5.7. Variação ilimitada dos caminhos amostrais

Uma característica fundamental dos processos de Wiener é a de que os seus caminhos amostrais são, quase certamente, de variação ilimitada. Por esse motivo precisamos de conceitos diferentes de integração para dar sentido às equações estocásticas (as integrais de Itô e de Stratonovich). Caso contrário, usaríamos o conceito de integral de Riemann-Stieltjes.

Vejamos, abaixo, esses conceitos de variação limitada/ilimitada e de integral de Riemann-Stieltjes e o fato dos caminhos amostrais de um processo de Wiener serem, quase certamente, de variação ilimitada.

Funções de variação limitada ou ilimitada

Se g=g(t)g = g(t) representa a posição de um objeto ao longo do tempo, definida em um intervalo temporal [a,b],[a, b], com a<b,a < b, a distância entre o ponto inicial e o ponto final é simplesmente g(b)g(a).|g(b) - g(a)|. Mas, ao longo do caminho, o objeto pode ir para frente e para trás diversas vezes, como em um zig-zag. Nesse caso, podemos estimar a distância percorrida calculando

j=1ng(tj)g(tj1) \sum_{j=1}^n |g(t_j) - g(t_{j-1})|

para instantes de tempo at0<t1<<tnb.a \leq t_0 < t_1 < \ldots < t_n \leq b. Caso xx seja continuamente diferenciável, isso pode ser estimado por

j=1ng(tj)g(tj1)j=1ng(θj)Δtjmax{g}(ba), \sum_{j=1}^n |g(t_j) - g(t_{j-1})| \leq \sum_{j=1}^n |g'(\theta_j)|\Delta t_j \leq \max\{|g'|\}(b-a),

onde tj1θjtjt_{j-1} \leq \theta_j \leq t_j e Δtj=tjtj1.\Delta t_j = t_j - t_{j-1}. Observe que a estimativa à direita independe da malha de tempo, de modo que

sup0t0<t1<tnTj=1ng(tj)g(tj1)max[a,b]{g}(ba), \sup_{0\leq t_0 < t_1 < \ldots t_n \leq T}\sum_{j=1}^n |g(t_j) - g(t_{j-1})| \leq \max_{[a, b]}\{|g'|\}(b-a),

onde o supremo é tomado em relação à todas as partições possíveis do intervalo [a,b].[a, b].

Na verdade, podemos ser mais precisos em relação à distância percorrida. Sendo gg continuamente diferenciável, a soma

j=1ng(θj)Δtj \sum_{j=1}^n |g'(\theta_j)|\Delta t_j

é, de fato, uma soma de Riemman, cujo limite é a integral

abg(t) dt. \int_a^b |g'(t)| \;\mathrm{d}t.

Voltando à estimativa relativa a uma partição arbitrária, caso a função seja Lipschitz contínua em [a,b],[a, b], com constante de Lipschitz L0,L \geq 0, ainda podemos limitar essa quantidade:

supat0<t1<tnbj=1ng(tj)g(tj1)L(ba). \sup_{a\leq t_0 < t_1 < \ldots t_n \leq b}\sum_{j=1}^n |g(t_j) - g(t_{j-1})| \leq L(b-a).

Mas podemos ter gg sem ser Lipschitz contínua e, ainda assim, essa quantidade ser limitada. Mesmo certas funções descontínuas são de variação limitada. Por exemplo, g(t)=χ[0,1](t)g(t) = \chi_{[0,1]}(t) (vale 11 no intervalo [0,1][0, 1] e vale 00 fora do intervalo) é de variação limitada. Em particular, qualquer função monótona limitada é de variação limitada. Funções de distribuição acumulada de probabilidade são monótonas não decrescentes e de variação limitada.

Essa quantidade é chamada de variação da função no intervalo [a,b][a, b] e é denotada por V(g;a,b)V(g; a, b):

V(g;a,b)=supat0<t1<tnbj=1ng(tj)g(tj1). \mathrm{V}(g; a, b) = \sup_{a\leq t_0 < t_1 < \ldots t_n \leq b}\sum_{j=1}^n |g(t_j) - g(t_{j-1})|.

Caso V(g;a,b)V(g; a, b) seja finito, dizemos que a função é de variação limitada, no intervalo [a,b].[a, b]. Caso contrário, ela é dita de variação ilimitada.

Integral de Riemann-Stieltjes

Funções de variação limitada são úteis para se estender a integral de Riemann para a chamada integral de Riemann-Stieltjes:

abf(t) dg(t)=limj=1nf(θi)(g(tj)g(tj1)). \int_a^b f(t)\;\mathrm{d}g(t) = \lim \sum_{j=1}^n f(\theta_i) (g(t_j) - g(t_{j-1})).

