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Máster y doctorado

Integral de Itô y cálculo estocástico

Queremos sumar un peso multiplicado por cada cambio del browniano. El peso debe elegirse antes de ver ese cambio. Esa decisión conduce a la integral de Itô y explica por qué el cambio de variable necesita un término que no aparece en cálculo ordinario.

1. El instante en que se elige el peso cambia la suma

En una trayectoria suave podemos sumar H·Δa y pasar a una integral ordinaria. El browniano es continuo, pero tiene variación total infinita casi seguramente en cada intervalo no trivial. La teoría general de integración contra trayectorias de variación finita no cubre este caso. Eso no impide toda integral: necesitamos otra construcción y precisar qué integrandos admite.

La evaluación izquierda y la derecha difieren por los cuadrados
Valores: 0 → 1 → 0 → 20123Q=1²+(−1)²+2²=6Izquierda: 0·1+1·(−1)+0·2=−1Derecha: 1·1+0·(−1)+2·2=5Derecha − izquierda = QPromedio simétrico: (−1+5)/2=2
Ejemplo algebraico inventado con valores cero, uno, cero y dos en tres intervalos de longitud uno. No se presenta como simulación ni como prueba estadística browniana. Los incrementos son uno, menos uno y dos, por lo que su suma de cuadrados Q es seis. La suma izquierda de valor por incremento es menos uno; la derecha es cinco y su media simétrica dos. Se verifica derecha menos izquierda igual Q y promedio igual la mitad de cuatro, el cuadrado del valor final. Para particiones brownianas refinadas, Q converge al tiempo; esa es la corrección que distingue Itô de Stratonovich.

Itô toma un peso conocido al comienzo de cada intervalo, antes del siguiente incremento. No es una elección decorativa: izquierda, derecha y promedio simétrico pueden tener límites distintos. Primero lo vemos en la identidad exacta (b+Δb)²−b²=2bΔb+(Δb)², que no utiliza probabilidad.

Sumar con un mismo registro de valores

Valores inventados 0,1,0,2 en tres intervalos.

  1. Incrementos

    Son 1,−1,2 y la suma de cuadrados Q es 1+1+4=6.
  2. Izquierda

    0·1+1·(−1)+0·2=−1.
  3. Derecha

    1·1+0·(−1)+2·2=5; derecha menos izquierda es seis.
Resultado

La diferencia entre evaluaciones es exactamente Q.

Lo comprobamos

Este registro ilustra álgebra; no demuestra una ley browniana.

La identidad antes de tomar un límite

B₀=0 y una partición finita hasta T.

  1. Cada tramo

    Δ(B²)=2B izquierda·ΔB+(ΔB)².
  2. Telescopar

    Sumar los cambios de B² deja B final².

  3. Despejar

    La suma izquierda es (B final²−Q)/2; la suma derecha es (B final²+Q)/2.

Resultado

El promedio de ambas es B final²/2.

Lo comprobamos

En un camino suave Q tiende a cero; en el browniano tiende a T.

2. La integral elemental multiplica pesos conocidos por incrementos futuros

En una partición determinista 0=t₀<…<tₙ=T, H es elemental si vale Hᵢ en (tᵢ,tᵢ₊₁], con Hᵢ medible para ℱtᵢ y E Hᵢ²<∞.

Definimos \int_0^T H_s\,dB_s=\sum_{i=0}^{n-1}H_i(B_{t_{i+1}}-B_{t_i}).

Los valores en instantes aislados no alteran la clase para P×dt.

En cada intervalo se fija el valor antes de observar su incremento
H: 2 hasta 1; −1 hasta 32−1013I=2(B₁−B₀)−(B₃−B₁)E I=0; Var(I)=4·1+1·2=6Cuadrado del peso × duración.
Integrando determinista H igual dos entre los tiempos cero y uno, y menos uno entre uno y tres. Los anchos de los tramos siguen una misma escala temporal. La suma de Itô es dos por B uno menos B cero, menos B tres menos B uno. Sus incrementos son independientes, de varianzas uno y dos. La media es cero y la varianza cuatro por uno más uno por dos igual seis. Los círculos y el escalón indican evaluación al comienzo; no representan una trayectoria del ruido.

