Egy determinisztikus g függvényre a ∫0tfdg Riemann–Stieltjes-integrál a ∑if(si)(g(ti+1)−g(ti)) összegek határértéke olyan 0=t0<t1<⋯<tn=t felosztások mentén, amelyek finomsága, maxi(ti+1−ti), nullához tart, tetszőleges si∈[ti,ti+1] kiértékelési pontokkal. Egy klasszikus tétel szerint ez a határérték pontosan akkor létezik minden folytonos f-re, ha g korlátos változású. A Brown-pályák teljes variációja majdnem biztosan végtelen minden intervallumon, így a pályánkénti konstrukció nem használható.
A kudarc a legegyszerűbb esetben, f=g=W mellett is látszik. Jelölje ΔWi=Wti+1−Wti, és vessük össze a jobb és a bal végponti összeget:
i∑Wti+1ΔWi−i∑WtiΔWi=i∑(ΔWi)2⟶t.
A különbség a t kvadratikus variációhoz tart, nem nullához, vagyis az eredmény attól függ, hol értékeljük ki az integrandust az egyes intervallumokon. A definíciónak rögzítenie kell a kiértékelési pontot. Itô választása a bal végpont.
Egyszerű integrandusok
Rögzítsünk egy (Ω,F,P) valószínűségi mezőt egy (Ft)t≥0 filtrációval, és egy erre vonatkozó W Brown-mozgást: W adaptált, és minden Wu−Ws (u>s) növekmény független Fs-től. Egy H folyamat egyszerű, ha vannak 0=t0<t1<⋯<tn=T időpontok és ξ0,…,ξn−1 valószínűségi változók, ahol ξi korlátos és Fti-mérhető, úgy, hogy
Hs=i=0∑n−1ξi1(ti,ti+1](s).
A (ti,ti+1] intervallumon felvett érték a bal végpontban rögzül, csak az ott elérhető információ alapján. Ilyen H-ra az Itô-integrált közvetlenül véges összegként definiáljuk, tk≤t≤tk+1 esetén:
Kereskedési nyelven ξi a (ti,ti+1] alatt tartott részvények száma, amelyet ti-ben választunk, az integrál pedig a felhalmozott nyereség.
Az Itô-izometria
Tétel. Egyszerű H-ra
E[(∫0THsdWs)2]=E[∫0THs2ds].
Bizonyítás. Legyen I=∑iξiΔWi, és bontsuk a négyzetet átlós és vegyes tagokra. Az átlóban ξi2Fti-mérhető, ΔWi pedig független Fti-től, varianciája ti+1−ti, így a toronyszabály szerint
Egy i<j vegyes tagban a ξiξjΔWi szorzat Ftj-mérhető, míg E[ΔWj∣Ftj]=0; ezért E[ξiξjΔWiΔWj]=0. Az átlós tagokat összeadva E[I2]=∑iE[ξi2](ti+1−ti)=E[∫0THs2ds]. □
Az adaptáltságot kétszer használtuk: amikor ξi-t kiemeltük a feltételes várható értékből, és amikor a vegyes tagok eltűntek. Ha az integrandus belelát a saját intervallumába, mindkét lépés elromlik.
Itô-izometria: E[(∫0THdW)2]=E[∫0TH2ds]. Egy véletlen integrálra vonatkozó kérdést közönséges ds-integrállá alakít.
Kiterjesztés általános integrandusokra
Jelölje LT2 azon progresszíven mérhető (adaptált és (s,ω)-ban együttesen mérhető) folyamatok halmazát, amelyekre E[∫0THs2ds]<∞. Minden H∈LT2 előáll H(n) egyszerű folyamatok határértékeként az ∥H∥2=E[∫0THs2ds] normában. Az izometria miatt az I(H(n)) integrálok Cauchy-sorozatot alkotnak L2(Ω)-ban, tehát konvergálnak, és a határérték nem függ a közelítő sorozattól. Ez a határérték H Itô-integrálja, így az izometria az egész LT2-n érvényes. Azok az integrandusok, amelyekre csak majdnem biztosan ∫0THs2ds<∞, megállítással (lokalizációval) kezelhetők; ekkor az eredmény martingál helyett lokális martingál.
Tulajdonságok
H,K∈LT2 és a,b konstansok mellett az It=∫0tHsdWs folyamat tulajdonságai az alábbiak. Mindegyiket egyszerű integrandusokon ellenőrizzük, és a határátmenet megőrzi.
Linearitás: ∫(aH+bK)dW=a∫HdW+b∫KdW.
Nulla várható érték: E[It]=0, mert E[ξiΔWi]=E[ξiE[ΔWi∣Fti]]=0.
Martingál: s≤t esetén E[It∣Fs]=Is, és I-nek van folytonos pályájú változata.
Izometria és kovariancia: E[It2]=E[∫0tHs2ds] és E[∫0tHdW∫0tKdW]=E[∫0tHsKsds].
Kvadratikus variáció: [I]t=∫0tHs2ds, a [W]t=t integrálos megfelelője.
Determinisztikus h integrandusra az integrál normális eloszlású: ∫0th(s)dWs∼N(0,∫0th(s)2ds). Például ∫01sdWs∼N(0,1/3).