O limite é tomado em relação ao refinamento das malhas: maxj{tjtj1}0.\max_j\{t_j - t_{j-1}\} \rightarrow 0. Desde que gg seja de variação limitada, é possível mostrar que o limite converge, quando ff é contínua. Obtemos a integral de Riemann ao tomarmos g(t)=t.g(t) = t.

Como a função de probabilidade acumulada g(x)=P(Xx)g(x) = \mathbb{P}(X \leq x) de uma variável aleatória XX é monónota e limitada, ela é de variação limitada, de modo que podemos representar a esperança de uma nova variável Y=h(X)Y = h(X) através de uma integral de Riemann-Stieltjes:

E(h(X))=Rh(x) dg(x). \mathbb{E}(h(X)) = \int_\mathbb{R} h(x) \;\mathrm{d}g(x).

Caso gg seja diferenciável, então dg=fdx,\mathrm{d}g = f\mathrm{d}x, onde ff é a função de densidade de probabilidade. Mas a integral acima independe de gg ser diferenciável ou não.

A integral de Riemann-Stieltjes possui diversas propriedades análogas à da integral de Riemann, como linearidade:

ab(λ1f1(t)+λ2f2(t)) dg(t)=λ1abf1(t) dg(t)+λ2abf2(t) dg(t). \int_a^b (\lambda_1 f_1(t) + \lambda_2 f_2(t))\;\mathrm{d}g(t) = \lambda_1 \int_a^b f_1(t)\;\mathrm{d}g(t) + \lambda_2 \int_a^b f_2(t)\;\mathrm{d}g(t).

Também podemos concatenar integrais

abf(t) dg(t)+bcf(t) dg(t)=acf(t) dg(t), \int_a^b f(t)\;\mathrm{d}g(t) + \int_b^c f(t)\;\mathrm{d}g(t) = \int_a^c f(t)\;\mathrm{d}g(t),

independentemente da ordem de a,b,c.a, b, c.

Mas a integral de Riemann-Stieltjes não é positiva, i.e.

abf(t) dg(t) \int_a^b f(t)\;\mathrm{d}g(t)

pode ser negativa, mesmo que f0.f\geq 0. Para ver isso, basta considerar g(t)=t.g(t) = -t. Isso nos impede de estimar a integral de uma função em termos da integral de outra função que a limite.

Veremos que algo parecido ocorre com a integral de Itô.

Caminhos amostrais de processos de Wiener

Vamos, agora, mostrar essa propriedade fundamental de processos de Wiener que é a de que os seus caminhos amostrais, em qualquer intervalo [0,T],[0, T], T>0,T > 0, são, quase certamente, de variação ilimitada.

Queremos, para isso, estimar a variação

V(Wt;0,T)=sup0t0<t1<tnTj=1nWtjWtj1. \mathrm{V}(W_t; 0, T) = \sup_{0\leq t_0 < t_1 < \ldots t_n \leq T}\sum_{j=1}^n |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}|.

A ideia é considerar uma estimativa por baixo para mostrar que essa variação é ilimitada. Sejam, então, 0=t0<t1<<tn=T.0 = t_0 < t_1 < \ldots < t_n = T. Temos

j=1n(WtjWtj1)2(maxj=1,,nWtjWtj1)j=1nWtjWtj1. \sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2 \leq \left(\max_{j=1, \ldots, n} |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}|\right)\sum_{j=1}^n |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}|.

Para efeito de contradição, vamos assumir que a malha seja uniforme e em pontos diádicos, i.e. para cada kN,k\in \mathbb{N}, tomamos n=2k,n = 2^k, τ=T/n=T/2k\tau = T/n = T/2^k e tj=jτ=j/2k,t_j = j\tau=j/2^k, para j=0,,n.j = 0, \ldots, n.

Vamos mostrar que, quando k,k \rightarrow \infty, o lado esquerdo converge para um valor finito positivo e o primeiro termo do lado direito converge para zero, de modo que a variação tem que ser ilimitada.

O fato da malha ser uniforme facilita obtermos expressões mais explícitas para certas quantidades. Por outro lado, o uso dos pontos diádicos nos dá um decrescimento rápido o suficiente que nos permite usar o Lema de Borel-Cantelli. Nenhuma dessas duas condições é necessária. Há outras demonstrações mais delicadas que se aplicam a malhas arbitrárias. Mas o resultado com malhas diádicas é suficiente.

Sobre a soma dos quadrados dos incrementos

Denote a soma dos quadrados dos incrementos por

Sk=j=1n(WtjWtj1)2, S_k = \sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2,

lembrando que n=2kn = 2^k e tj=j/2k.t_j = j/2^k.