Cada sumando tiene media cero. Los términos cruzados tienen media cero al condicionar en el inicio del incremento posterior: el resto ya es pasado conocido.

Para los cuadrados, independencia da E[Hᵢ²(ΔBᵢ)²]=E Hᵢ²·Δtᵢ.

Estas dos cuentas producen la isometría de Itô.

Un escalón con dos pesos deterministas

H=2 en (0,1] y H=−1 en (1,3].

  1. Integral

    I=2B₁−(B₃−B₁).
  2. Media

    Los dos incrementos tienen media cero: E I=0.

  3. Varianza

    Los intervalos son disjuntos: Var(I)=4·1+1·2=6.
Resultado

El signo del peso cambia la suma, pero su cuadrado entra en la varianza.

Lo comprobamos

No se usa una duración de tres para el segundo tramo: dura dos.

Un peso aleatorio que sí llega a tiempo

H=B₁ en (1,2] y cero antes.

  1. Información

    En el tiempo uno conocemos B₁ antes de observar B₂−B₁.

  2. Integral

    I=B₁(B₂−B₁).
  3. Momentos

    La independencia da E I=0 y E I²=E B₁²·E(B₂−B₁)²=1.
Resultado

El peso puede ser aleatorio y seguir siendo admisible.

Lo comprobamos

Ambos factores son normales independientes, pero su producto no es normal: su cuarto momento es nueve, frente a tres para N(0,1).

3. La isometría permite definir límites sin adivinar una velocidad browniana

Para H predecible con E∫₀ᵀH²ds<∞, aproximamos por procesos elementales en L²(P×dt). La identidad \mathbb E\left|\int(H-K)\,dB\right|^2=\mathbb E\int|H-K|^2\,ds hace de sus integrales una sucesión de Cauchy y define un límite independiente de la aproximación. También se admiten integrandos progresivamente medibles de esta clase mediante la construcción equivalente.

Iₜ=∫₀ᵗH dB tiene una versión continua y es una martingala cuadrado-integrable, con E Iₜ=0 y E Iₜ²=E∫₀ᵗH²ds. Si solo ∫₀ᵀH²ds<∞ casi seguramente, la localización define una martingala local. No se deduce de ello media cero global: faltan condiciones de integrabilidad que permitan quitar las paradas.

Controlar el error de una aproximación

E∫₀ᵀ|H−K|²ds≤1/100.

  1. Aplicar isometría

    E|∫H dB−∫K dB|²≤1/100.
  2. Raíz

    El error en norma L² es como máximo 1/10.

  3. Probabilidad

    Chebyshev da P(|error|≥1/2)≤(1/100)/(1/4)=1/25.
Resultado

Una cota en la norma del integrando controla la integral.

Lo comprobamos

Es una probabilidad acotada, no un error máximo determinista.

Un integrando determinista creciente

Hₛ=s en [0,2].

  1. Condición

    ∫₀²s²ds=8/3, finita.
  2. Media

    E∫₀²s dBₛ=0.
  3. Segundo momento

    La isometría da varianza 8/3.

Resultado

La varianza integra el cuadrado del peso.

Lo comprobamos

Integrar s daría dos y no es la cuenta pedida.

4. Los cuadrados de los incrementos dejan una contribución al refinar

Para una partición determinista, la suma browniana Q converge a T en L² al reducir la malla.

Se expresa como [B]ₜ=t.

Si X=X₀+∫b ds+∫σdB con integrabilidad local apropiada, [X]_t=\int_0^t\sigma_s^2\,ds. La parte continua de variación finita no aporta variación cuadrática ni covariación con la parte martingala.

En Taylor, el término (1/2)f″(ΔX)² se acumula en (1/2)f″σ²dt.

La regla simbólica (dB)²=dt resume ese límite.

No transforma dB en un número que se pueda elevar y dividir sin comprobar hipótesis. Los restos de Taylor se controlan con localización y convergencia de sumas en la demostración rigurosa.

La deriva no añade variación cuadrática

Xₜ=5t−3Bₜ.

  1. Parte regular

    5t tiene variación finita en un horizonte finito.

  2. Parte ruidosa

    El coeficiente es −3; su cuadrado es nueve.

