高宏
归谬法证明《随机过程》布朗运动基本假设不能成立
2023-2-10 20:42
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归谬法是一种反驳或推翻谬误的逻辑方法。归谬法首先假设被反驳的命题(谬误)为真,然后通过演绎推理,推出一个与已知为真的科学事实或科学理论相悖的结论,让被反驳的命题不攻自破,从而否定假设,证明被反驳的命题不能成立。

一、《随机过程》布朗运动基本假设

基本假设也称科学公理(不证自明的基本命题)或科学定律(用科学语言表述的对自然现象的规律性认识),基本假设是利用公理化方法构建科学理论的逻辑基础,例如,欧几里得《几何原本》中的公理和《牛顿力学》中的牛顿运动定律,均为科学史上著名的基本假设。

《牛顿力学》是描述质点确定运动现象及规律的科学理论,《随机过程》布朗运动理论是描述质点随机运动现象及规律的科学理论。

X(t)为一个布朗粒子在t时刻的位移,《随机过程》教科书根据爱因斯坦布朗运动扩散方程的浓度分布规律,给出了如下的布朗运动基本假设:

X(t)N(0,σ2t

即一个布朗粒子在t时刻的位移X(t)服从均值为零、方差为σ2t的正态分布。

《随机过程》布朗运动理论就是将上述基本假设(运动定律)作为出发点,按照逻辑推理规则,推导出来的演绎知识系统。

二、归谬法证明布朗运动基本假设不能成立

假设布朗运动基本假设X(t)~N(0,σ2t为真,《随机过程》教科书由此推导出了“布朗运动瞬时速度无穷大”、“布朗运动瞬时速度不存在”和“布朗运动路径处处不可导”的可检验结论。

《物理学》的布朗运动瞬时速度实验结果表明:布朗运动的瞬时速度为平均功率有限的白噪声(图1),布朗运动的瞬时速度(导数)不仅存在,而且可实验观测。

图 规律.png

图1 不同形式的布朗运动位移及瞬时速度

显然,从布朗运动位移基本假X(t)~N(0,σ2t推导出的布朗运动瞬时速度结论与《物理学》实验结果完全不符,从而证明X(t)~N(0,σ2t的基本假设不能成立。

事实上,布朗运动是一种广泛存在于自然界和人类社会实践活动中的随机运动,自然科学、工程技术和社会科学等领域的观察实验结果均表明:布朗粒子运动、股票价格波动、陀螺随机游走和表面微观形貌等不同形式的布朗运动位移均不服从正态分布,它们的瞬时速度均为平均功率有限的白噪声(图1)

《随机过程》描述的布朗运动现象及规律与客观事实根本不符,为自然科学、工程技术和社会科学提供了错误的理论、方法及工具

三、布朗运动基本假设不能成立的历史原因分析

1905年,爱因斯坦首先对布朗运动进行了定量研究,根据布朗运动扩散方程得出了大量布朗粒子在扩散过程中的浓度f(t,x)服从正态分布规律:

f(t,x)N(0,2Dt

式中D为扩散系数。

1908年,法国物理学家佩兰(Perrin)实验证明了爱因斯坦布朗运动浓度服从正态分布的结论,同时也第一次实验证明了原子的存在,佩兰因此于1926年获得了诺贝尔物理学奖。

由于物理学中的可观测宏观物理量(温度、压强等)只与大量微观粒子的统计规律(浓度分布、平均动能等)有关,因此物理学家并不关注单个布朗粒子的运动现象及规律,导致《物理学》教科书中的质点运动学只描述质点的确定性运动现象及规律,而不研究质点的随机性运动现象及规律。

1921年,美国著名数学家维纳(Wiener)对“一个布朗粒子所走曲线的数学性质”产生了浓厚兴趣,将《物理学》描述大量布朗粒子浓度f(t,x)的空间统计规律,抽象为描述单个布朗粒子位移X(t)的时间变化规律,在布朗运动定义中给出了如下的基本假设:

X(t)N(0,σ2t

因此,维纳混淆《物理学》位移和浓度基本概念的常识性错误,导致《随机过程》布朗运动基本假设中的数量关系与客观事实完全不符,在此基础上建立的《随机过程》布朗运动理论必然无法正确描述布朗运动现象、特征及规律。

令人遗憾的是,物理学、工程技术和社会科学等领域的专家学者并没有意识到自己大量的实验研究结果早就推翻了《随机过程》布朗运动基本假设及结论,而随机过程领域的数学家们却与现实世界完全脱节,竟然不知道《随机过程》布朗运动理论基本假设及结论与物理学、工程技术和社会科学等领域的经验事实(布朗运动现象及规律)根本不符,100多年来也始终未发现布朗运动基本假设中存在混淆物理概念并违反同一律的逻辑错误,导致《随机过程》布朗运动理论的客观真理性和逻辑完备性在逻辑出发点就遭到彻底破坏,为自然科学、工程技术和社会科学等相关学科研究布朗运动现象及规律,提供了错误的数学理论、错误的数学方法及错误的数学工具

四、布朗运动基本假设在工程领域的应用现状

由于《随机过程》布朗运动理论无法正确描述布朗运动现象及规律,工程技术领域早就抛弃了《随机过程》布朗运动基本假设,根据“布朗运动瞬时速度为白噪声”的实验规律,直接将布朗运动定义为白噪声信号的积分(与维纳“布朗运动路径处处不可导”的著名论断根本对立)因而能正确描述并有效补偿惯性陀螺仪中的随机游走(布朗噪声)误差,使飞机、导弹、潜艇和宇宙飞船等航行体达到预定的导航精度和制导精度。

五、布朗运动基本假设在金融领域的应用现状

虽然金融领域无数的实证研究结果早就表明:股票价格的短期收益率(瞬时速度)为白噪声序列,但是《金融数学》仍然使用《随机过程》布朗运动基本假设,并由此推导出了著名的B-S期权定价公式。由于B-S期权定价公式为股票、债券、货币、商品等金融衍生产品的定价提供了数学工具,B-S期权定价公式迅速被广泛应用于金融市场,使金融市场获得了空前规模的发展。但是,《随机过程》布朗运动基本假设与金融市场的价格波动现象及规律严重不符,导致B-S期权定价公式成为造成 1987、1997 和 2007 年三次重大金融危机的罪魁祸首。

被誉为“中国金融数学开创者”、获得2020未来科学大奖“数学与计算机科学奖”的彭实戈院士,在《中国基础研究发展报告(2019年)》第二章中国数学前沿进展中明确指出:B-S 期权定价理论是造成以前历次重大金融危机的关键性原因。

英国著名数学家斯图尔特(Stewart)在《改变世界的17个方程》书中写道:B-S期权定价公式改变了世界,它不仅创造了一个金额难以估计的产业,而且也造成了人类历史上最大的金融体系崩溃。

畅销书《黑天鹅》作者塔勒布(Taleb)在《金融时报》上发表了题为“破坏市场的伪科学”专栏文章,对金融数学进行了严厉的批判:人们从一次又一次的金融危机中得出了“金融数学的有效性与占星术一样不靠谱”和“金融数学通过创造风险来危害金融系统”的结论。塔勒布痛斥B-S期权定价公式获得诺贝尔奖不仅是对科学的侮辱,而且一直使金融体系面临崩溃的风险。

 

参考:

实验检验方法检验《随机过程》布朗运动理论的客观真理性

逻辑检验方法检验《随机过程》布朗运动理论的逻辑完备性


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