Numerical methods for computing the solutions of Markov backward stochastic differential equations (BSDEs) driven by continuous-time Markov chains (CTMCs) are explored. The main contributions of this paper are as follows: (1) we observe that Euler-Maruyama temporal discretization methods for solving Markov BSDEs driven by CTMCs are equivalent to exponential integrators for solving the associated systems of ordinary differential equations (ODEs); (2) we introduce multi-stage Euler-Maruyama methods for effectively solving "stiff" Markov BSDEs driven by CTMCs; these BSDEs typically arise from the spatial discretization of Markov BSDEs driven by Brownian motion; (3) we propose a multilevel spatial discretization method on sparse grids that efficiently approximates high-dimensional Markov BSDEs driven by Brownian motion with a combination of multiple Markov BSDEs driven by CTMCs on grids with different resolutions. We also illustrate the effectiveness of the presented methods with a number of numerical experiments in which we treat nonlinear BSDEs arising from option pricing problems in finance.


翻译:本文探讨了由连续时间马尔可夫链(CTMC)驱动的马尔可夫倒向随机微分方程(BSDE)的数值求解方法。主要贡献如下:(1)发现求解CTMC驱动的马尔可夫BSDE的欧拉-丸山时间离散方法等价于求解相关常微分方程组(ODEs)的指数积分器;(2)引入多阶段欧拉-丸山方法,有效求解由CTMC驱动的“刚性”马尔可夫BSDE,这类BSDE通常源于布朗运动驱动的马尔可夫BSDE的空间离散化;(3)提出一种基于稀疏网格的多层空间离散化方法,通过结合不同分辨率网格上的多个CTMC驱动马尔可夫BSDE,高效逼近高维布朗运动驱动的马尔可夫BSDE。同时,通过一系列数值实验(包括金融期权定价问题中出现的非线性BSDE)验证了所提方法的有效性。

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