O valor esperado da soma dos quadrados dos incrementos pode ser escrito como

E[Sk]=E[j=1n(WtjWtj1)2]=j=1nE[(WtjWtj1)2]. \mathbb{E}\left[S_k\right] = \mathbb{E}\left[\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right] = \sum_{j=1}^n \mathbb{E}\left[\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right].

Observe que, usando-se a propriedade E(WtWs)=Cov(Wt,Ws)=min{t,s},\mathbb{E}(W_tW_s) = \mathrm{Cov}(W_t, W_s) = \min\{t, s\},

E[(WtjWtj1)2]=E[Wtj22WtjWtj1+Wtj12]=E[Wtj2]2E[WtjWtj1]+E[Wtj12]=tj2tj1+tj1=tjtj1. \begin{align*} \mathbb{E}\left[\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right] & = \mathbb{E}\left[W_{t_j}^2 - 2W_{t_j}W_{t_{j-1}} + W_{t_{j-1}}^2\right] \\ & = \mathbb{E}\left[W_{t_j}^2\right] -2\mathbb{E}\left[W_{t_j}W_{t_{j-1}}\right] + \mathbb{E}\left[W_{t_{j-1}}^2\right] \\ & = t_j - 2t_{j-1} + t_{j-1} \\ & = t_j - t_{j-1}. \end{align*}

Assim, obtemos a identidade

E[Sk]=j=1n(tjtj1)=tnt0=T. \mathbb{E}\left[S_k\right] = \sum_{j=1}^n (t_j - t_{j-1}) = t_n - t_0 = T.

Observe que, aqui, o resultado vale para uma malha arbitrária.

Agora, estimamos a sua variância. Primeiro, temos

E[Sk2]=E[(j=1n(WtjWtj1)2)2]=i,j=1nE[(WtiWti1)2(WtjWtj1)2] \mathbb{E}\left[S_k^2\right] = \mathbb{E}\left[\left(\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right)^2\right] = \sum_{i, j = 1}^n\mathbb{E}\left[\left(W_{t_i} - W_{t_{i-1}}\right)^2\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right]

Para ij,i\neq j, como os incrementos são independentes e normais, temos

E[(WtiWti1)2(WtjWtj1)2]=E[(WtiWti1)2]E[(WtjWtj1)2]=(titi1)(tjtj1). \mathbb{E}\left[\left(W_{t_i} - W_{t_{i-1}}\right)^2\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right] = \mathbb{E}\left[\left(W_{t_i} - W_{t_{i-1}}\right)^2\right]\mathbb{E}\left[\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right] = (t_i - t_{i-1})(t_j - t_{j-1}).

Para i=j,i = j, como o incremento é normal, podemos calcular os seus momentos explicitamente, obtendo, em particular,

E[(WtjWtj1)4]=3(tjtj1)2. \mathbb{E}\left[\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^4\right] = 3(t_j - t_{j-1})^2.

Assim,

E[(j=1n(WtjWtj1)2)2]=ij=1n(titi1)(tjtj1)+j=1n3(tjtj1)2=i,j=1n(titi1)(tjtj1)+2j=1n(tjtj1)2. \begin{align*} \mathbb{E}\left[\left(\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right)^2\right] & = \sum_{i \neq j = 1}^n (t_i - t_{i-1})(t_j - t_{j-1}) + \sum_{j = 1}^n 3(t_j - t_{j-1})^2 \\ & = \sum_{i, j = 1}^n (t_i - t_{i-1})(t_j - t_{j-1}) + 2\sum_{j = 1}^n (t_j - t_{j-1})^2. \end{align*}

Os termos do primeiro somatório são separáveis em ii e j,j, de modo que

E[(j=1n(WtjWtj1)2)2]=(i=1n(titi1))(j=1n(tjtj1))+2j=1n(tjtj1)2=T2+2j=1n(tjtj1)2. \begin{align*} \mathbb{E}\left[\left(\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right)^2\right] & = \left(\sum_{i = 1}^n (t_i - t_{i-1})\right)\left(\sum_{j = 1}^n (t_j - t_{j-1})\right) + 2\sum_{j = 1}^n (t_j - t_{j-1})^2 \\ & = T^2 + 2\sum_{j = 1}^n (t_j - t_{j-1})^2. \end{align*}

Portanto, a variância é dada por

Var(j=1n(WtjWtj1)2)=E[(j=1n(WtjWtj1)2)2]E[j=1n(WtjWtj1)2]2=T2+2j=1n(tjtj1)2T2=2j=1n(tjtj1)2. \begin{align*} \mathrm{Var}\left(\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right) & = \mathbb{E}\left[\left(\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right)^2\right] - \mathbb{E}\left[\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right]^2 \\ & = T^2 + 2\sum_{j = 1}^n (t_j - t_{j-1})^2 - T^2 \\ & = 2\sum_{j = 1}^n (t_j - t_{j-1})^2. \end{align*}

Podemos estimar

Var(j=1n(WtjWtj1)2)2Tmaxj=1,,n{(tjtj1)}. \mathrm{Var}\left(\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right) \leq 2T\max_{j=1,\ldots, n}\{(t_j - t_{j-1})\}.