  3. Resultado

    [X]ₜ=∫₀ᵗ9ds=9t.
Resultado

La deriva puede cambiar el camino sin cambiar esta medida de rugosidad.

Lo comprobamos

No se obtiene 25t+9t ni una variación negativa.

Recuperar la integral del propio browniano

Usar la identidad de sumas izquierdas de la primera sección.

  1. Identidad finita

    S izquierda=(Bₜ²−Q)/2.
  2. Límites

    La suma izquierda converge a ∫₀ᵗBₛdBₛ y Q converge a t.

  3. Fórmula

    ∫₀ᵗBₛdBₛ=(Bₜ²−t)/2.
Resultado

El término −t/2 nace de los cuadrados acumulados.

Lo comprobamos

Tomar esperanzas da cero porque E Bₜ²=t.

5. Calculamos las derivadas antes de sustituir en la fórmula de Itô

Sea dX=bₜdt+σₜdB con coeficientes progresivos y ∫₀ᵀ(|bₛ|+σₛ²)ds<∞ casi seguramente en cada horizonte de existencia.

Para f∈C¹,², df(t,X_t)=(f_t+b_tf_x+\tfrac12\sigma_t^2f_{xx})(t,X_t)\,dt+\sigma_tf_x(t,X_t)\,dB_t.

C¹,² pide una derivada temporal y dos espaciales continuas.

Es una identidad entre procesos integrales, con localización si hace falta. Para tomar esperanzas y borrar la integral estocástica comprobamos una condición suficiente como E∫₀ᵀ|σₛf_{x}(s,Xₛ)|²ds<∞. Que f sea suave no prueba esa condición. Primero derivamos, luego evaluamos y al final simplificamos.

Cuadrado de una difusión con deriva

Xₜ=1+2t+3Bₜ; f(x)=x².

  1. Derivadas

    f′=2x y f″=2; b=2, σ=3.
  2. Tiempo

    b f′+(σ²/2)f″=4Xₜ+9.
  3. Ruido

    σ f′=6Xₜ; d(Xₜ²)=(4Xₜ+9)dt+6XₜdBₜ.
Resultado

El nueve no se elimina porque el ruido tenga media cero.

Lo comprobamos

En horizontes finitos X tiene segundo momento finito, suficiente aquí para tomar esperanzas.

Una función que depende también del tiempo

f(t,x)=tx² y X=B.

  1. Derivadas

    f_{t}=x², f_{x}=2tx, f_{xx}=2t.
  2. Sustituir

    b=0, σ=1: el coeficiente temporal es Bₜ²+t.
  3. Resultado

    d(tBₜ²)=(Bₜ²+t)dt+2tBₜdBₜ.
Resultado

Aparecen tanto la derivada temporal como la corrección espacial.

Lo comprobamos

La esperanza es t²; su derivada 2t coincide con E(Bₜ²+t).

6. El producto añade covariación y la matriz de ruido cuenta las mezclas

Para dX=b dt+σdB y dY=c dt+ηdB con el mismo browniano, d[X,Y]=σηdt.
La regla es d(XY)=X dY+Y dX+d[X,Y].

Con brownianos independientes, su covariación es cero en la filtración conjunta usual.

En dimensión d, dX=b dt+ΣdW, con componentes de W independientes.

La corrección de f es \tfrac12\sum_{i,j}(\Sigma\Sigma^\mathsf T)_{ij}\partial_{ij}f\,dt. Las derivadas mixtas importan cuando las coordenadas comparten ruido. En una suma sobre todos i,j, los términos simétricos i,j y j,i compensan el factor un medio en el caso de un producto.

Producto de dos múltiplos del mismo ruido

X=2B y Y=−3B.

  1. Covariación

    d[X,Y]=2·(−3)dt=−6dt.
  2. Producto

    X dY+Y dX=−12B dB.
  3. Resultado

    d(XY)=−12B dB−6dt; también XY=−6B².
Resultado

La covariación puede ser negativa.

Lo comprobamos

La variación cuadrática [X]=4t sigue siendo no negativa.

Una derivada mixta que no se puede omitir

X=B¹ y Y=B¹+B², con ruidos independientes.

