5.3. Propriedades de processos de Wiener

Vejamos diversas propriedades de processos de Wiener.

Processo Gaussiano

Um processo de Wiener é um exemplo de processo Gaussiano. Para ver isso, dados t1,…,tn≥0,t_1, \ldots, t_n \geq 0, podemos escrever cada Wt1,…,WtnW_{t_1}, \ldots, W_{t_n} como combinação linear das normais independentes Wt1−Wt0,W_{t_1} - W_{t_0}, Wt2−Wt1,W_{t_2} - W_{t_1}, ..., Wtn−Wtn−1,W_{t_n} - W_{t_{n-1}}, onde t0=0,t_0 = 0, i.e.

Wtj=Wtj−Wtj−1+⋯+Wt1−Wt0. W_{t_j} = W_{t_j} - W_{t_{j-1}} + \cdots + W_{t_1} - W_{t_0}.

Dessa forma, a distribuição conjunta de Wt1,…,WtnW_{t_1}, \ldots, W_{t_n} é dada por

P(Wt1≤x1,…,Wtn≤xn)=P(Wt1−Wt0≤x1,…,Wtn−Wtn−1+⋯+Wt1−Wt0≤xn) \mathbb{P}(W_{t_1} \leq x_1, \ldots, W_{t_n} \leq x_n) = \mathbb{P}(W_{t_1} - W_{t_0} \leq x_1, \ldots, W_{t_n} - W_{t_{n-1}} + \cdots + W_{t_1} - W_{t_0} \leq x_n)

Isso pode ser reescrito na forma

P(Wt1≤x1,…,Wtn≤xn)=P(Wt1≤x1,…,Wtn−Wtn−1≤xn−⋯−x1)=F(x1,…,xn−⋯−x1), \mathbb{P}(W_{t_1} \leq x_1, \ldots, W_{t_n} \leq x_n) = \mathbb{P}(W_{t_1} \leq x_1, \ldots, W_{t_n} - W_{t_{n-1}} \leq x_n - \cdots - x_1) = F(x_1, \ldots, x_n - \cdots - x_1),

onde FF é a função de distribuição acumulada da normal multivariada associada às normais independentes Wt1−Wt0,…,Wtn−Wtn−1.W_{t_1} - W_{t_0}, \ldots, W_{t_n} - W_{t_{n-1}}. Portanto, {Wt}t≥0\{W_t\}_{t\geq 0} é um processo Gaussiano.

Observe que não basta que cada marginal WtjW_{t_j} seja uma normal para que a vetor aleatório (Wt1,…,Wtn)(W_{t_1}, \ldots, W_{t_n}) seja uma normal multivariada em Rn.\mathbb{R}^n. Mas no caso acima, temos que os passos Wt1−Wt0,…,Wtn−Wtn−1W_{t_1} - W_{t_0}, \ldots, W_{t_n} - W_{t_{n-1}} são normais independentes, portanto o vetor aleatório

(Wt1−Wt0,…,Wtn−Wtn−1) (W_{t_1} - W_{t_0}, \ldots, W_{t_n} - W_{t_{n-1}})

é uma normal multivariada. Além disso, o vetor aleatório

(Wt1,…,Wtn) (W_{t_1}, \ldots, W_{t_n})

é uma transformação linear dessa normal multivariada,

(Wt1⋮Wtn)=[10…011⋱⋮⋮⋱⋱01…11](Wt1−Wt0⋮Wtn−Wtn−1). \left( \begin{array}{c} W_{t_1} \\ \vdots \\ W_{t_n} \end{array} \right) = \left[ \begin{array}{cccc} 1 & 0 & \dots & 0 \\ 1 & 1 & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & 0 \\ 1 & \dots & 1 & 1 \end{array} \right] \left( \begin{array}{c} W_{t_1} - W_{t_0} \\ \vdots \\ W_{t_n} - W_{t_{n-1}} \end{array} \right).

Portanto, esse vetor aleatório também é uma normal multivariada.

Esperança e variância

Como W0=0W_0 = 0 e Wt−W0∼N(0,t),W_t - W_0 \sim \mathcal{N}(0, t), então

E[Wt]=E[Wt−X0]=0 \mathbb{E}[W_t] = \mathbb{E}[W_t - X_0] = 0

e

Var(Wt)=Var(Wt−W0)=t. \mathrm{Var}(W_t) = \mathrm{Var}(W_t - W_0) = t.

