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Stochastic Partial Differential Equations, Space-Time White Noise and Random Fields

  • Open Access
  • 2026
  • Open Access
  • Buch

Über dieses Buch

Dieses Open-Access-Buch bietet eine umfassende Einführung in die Theorie stochastischer partieller Differentialgleichungen (SPDEs). Der Schwerpunkt liegt auf SPDEs, die durch Gaußsches Rauschen in der Raumzeit angetrieben werden. Das Buch behandelt sowohl lineare als auch nichtlineare SPDEs mit Lipschitz- und lokalen Lipschitz-Koeffizienten und multiplikativem Rauschen. Es bietet eine moderne Darstellung der Theorie der stochastischen Integration in Bezug auf das Raum-Zeit-Rauschen und vereinheitlicht viele Ergebnisse in der Literatur. Das Buch diskutiert grundlegende Themen wie die Existenz und Einzigartigkeit zufälliger Feldlösungen sowie deren Eigenschaften für die Regelmäßigkeit von Raum und Zeit. Das Buch präsentiert auch eine Auswahl zusätzlicher Themen wie schwache rechtliche Lösungen für SPDEs, Raum-Zeit-Markov-Eigenschaften, asymptotische Grenzen für Momente, Vergleichstheoreme, eine Studie über die Polarität von Punkten für SPDEs mit additivem Rauschen und eine Studie über SPDEs mit groben Anfangsbedingungen, die die parabolischen und hyperbolischen Anderson-Modelle und ihre Intermittenzeigenschaften umfasst. Im Kontext der stochastischen Wärmegleichung werden weitere wichtige Themen diskutiert, darunter invariante und limitierende Maßnahmen, reversible Maßnahmen und ihre Beziehung zu Brückenmaßstäben, Irreduzibilitätseigenschaften und große Intervallasymptotiken. Die Anhänge sammeln Ergebnisse aus Analysen und stochastischen Prozessen, die im gesamten Kern des Buches verwendet werden, darunter Schlüsselelemente aus der allgemeinen Theorie stochastischer Prozesse, eine detaillierte Darstellung von Kolmogorows anisotropem Kontinuitätskriterium, zahlreiche Integrierbarkeitseigenschaften der grundlegenden Lösungen und Greens Funktionen im Zusammenhang mit partiellen Differentialoperatoren für Hitze und Wellen, ausdrückliche Berechnungen einiger Raum-Zeit-Faltungsreihen und einige nützliche Lemmata vom Typ Gronwall. Das Buch zielt darauf ab, ein Nachschlagewerk für etablierte Forscher auf dem Gebiet der SPDEs zu sein, sowie für diejenigen, die daran interessiert sind, in das Feld einzutreten und sich mit seinen Techniken vertraut zu machen. Insbesondere Graduierte und Doktoranden mit einem Hintergrund in stochastischer Analyse finden hier eine umfassende und in sich geschlossene Informationsquelle, die wesentliche Fachkenntnisse in diesem Bereich bietet.

Inhaltsverzeichnis

  1. Chapter 1. Basics on Noise and SPDEs

    • Open Access
    Robert C. Dalang, Marta Sanz-Solé
    Abstract
    This chapter is devoted to introducing the notion of random noise, to informally describing SPDEs as extensions of PDEs and, through various examples, to giving motivations for the study of SPDEs. We put the focus on Gaussian random fields with an emphasis on isonormal Gaussian processes and (Gaussian) white noise on \(\mathbb {R}^{k}\), and the connections between these notions. Because of its importance throughout the book, we give particular attention to (Gaussian) space-time white noise and describe its many facets, including several series representations. Using the classical approach in several familiar examples of PDEs, we anticipate the form of the random field solutions to SPDEs which will be developed in later chapters. We close this chapter with a selection of examples of SPDEs that appear in models coming from various disciplines.
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  2. Chapter 2. Stochastic Integrals with Respect to Space-Time White Noise

    • Open Access
    Robert C. Dalang, Marta Sanz-Solé
    Abstract
    In this chapter, we develop a theory of stochastic integration that is suitable for integrating random functions of space and time with respect to space-time white noise \(W=(W(A),\, A\in \mathcal B^f_{\mathbb {R}\times D})\).
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  3. Chapter 3. Linear SPDEs Driven by Space-Time White Noise

    • Open Access
    Robert C. Dalang, Marta Sanz-Solé
    Abstract
    This chapter initiates the study of SPDEs in an elementary setting. We consider a space-time white noise as a random forcing, and we mostly restrict the spatial dimension to \(k=1\). We start by introducing two notions of solution: random field solutions and weak solutions. Although in this book, we mostly emphasize the former notion, the latter is also widely present in the theory of PDEs and of SPDEs. We will then consider SPDEs with a linear differential operator driven by additive noise. We study two fundamental examples, namely the stochastic heat and wave equations in several different settings (on the real line, on finite intervals, etc.) and we prove sharp regularity properties of their sample paths.
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  4. Chapter 4. Non-linear SPDEs Driven by Space-Time White Noise

    • Open Access
    Robert C. Dalang, Marta Sanz-Solé
    Abstract
    This chapter is devoted to the study of non-linear SPDEs defined by a linear partial differential operator \(\mathcal {L}\) on \(\mathbb {R}_+\times \mathbb {R}^{k}\) and driven by space-time white noise.
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  5. Chapter 5. Asymptotic Behaviors in the Stochastic Heat Equation

    • Open Access
    Robert C. Dalang, Marta Sanz-Solé
    Abstract
    We devote this chapter to the study of long-time behavior of solutions to SPDEs, building on ideas that originate in deterministic dynamical systems and in the theory of Markov processes.
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  6. Chapter 6. Selected Results on SPDEs Driven by Space-Time White Noise

    • Open Access
    Robert C. Dalang, Marta Sanz-Solé

    We devote this chapter to a selection of topics on SPDEs which we find to be of particular interest. The first section discusses the notion of weak solution in law, in contrast with that of random field solution that has been studied in Chaps. 3 and 4.

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Titel
Stochastic Partial Differential Equations, Space-Time White Noise and Random Fields
Verfasst von
Robert C. Dalang
Marta Sanz-Solé
Copyright-Jahr
2026
Electronic ISBN
978-3-032-01650-8
Print ISBN
978-3-032-01649-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-032-01650-8

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