Novamente, essa estimativa vale para uma malha arbitrária. No caso da malha uniforme, com τ=1/2k,\tau = 1/2^k, temos, mais precisamente,

Var(j=1n(WtjWtj1)2)2Tτ=T2k1. \mathrm{Var}\left(\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2\right) \leq 2T\tau = \frac{T}{2^{k-1}}.

No limite do refinamento da malha, temos

E[Sk]=T,Var(Sk)0, \mathbb{E}[S_k] = T, \quad \mathrm{Var}(S_k) \rightarrow 0,

portanto

SkT, S_k \rightarrow T,

quando k.k\rightarrow \infty. Mais importante é a estimativa que segue da desigualdade de Chebyshev,

P(SkTε)E[(SkT)2ε2]1ε2T2k1, \mathbb{P}\left(|S_k - T| \geq \varepsilon \right) \leq \mathbb{E}\left[\frac{(S_k - T)^2}{\varepsilon^2}\right] \leq \frac{1}{\varepsilon^2}\frac{T}{2^{k-1}},

para ε>0\varepsilon>0 arbitrário. Com isso,

k=1P(SkTε)2Tε2<. \sum_{k = 1}^\infty \mathbb{P}\left(|S_{k} - T| \geq \varepsilon \right) \leq \frac{2T}{\varepsilon^2} < \infty.

Portanto, pelo Lema de Borel-Cantelli,

P(lim supkSkTε)=0. \mathbb{P}\left(\limsup_{k\rightarrow \infty} |S_k - T| \geq \varepsilon\right) = 0.

Como ε>0\varepsilon > 0 é arbitrário, segue que

P(lim supkSkT>0)=0. \mathbb{P}\left( \limsup_{k\rightarrow \infty} |S_k - T| > 0 \right) = 0.

Escrito de outra maneira,

P(limkSkT=0)=1, \mathbb{P}\left( \lim_{k\rightarrow \infty} |S_k - T| = 0 \right) = 1,

ou seja,

SkT, S_{k} \rightarrow T,

quase certamente.

Sobre o máximo dos incrementos

Por definição, quase todos os caminhos amostrais de um processo de Wiener são contínuos. Como o intervalo [0,T][0, T] é fechado e limitado, segue, que, para quase todo ω,\omega, o caminho amostral tWt(ω)t \mapsto W_t(\omega) é uniformemente contínuo em [0,T].[0, T].

Assim, dado ε>0,\varepsilon > 0, existe δ>0\delta > 0 tal que

Ws(ω)Wt(ω)<ε,t,s[0,T), tsδ. |W_s(\omega) - W_t(\omega)| < \varepsilon, \qquad \forall t, s\in [0, T), \;|t - s| \leq \delta.

No caso da malha escolhida, temos, para ε>0\varepsilon > 0 e kln(1/δ),k \geq \ln (1/\delta), que tjtj1=1/n=1/2kδt_j - t_{j-1} = 1/n = 1/2^k \leq \delta e, portanto,

maxj=1,,nWtjWtj1δ. \max_{j=1, \ldots, n} |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}| \leq \delta.

Dessa forma, vemos que

maxj=1,,nWtjWtj10,k, \max_{j=1, \ldots, n} |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}| \rightarrow 0, \qquad k \rightarrow \infty,

para quase todo caminho amostral.

Variação ilimitada

Voltemos, agora, à identidade

j=1n(WtjWtj1)2(maxj=1,,nWtjWtj1)j=1nWtjWtj1. \sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2 \leq \left(\max_{j=1, \ldots, n} |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}|\right)\sum_{j=1}^n |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}|.

Obtivemos que, para quase todo caminho amostral, quando a malha é refinada, ao limite k,k\rightarrow \infty, o termo do lado esquerdo converge para T,T, enquanto que o primeiro termo do lado direito converge para zero. Portanto, devemos ter

j=1nWtjWtj1j=1n(WtjWtj1)2maxj=1,,nWtjWtj1,k. \sum_{j=1}^n |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}| \geq \frac{\sum_{j=1}^n \left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2}{\max_{j=1, \ldots, n} |W_{t_j} - W_{t_{j-1}}|} \rightarrow \infty, \qquad k \rightarrow \infty.

Isso implica, em particular, que, para quase todo caminho amostral, a variação do caminho é ilimitada, i.e.

P(V(Wt;0,T)=)=1. \mathbb{P}\left(\mathrm{V}(W_t; 0, T) = \infty\right) = 1.
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