  1. Covarianza del ruido

    d[X,Y]=dt, aunque W¹ y W² sean independientes.
  2. Función

    f(x,y)=xy tiene f_{xy}=f_{yx}=1 y f_{xx}=f_{yy}=0.
  3. Corrección

    (1/2)(1+1)dt=dt, así E(XₜYₜ)=t.
Resultado

Usar solo las derivadas diagonales perdería toda la media del producto.

Lo comprobamos

La cuenta directa E[B¹ₜ(B¹ₜ+B²ₜ)]=t lo confirma.

7. Una integral con peso aleatorio no es necesariamente normal

Si H es determinista y pertenece a L²(0,T), sus integrales elementales son combinaciones de normales independientes. El límite L² conserva la ley gaussiana con media cero y varianza ∫H²ds.

En particular ∫c dB=cBₜ para c constante.

Con H aleatorio, la isometría sigue dando un segundo momento si se cumplen sus condiciones, pero no determina toda la ley. Para H=B, la integral es (Bₜ²−t)/2, acotada inferiormente por −t/2 y no degenerada para t>0; una normal no degenerada no tiene tal cota.

Su varianza es t²/2, porque E Bₜ⁴=3t².

Una normal obtenida de un peso no constante

I=∫₀¹2s dBₛ.

  1. Determinismo

    El peso 2s está fijado de antemano.

  2. Varianza

    ∫₀¹4s²ds=4/3.
  3. Ley

    I tiene distribución N(0,4/3).

Resultado

La normalidad necesita aquí el peso determinista.

Lo comprobamos

La desviación típica es 2/√3.

Misma media cero y una forma de ley diferente

J=∫₀²BₛdBₛ.

  1. Identidad

    J=(B₂²−2)/2.
  2. Cota

    Como B₂²≥0, J≥−1.
  3. Momento

    Var(J)=2²/2=2 por isometría o momentos gaussianos.
Resultado

J no es N(0,2), aunque comparta su media y varianza.

Lo comprobamos

La cota inferior basta para distinguir las distribuciones.

8. Anticipar y cambiar a Stratonovich son dos cambios que hay que declarar

Poner Hₛ=B_{T} desde el inicio anticipa el futuro para la filtración browniana natural.

La suma forzada sería B_{T}·B_{T}=B_{T}², de media T.

No es una integral de Itô de un integrando predecible para esa filtración y no contradice su media cero.

Para H semimartingala continua, la integral de Stratonovich cumple \int H\circ dB=\int H\,dB+\tfrac12[H,B].

En particular ∫B∘dB=Bₜ²/2.

En una EDE escalar con coeficiente σ suficientemente suave, la deriva de Itô es bI=bS+(1/2)σσ′. Con ruido aditivo constante no hay corrección de deriva. Se declara siempre la convención usada.

Un peso que conoce el resultado final

H=B₂ usado durante todo [0,2].

  1. Suma forzada

    B₂ΣΔB=B₂².
  2. Esperanza

    E B₂²=2.
  3. Fallo de hipótesis

    B₂ no se conoce al empezar los intervalos anteriores a dos; no es el integrando predecible requerido.

Resultado

No usamos la regla de media cero de Itô en esta suma anticipativa.

Lo comprobamos

Ser una variable con segundo momento finito no basta para que llegue a tiempo.

Convertir el mismo símbolo de ruido en dos modelos precisos

X₀=1; comparar dX=X∘dB con dY=YdB en Itô.

  1. Convertir Stratonovich

    σ(x)=x, σ′=1: dX=(X/2)dt+X dB, cuya solución es exp(Bₜ).
  2. Modelo de Itô

    dY=YdB tiene solución exp(Bₜ−t/2).
  3. Medias

    E Xₜ=eᵗᐟ² y E Yₜ=1; no describen la misma ley.
Resultado

Cambiar el símbolo sin ajustar la deriva cambia el modelo.

Lo comprobamos

Aplicar Itô a ambas exponenciales verifica sus ecuaciones.

9. Una corrección bien elegida crea una martingala; una esquina exige otro teorema

Para Zₜ=exp(θBₜ−θ²t/2), la derivada temporal es −θ²Z/2 y la mitad de la segunda espacial es θ²Z/2: se cancelan.

Queda dZ=θZ dB.

