21(2), 2021).

Beschreibung

Die Numerik des Milstein-Verfahrens für stochastische gewöhnliche Differenzialgleichungen (SDEs) wurde bereits umfassend untersucht. Es konvergiert sowohl mit starker als auch schwacher Ordnung eins. Im Gegensatz dazu ist über das Milstein-Verfahren für stochastische partielle Differenzialgleichungen oder allgemeinere stochastische Evolutionsgleichungen (SEEs) noch wenig bekannt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der schwachen Konvergenz des Milstein-Verfahrens im Kontext von SEEs. Wir beweisen, dass es, ähnlich zum SDE-Fall, von der Ordnung fast eins ist – genauer, von der Ordnung 1 − ε für alle ε > 0. Wir bedienen uns dabei der Halbgruppentheorie von Da Prato und Zabczyk und untersuchen die Approximation sogenannter milder Lösungen von Gleichungen des semilinearen parabolischen Typs. Insbesondere lassen wir zu, dass der Driftkoeffizient der Evolutionsgleichung Werte in gewissen, mit dem dominierenden linearen Operator assoziierten, Distributionsräumen annimmt. In diesem Fall hängt die Konvergenzordnung von der Regularität der Koeffizienten ab und strebt für abnehmende Regularität gegen null. Der Beweis verwendet Elemente der milden stochastischen Analysis, welche vor Kurzem von Da Prato, Jentzen und Röckner (Trans. Amer. Math. Soc., 372(6), 2019) eingeführt wurde, und hängt entscheidend von neuen Resultaten über die Regularität der Lösungen der assoziierten unendlich-dimensionalen Kolmogorow-Rückwärtsgleichung von Andersson, Hefter, Jentzen und Kurniawan (Potential Anal., 50(3), 2019) ab. Er basiert auf der Arbeit von Jentzen und Kurniawan (Found. Comput. Math., 21(2), 2021), die Verfahren vom Euler-Typ untersucht.

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