Covariância

Para quaisquer t≥s≥0,t \geq s \geq 0, como os incrementos são independentes e, portanto, tem correlação nula, segue que

Cov(Wt,Ws)=Cov(Ws+Wt−Ws,Ws)=Cov(Ws,Ws)+Cov(Wt−Ws,Ws)=Cov(Ws−W0,Ws−W0)+Cov(Wt−Ws,Ws−W0)=Var(Ws−W0)=s,∀t≥s≥0. \begin{align*} \mathrm{Cov}(W_t, W_s) & = \mathrm{Cov}(W_s + W_t - W_s, W_s) = \mathrm{Cov}(W_s, W_s) + \mathrm{Cov}(W_t - W_s, W_s) \\ & = \mathrm{Cov}(W_s - W_0, W_s - W_0) + \mathrm{Cov}(W_t - W_s, W_s - W_0) = \mathrm{Var}(W_s - W_0) = s, \quad \forall t \geq s \geq 0. \end{align*}

Observe que, se t=s>0,t = s > 0, então o segundo termo se anula pois Wt−Ws=0.W_t - W_s = 0. Já se t≥s=0,t \geq s = 0, então todos os termos se anulam, já que Ws−W0=0.W_s - W_0 = 0.

Por simetria, como Cov(Wt,Ws)=Cov(Ws,Wt),\mathrm{Cov}(W_t, W_s) = \mathrm{Cov}(W_s, W_t), então, se, por outro lado, s≥t≥0,s \geq t \geq 0, obtemos

Cov(Wt,Ws)=t,∀s≥t≥0. \mathrm{Cov}(W_t, W_s) = t, \qquad \forall s \geq t \geq 0.

De qualquer forma, podemos escrever, para t,s≥0t, s \geq 0 quaisquer,

Cov(Wt,Ws)=min⁡{t,s}. \mathrm{Cov}(W_t, W_s) = \min\{t, s\}.

Correlação

Como o desvio padrão de WtW_t é σ(Wt)=t,\sigma(W_t) = \sqrt{t}, temos, da covariância obtida acima, que

corr(Wt,Ws)=Cov(Wt,Ws)σ(Wt)σ(Ws)=min⁡{t,s}ts=1max⁡{t,s}. \mathrm{corr}(W_t, W_s) = \frac{\mathrm{Cov}(W_t, W_s)}{\sigma(W_t)\sigma(W_s)} = \frac{\min\{t, s\}}{\sqrt{t}\sqrt{s}} = \frac{1}{\max\{t, s\}}.

Não independência de incrementos em intervalos que se interceptam

Por definição, dois incrementos Wt3−Wt2W_{t_3} - W_{t_2} e Wt1−Wt0W_{t_1} - W_{t_0} são independentes quando t3>t2=t1>t0.t_3 > t_2 = t_1 > t_0. Isso se estende ao caso em que t2>t1,t_2 > t_1, pois basta acrescentar Wt2−Wt1W_{t_2} - W_{t_1} que teremos três incrementos independentes Wt3−Wt2,W_{t_3} - W_{t_2}, Wt2−Wt1W_{t_2} - W_{t_1} e Wt1−Wt0,W_{t_1} - W_{t_0}, e quaisquer dois deles também são independentes.

Contudo, os incrementos Wt3−Wt1W_{t_3} - W_{t_1} e Wt2−Wt0W_{t_2} - W_{t_0} não são independentes quando t1≤t2<t3≤t4,t_1 \leq t_2 < t_3 \leq t_4, porque os intervalos [t0,t2][t_0, t_2] e [t1,t3][t_1, t_3] tem interseção não trivial. De fato, nesse caso, temos

E((Wt3−Wt1)(Wt2−Wt0))=E(Wt3Wt2−Wt3Wt0−Wt1Wt2+Wt1Wt0)=min⁡{t3,t2}−min⁡{t3,t0}−min⁡{t1,t2}+min⁡{t1,t0}=t2−t0−t1+t0=t2−t1>0, \begin{align*} \mathbb{E}((W_{t_3} - W_{t_1})(W_{t_2} - W_{t_0})) & = \mathbb{E}(W_{t_3}W_{t_2} - W_{t_3}W_{t_0} - W_{t_1}W_{t_2} + W_{t_1}W_{t_0}) \\ & = \min\{t_3, t_2\} - \min\{t_3, t_0\} - \min\{t_1, t_2\} + \min\{t_1, t_0\} \\ & = t_2 - t_0 - t_1 + t_0 = t_2 - t_1 > 0, \end{align*}

que é exatamente o tamanho do intervalo de tempo em que os incrementos coincidem.