A W önmaga szerinti integrálja
Legyen H=W a [0,t] intervallumon, ti=it/n rácsponttal. A bal végponti összeg a b(a−b)=21(a2−b2)−21(a−b)2 azonossággal írható át, a=Wti+1, b=Wti választással:
Az első összeg teleszkopikus, és ez minden n-re pontos azonosság. Egyedül a második összeg marad véletlen közelítés. Minden (ΔWi)2 várható értéke t/n, varianciája 2(t/n)2, és ezek függetlenek, ezért
E[i∑(ΔWi)2]=t,Var(i∑(ΔWi)2)=n2t2⟶0.
Az összeg L2-ben t-hez tart, következésképpen
∫0tWsdWs=2Wt2−t.
A −t/2 pontosan a kvadratikus variáció fele. A szokásos analízis Wt2/2-t adna; a korrekció azért jelenik meg, mert a Brown-mozgás négyzetes növekményei a határátmenetben nem tűnnek el. Az eredmény összhangban van a fenti tulajdonságokkal: várható értéke (t−t)/2=0, varianciája Var(Wt2)/4=2t2/4=t2/2, ami egyezik az izometriából adódó ∫0tE[Ws2]ds=∫0tsds=t2/2 értékkel.
Számokkal: ha W1=1,3, akkor ∫01WdW=(1,69−1)/2=0,345, míg W12/2=0,845. Egy n lépéses rácson a bal végponti összeg eltérése (W12−1)/2-től −21(∑i(ΔWi)2−1), amelynek szórása 1/(2n): n=10 esetén 0,224, n=100 esetén 0,0707, n=10000 esetén 0,00707.
Bal végponti és felezőponti kiértékelés
Értékeljünk inkább az mi=(ti+ti+1)/2 felezőpontban. Bontsuk fel: ΔWi=Ai+Bi, ahol Ai=Wmi−Wti és Bi=Wti+1−Wmi független N(0,t/(2n)) változók. Mivel Wmi=Wti+Ai,
Itt ∑iAi2→t/2 az előbbi varianciaérvvel, ∑iAiBi várható értéke pedig nulla, varianciája n(t/2n)2→0. A felezőponti határérték a Stratonovich-integrál, jelölése ∫0tWs∘dWs=Wt2/2. Általában ∫H∘dW=∫HdW+21[H,W]t, ahol [H,W] a kvadratikus kovariáció; H=W esetén ez t/2.
Az ábra egyetlen Brown-pályát rajzol a [0,1] intervallumon, és a választott n lépésszámra (10, 100, 1000 vagy 10 000) t függvényében mutatja a ∑WtiΔWi futó bal végponti összeget, a ∑W(ti+ti+1)/2ΔWi futó felezőponti összeget, valamint a (Wt2−t)/2 és Wt2/2 görbéket. Növeld n-et, és figyeld meg, hogy a bal végponti összeg a (Wt2−t)/2, a felezőponti a Wt2/2 görbére simul. A t=1-beli kijelzők a bal összeget (W12−1)/2-vel, a felezőponti összeget W12/2-vel vetik össze, és mutatják a két összeg különbségét, amely n növelésével 0,5=t/2-höz tart. Az „Új pálya” gombbal másik pályán ismételhető; a t/2 eltérés megmarad.
(W² − t)/2Bal oldali összeg (Itô)W²/2Középponti összeg (Stratonovich)
Bal összeg · (W₁² − 1)/2
-0.500 · -0.496
Középponti összeg · W₁²/2
-0.005 · 0.004
Különbség (→ 0,5)
0.495
A két integrálnak egymást kiegészítő erősségei vannak. A Stratonovich-integrál a szokásos láncszabályt követi, ezért gyakori a fizikában, ahol a fehér zaj egy sima, de gyors fizikai jelet modellez. Az Itô-integrál martingál: E[∫0tWdW]=0, míg E[∫0tW∘dW]=t/2. A pénzügyekben modellezési ok miatt Itô-integrált használunk. A kereskedő az időszak elején, az Fti információ alapján választja meg a ξi pozíciót, és csak utána mozdul az ár. A ξi(Sti+1−Sti) nyereség bal végponti összeg. A felezőponti kiértékelés megengedné, hogy a pozíció függjön annak az ármozgásnak a feléből, amelyért fizetnek érte, ez pedig a jövőbeli információval való kereskedés egy formája. Olyan mérték alatt, amelyben a diszkontált árak martingálok, az Itô-integrál minden ilyen stratégia nyereségét is martingálnak tartja; ez annak folytonos idejű megfogalmazása, hogy egyetlen stratégia sem változtat egy igazságos játékot biztos nyereséggé.
Összefoglalás
A Brown-pályák végtelen variációjúak, ezért ∫HdW pályánként nem definiálható; az összegek értéke függ a kiértékelési ponttól.
Egyszerű adaptált H-ra az Itô-integrál ∑iξiΔWi, ahol ξiti-ben ismert; az E[(∫HdW)2]=E[∫H2ds] Itô-izometria L2-határértékkel kiterjeszti az egész LT2-re.
Az Itô-integrál lineáris, várható értéke nulla, martingál, kvadratikus variációja ∫H2ds.
∫0tWdW=(Wt2−t)/2: a −t/2 a ∑(ΔWi)2→t tényből ered. A felezőponti kiértékelés a Wt2/2 Stratonovich-értéket adja.
A pénzügyekben azért Itô-integrált használunk, mert a pozíciót az ármozgás előtt választjuk meg.
A következő lecke, „Az Itô-lemma”, a W2-re végzett számolásból általános szabályt csinál: d(Wt2)=2WtdWt+dt éppen az ∫0tWdW=(Wt2−t)/2 differenciális alakja.