{"title":"A Robust $$\\alpha $$-Stable Central Limit Theorem Under Sublinear Expectation without Integrability Condition","authors":"Lianzi Jiang, Gechun Liang","doi":"10.1007/s10959-023-01298-x","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"Abstract This article fills a gap in the literature by relaxing the integrability condition for the robust $$\\alpha $$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mi>α</mml:mi> </mml:math> -stable central limit theorem under sublinear expectation. Specifically, for $$\\alpha \\in (0,1]$$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mrow> <mml:mi>α</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>]</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> , we prove that the normalized sums of i.i.d. non-integrable random variables $$\\big \\{n^{-\\frac{1}{\\alpha }}\\sum _{i=1}^{n}Z_{i}\\big \\}_{n=1}^{\\infty }$$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>{</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mfrac> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mi>α</mml:mi> </mml:mfrac> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:msubsup> <mml:mo>∑</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>i</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:msubsup> <mml:msub> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mi>i</mml:mi> </mml:msub> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:msubsup> </mml:mrow> </mml:math> converge in law to $${\\tilde{\\zeta }}_{1}$$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:msub> <mml:mover> <mml:mi>ζ</mml:mi> <mml:mo>~</mml:mo> </mml:mover> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:msub> </mml:math> , where $$({\\tilde{\\zeta }}_{t})_{t\\in [0,1]}$$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mover> <mml:mi>ζ</mml:mi> <mml:mo>~</mml:mo> </mml:mover> <mml:mi>t</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>]</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> is a multidimensional nonlinear symmetric $$\\alpha $$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mi>α</mml:mi> </mml:math> -stable process with jump uncertainty set $${\\mathcal {L}}$$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mi>L</mml:mi> </mml:math> . The limiting $$\\alpha $$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mi>α</mml:mi> </mml:math> -stable process is further characterized by a fully nonlinear partial integro-differential equation (PIDE): $$\\begin{aligned} \\left\\{ \\begin{array}{l} \\displaystyle \\partial _{t}u(t,x)-\\sup \\limits _{F_{\\mu }\\in {\\mathcal {L}}}\\left\\{ \\int _{{\\mathbb {R}}^{d}}\\delta _{\\lambda }^{\\alpha }u(t,x)F_{\\mu }(d\\lambda )\\right\\} =0,\\\\ \\displaystyle u(0,x)=\\phi (x),\\quad \\forall (t,x)\\in [0,1]\\times {\\mathbb {R}}^{d}, \\end{array} \\right. \\end{aligned}$$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mstyle> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>∂</mml:mi> <mml:mi>t</mml:mi> </mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:munder> <mml:mo>sup</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>F</mml:mi> <mml:mi>μ</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:mi>L</mml:mi> </mml:mrow> </mml:munder> <mml:mfenced> <mml:msub> <mml:mo>∫</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>d</mml:mi> </mml:msup> </mml:msub> <mml:msubsup> <mml:mi>δ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>α</mml:mi> </mml:msubsup> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>F</mml:mi> <mml:mi>μ</mml:mi> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>d</mml:mi> <mml:mi>λ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mfenced> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mstyle> </mml:mtd> </mml:mtr> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mstyle> <mml:mrow> <mml:mrow /> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mspace /> <mml:mo>∀</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>]</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>d</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mstyle> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math> where $$\\begin{aligned} \\delta _{\\lambda }^{\\alpha }u(t,x):=\\left\\{ \\begin{array}{ll} u(t,x+\\lambda )-u(t,x)-\\langle D_{x}u(t,x),\\lambda \\mathbbm {1}_{\\{|\\lambda |\\le 1\\}}\\rangle , &{}\\quad \\alpha =1,\\\\ u(t,x+\\lambda )-u(t,x), &{}\\quad \\alpha \\in (0,1). \\end{array} \\right. \\end{aligned}$$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>δ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>α</mml:mi> </mml:msubsup> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>λ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mo>⟨</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>D</mml:mi> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>λ</mml:mi> <mml:msub> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>{</mml:mo> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mi>λ</mml:mi> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mo>≤</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>}</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>⟩</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mrow /> <mml:mspace /> <mml:mi>α</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mrow /> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>λ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mrow /> <mml:mspace /> <mml:mi>α</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>.</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math> The approach used in this study involves the utilization of several tools, including a weak convergence approach to obtain the limiting process, a Lévy–Khintchine representation of the nonlinear $$\\alpha $$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mi>α</mml:mi> </mml:math> -stable process and a truncation technique to estimate the corresponding $$\\alpha $$ <mml:math xmlns:mml=\"http://www.w3.org/1998/Math/MathML\"> <mml:mi>α</mml:mi> </mml:math> -stable Lévy measures. In addition, the article presents a probabilistic method for proving the existence of a solution to the above fully nonlinear PIDE.","PeriodicalId":0,"journal":{"name":"","volume":null,"pages":null},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2023-11-03","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"0","resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":null,"PeriodicalName":"","FirstCategoryId":"1085","ListUrlMain":"https://doi.org/10.1007/s10959-023-01298-x","RegionNum":0,"RegionCategory":null,"ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":null,"EPubDate":"","PubModel":"","JCR":"","JCRName":"","Score":null,"Total":0}
引用次数: 0
Abstract
Abstract This article fills a gap in the literature by relaxing the integrability condition for the robust $$\alpha $$ α -stable central limit theorem under sublinear expectation. Specifically, for $$\alpha \in (0,1]$$ α∈(0,1] , we prove that the normalized sums of i.i.d. non-integrable random variables $$\big \{n^{-\frac{1}{\alpha }}\sum _{i=1}^{n}Z_{i}\big \}_{n=1}^{\infty }$$ {n-1α∑i=1nZi}n=1∞ converge in law to $${\tilde{\zeta }}_{1}$$ ζ~1 , where $$({\tilde{\zeta }}_{t})_{t\in [0,1]}$$ (ζ~t)t∈[0,1] is a multidimensional nonlinear symmetric $$\alpha $$ α -stable process with jump uncertainty set $${\mathcal {L}}$$ L . The limiting $$\alpha $$ α -stable process is further characterized by a fully nonlinear partial integro-differential equation (PIDE): $$\begin{aligned} \left\{ \begin{array}{l} \displaystyle \partial _{t}u(t,x)-\sup \limits _{F_{\mu }\in {\mathcal {L}}}\left\{ \int _{{\mathbb {R}}^{d}}\delta _{\lambda }^{\alpha }u(t,x)F_{\mu }(d\lambda )\right\} =0,\\ \displaystyle u(0,x)=\phi (x),\quad \forall (t,x)\in [0,1]\times {\mathbb {R}}^{d}, \end{array} \right. \end{aligned}$$ ∂tu(t,x)-supFμ∈L∫Rdδλαu(t,x)Fμ(dλ)=0,u(0,x)=ϕ(x),∀(t,x)∈[0,1]×Rd, where $$\begin{aligned} \delta _{\lambda }^{\alpha }u(t,x):=\left\{ \begin{array}{ll} u(t,x+\lambda )-u(t,x)-\langle D_{x}u(t,x),\lambda \mathbbm {1}_{\{|\lambda |\le 1\}}\rangle , &{}\quad \alpha =1,\\ u(t,x+\lambda )-u(t,x), &{}\quad \alpha \in (0,1). \end{array} \right. \end{aligned}$$ δλαu(t,x):=u(t,x+λ)-u(t,x)-⟨Dxu(t,x),λ1{|λ|≤1}⟩,α=1,u(t,x+λ)-u(t,x),α∈(0,1). The approach used in this study involves the utilization of several tools, including a weak convergence approach to obtain the limiting process, a Lévy–Khintchine representation of the nonlinear $$\alpha $$ α -stable process and a truncation technique to estimate the corresponding $$\alpha $$ α -stable Lévy measures. In addition, the article presents a probabilistic method for proving the existence of a solution to the above fully nonlinear PIDE.