Novamente, vemos que, se t1=t2,t_1 = t_2, então essa correlação se anula.

Não é um processo estacionário

Um processo de Wiener não é estacionário, pois, em particular, os processos WtW_t não tem a mesma lei de probabilidades. E também não é fracamente estacionário, já que, apesar de E[Wt]=0\mathbb{E}[W_t] = 0 ser constante, temos, para t,s≥0t, s\geq 0 e τ>0,\tau > 0, que

E[Wt+τWs+τ]=E[(Wt+τ−E[Wt+τ])(Ws+τ−E[Ws+τ])]=Cov(Wt+τ,Ws+τ)=min⁡{t+τ,s+τ}=min⁡{t,s}+τ, \begin{align*} \mathbb{E}[W_{t + \tau}W_{s + \tau}] & = \mathbb{E}[(W_{t + \tau} - \mathbb{E}[W_{t + \tau}])(W_{s + \tau} - \mathbb{E}[W_{s + \tau}])] \\ & = \mathrm{Cov}(W_{t + \tau}, W_{s + \tau}) = \min\{t + \tau, s + \tau\} = \min\{t, s\} + \tau, \end{align*}

Ou seja, E[Wt+τWs+τ]\mathbb{E}[W_{t + \tau}W_{s + \tau}] depende de τ.\tau.

Condição para um processo Gaussiano ser um processo de Wiener

Vamos concluir afirmando que um processo Gaussiano {Wt}t≥0\{W_t\}_{t\geq 0} com caminhos contínuous quase certamente e satisfazendo E[Wt]=0\mathbb{E}[W_t] = 0 e E[WtWs]=min⁡{t,s},\mathbb{E}[W_t W_s] = \min\{t, s\}, para todo t,s≥0,t, s \geq 0, é um processo de Wiener.

De fato, temos, por definição, W0W_0 normal com

E[W0]=0,E[W02]=min⁡{0,0}=0, \mathbb{E}[W_0] = 0, \qquad \mathbb{E}[W_0^2] = \min\{0, 0\} = 0,

de modo que

W0=0. W_0 = 0.

Para t,τ≥0,t, \tau \geq 0, temos o incremento Wt+τ−WtW_{t+\tau} - W_t como sendo uma normal com esperança e variância dadas por

E[Wt+τ−Wt]=E[Wt+τ]−E[Wt]=0−0=0 \mathbb{E}[W_{t+\tau} - W_t] = \mathbb{E}[W_{t+\tau}] - \mathbb{E}[W_t] = 0 - 0 = 0

e

E[(Wt+τ−Wt)2]=E[Wt+τ2]−2E[Wt+τWt]+E[Wt2]=t+τ−2t+t=τ, \mathbb{E}[(W_{t+\tau} - W_t)^2] = \mathbb{E}[W_{t+\tau}^2] - 2\mathbb{E}[W_{t+\tau}W_t] + \mathbb{E}[W_t^2] = t + \tau - 2t + t = \tau,

portanto

Wt+τ−Wt∼N(0,τ). W_{t+\tau} - W_t \sim \mathcal{N}(0, \tau).

Por hipótese, os caminhos são quase certamente contínuos. Por fim, para a independência dos incrementos, como os incrementos são normais, basta mostrar a independência dois a dois. Assim, temos, para 0≤t0≤t1≤t2≤t3,0 \leq t_0 \leq t_1 \leq t_2 \leq t_3,

E((Wt3−Wt2)(Wt1−Wt0))=E(Wt3Wt1−Wt3Wt0−Wt2Wt1+Wt2Wt0)=min⁡{t3,t1}−min⁡{t3,t0}−min⁡{t2,t1}+min⁡{t2,t0}=t1−t0−t1+t0=0. \begin{align*} \mathbb{E}((W_{t_3} - W_{t_2})(W_{t_1} - W_{t_0})) & = \mathbb{E}(W_{t_3}W_{t_1} - W_{t_3}W_{t_0} - W_{t_2}W_{t_1} + W_{t_2}W_{t_0}) \\ & = \min\{t_3, t_1\} - \min\{t_3, t_0\} - \min\{t_2, t_1\} + \min\{t_2, t_0\} \\ & = t_1 - t_0 - t_1 + t_0 = 0. \end{align*}

Como as esperanças também são nulas, isso implica na covariância ser nula e, portanto, os incrementos são independentes.

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