Los momentos gaussianos dan E Zₜ=1 y E Zₜ²=exp(θ²t), finito en cada horizonte; aquí podemos afirmar martingala verdadera.

La fórmula C² no se aplica directamente a |x| porque tiene una esquina en cero. Tanaka añade tiempo local: |Bₜ|=∫₀ᵗsgn(Bₛ)dBₛ+Lₜ⁰, con la normalización usual de tiempo local semimartingala. El término Lₜ⁰ registra la contribución concentrada en cero. Es una extensión distinta, no una segunda derivada clásica que valga cero en todos los puntos.

Elegir la corrección exponencial

θ=2; Zₜ=exp(2Bₜ−2t).

  1. Derivadas

    f_{t}=−2f, f_{x}=2f y f_{xx}=4f.
  2. Cancelar

    f_{t}+f_{xx}/2=−2f+2f=0.
  3. Resultado

    dZ=2Z dB; E Zₜ=1 por la fórmula de momentos normal.
Resultado

Sin −2t, la exponencial tendría deriva positiva.

Lo comprobamos

E Zₜ²=e⁴ᵗ permite comprobar la integrabilidad en un intervalo finito.

Por qué una esquina no se puede ignorar

Intentar aplicar la cadena clásica a |Bₜ| desde cero.

  1. Cálculo incompleto

    Escribir solo ∫sgn(B)dB produciría una media cero, pues el integrando está acotado.

  2. Media real

    Bₜ es normal y E|Bₜ|=√(2t/π)>0 para t>0.
  3. Término que faltaba

    Tanaka da E Lₜ⁰=√(2t/π), que aporta esa diferencia.
Resultado

La esquina tiene una contribución que la fórmula clásica no detecta.

Lo comprobamos

El ejemplo identifica el fallo; la existencia del tiempo local es parte del teorema de Tanaka.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Cuadrado browniano

Calcula d(B_t²).

  1. Función

    Tomamos f(x)=x², suave de clase C².
  2. Derivadas

    f′(x)=2x y f″(x)=2.
  3. Proceso

    Para X=B, b=0 y σ=1.
  4. Término temporal

    (σ²/2)f″=(1/2)·1·2=1.
  5. Ruido

    σf′=2Bₜ, así d(Bₜ²)=2BₜdBₜ+dt.
  6. Comprobar

    La integral de 2B tiene media cero en horizontes finitos y la esperanza del cuadrado es t.

Resultado

d(B_t²)=2B_t dB_t+dt.

Lo comprobamos

Tomar esperanzas produce E B_t²=t.

EJEMPLO RESUELTO 2

Integral determinista

Calcula la varianza de ∫₀² 3 dB_s.

  1. Integrando

    Hₛ=3 es determinista y predecible en [0,2].
  2. Condición

    ∫₀²H²ds=9·2=18, finita.
  3. Media

    La integral de Itô tiene media cero.

  4. Isometría

    Su segundo momento es ∫₀²9ds=18.
  5. Varianza

    Como la media es cero, segundo momento y varianza coinciden.

  6. Comprobación directa

    La integral es 3B₂ y Var(3B₂)=9·2=18.
Resultado

La varianza es 18.

Lo comprobamos

La integral es 3B₂, con la misma varianza.

Los símbolos que hemos usado

B y(ℱₜ)
Browniano estándar respecto de una filtración: el incremento futuro es independiente de la información presente.
Hₜ
Integrando predecible; su valor para el siguiente incremento se decide con la información anterior.
L²(P×dt)
Espacio de procesos con E∫₀ᵀ|Hₜ|²dt finita, identificados salvo igualdad casi en todas partes.
Iₜ=∫₀ᵗHₛdBₛ
Integral de Itô, una martingala cuadrado-integrable bajo la condición global L².
[X,Y]ₜ
Covariación cuadrática, límite apropiado de sumas de productos de incrementos;[X]=[X,X].
C¹,²
Funciones f(t,x) con una derivada continua en t y dos derivadas continuas en x.
Xₜ=X₀+∫bₛds+∫σₛdBₛ
Proceso de Itô continuo con parte de variación finita y parte martingala.
∫H∘dB
Integral de Stratonovich, indicada con círculo y relacionada con Itô mediante covariación.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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