6.3. Integrais via dualidade

Quando {Yt}t\{Y_t\}_t é um processo estocástico continuamente diferenciável quase sempre, vimos que vale a fórmula

Yt=Y0+0tdYsds ds. Y_t = Y_0 + \int_0^t \frac{\mathrm{d}Y_s}{\mathrm{d}s} \;\mathrm{d}s.

Sendo os caminhos diferenciáveis, os mesmos são de variação limitada, de modo que podemos pensar no lado direito acima como uma integral de Riemann-Stieltjes e escrever

Yt=Y0+0tdYs. Y_t = Y_0 + \int_0^t \mathrm{d}Y_s.

Vamos estender isso para incluir a integral de funções g(t,Yt)g(t, Y_t) continuamente diferenciáveis.

Integrando funções determinísticas diferenciáveis

Considere, primeiramente, uma função real g:RRg:\mathbb{R} \rightarrow\mathbb{R} continuamente diferenciável. Temos que {g(t)Yt}t\{g(t)Y_t\}_t também é um processo continuamente diferenciável, com derivada dada quase sempre por

ddtg(t)Yt=g(t)Yt+g(t)dYtdt. \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} g(t)Y_t = g'(t)Y_t + g(t)\frac{\mathrm{d}Y_t}{\mathrm{d}t}.

Assim, podemos considerar a integral

g(t)Yt=g(0)Y0+0tg(s)Ys+g(s)dYsds ds. g(t)Y_t = g(0)Y_0 + \int_0^t g'(s)Y_s + g(s)\frac{\mathrm{d}Y_s}{\mathrm{d}s} \;\mathrm{d}s.

Como o processo {Yt}t\{Y_t\}_t é continuamente diferenciável, os seus caminhos amostrais são de variação limitada e a integral do segundo termo pode ser vista como uma integral de Riemann-Stieltjes:

0tg(s)dYsds ds=0tg(s) dYs. \int_0^t g(s)\frac{\mathrm{d}Y_s}{\mathrm{d}s} \;\mathrm{d}s = \int_0^t g(s)\;\mathrm{d}Y_s.

Dessa forma, podemos escrever a fórmula de integração por partes

0tg(s) dYs=g(t)Ytg(0)Y00tg(s)Ys ds. \int_0^t g(s)\;\mathrm{d}Y_s = g(t)Y_t - g(0)Y_0 - \int_0^t g'(s)Y_s \;\mathrm{d}s.

Observe, agora, que o lado direito não involve a derivada do processo {Yt}t\{Y_t\}_t e faz sentido mesmo quando os seus caminhos amostrais são apenas contínuos. Com isso, podemos tomar o lado direito como a definição da integral à esquerda nesse caso mais geral.

Ou seja, para uma função real g:RRg:\mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R} continuamente diferencial e um processo {Yt}t\{Y_t\}_t com caminhos amostrais contínuos quase sempre, definimos a integral de gg com respeito a esse processo por

0tg(s) dYs=defg(t)Ytg(0)Y00tg(s)Ys ds. \int_0^t g(s)\;\mathrm{d}Y_s \stackrel{\mathrm{def}}{=} g(t)Y_t - g(0)Y_0 - \int_0^t g'(s)Y_s \;\mathrm{d}s.

Nesse momento, estamos interpretando o lado direito da fórmula de integração por partes como uma outra forma de representar o termo à esquerda. Essa dupla representação é comumente denominada de representação dual. Ou de dualidade. Nesse sentido, dizemos que estamos usando essa dualidade para estender o conceito de integral. É uma definição por dualidade.

Integral via dualidade de uma função determinística em relação a um processo de Wiener

Como exemplo, podemos integrar uma função determinística continuamente diferenciável g=g(t)g=g(t) com respeito a um processo de Wiener {Wt}t0.\{W_t\}_{t\geq 0}. Como W0=0,W_0 = 0, isso nos leva à fórmula

0tg(s) dWs=defg(t)Wt0tg(s)Ws ds. \int_0^t g(s)\;\mathrm{d}W_s \stackrel{\mathrm{def}}{=} g(t)W_t - \int_0^t g'(s)W_s \;\mathrm{d}s.

Essa definição, usando dualidade, de integral com relação a um processo de Wiener, foi proposta por Paley, Wiener e Zygmund (veja Evans (2013)). Esta integral satisfaz as propriedades usuais de linearidade.

Como E[Wt]=0,\mathbb{E}[W_t] = 0, para todo t0,t \geq 0, o valor esperado da integral também é sempre nulo:

E[0tg(s) dWs]=g(t)E[Wt]0tg(s)E[Ws] ds=0,t0. \mathbb{E}\left[\int_0^t g(s)\;\mathrm{d}W_s\right] = g(t)\mathbb{E}[W_t] - \int_0^t g'(s)\mathbb{E}[W_s] \;\mathrm{d}s = 0, \quad \forall t \geq 0.

Quanto ao momento de segunda ordem,

E[(0tg(s) dWs)2]=E[(0tg(s) dWs)(0tg(τ) dWτ)]=E[(g(t)Wt0tg(s)Ws ds)(g(t)Wt0tg(τ)Wτ dτ)]=g(t)2E[Wt2]E[0tg(t)g(τ)WtWτ dτ]E[0tg(s)g(t)WsWt ds]+E[0t0tg(s)g(τ)WsWτ dτ ds]=g(t)2E[Wt2]20tg(t)g(s)E[WtWs] ds+0t0tg(s)g(τ)E[WsWτ] dτ ds. \begin{align*} \mathbb{E}\left[\left(\int_0^t g(s)\;\mathrm{d}W_s\right)^2 \right] & = \mathbb{E}\left[\left(\int_0^t g(s)\;\mathrm{d}W_s\right)\left(\int_0^t g(\tau)\;\mathrm{d}W_\tau\right) \right] \\ & = \mathbb{E}\left[\left(g(t)W_t - \int_0^t g'(s)W_s \;\mathrm{d}s\right)\left(g(t)W_t - \int_0^t g'(\tau) W_\tau \;\mathrm{d}\tau\right) \right] \\ & = g(t)^2\mathbb{E}[W_t^2] - \mathbb{E}\left[\int_0^t g(t)g'(\tau) W_t W_\tau \;\mathrm{d}\tau\right] \\ & \quad - \mathbb{E}\left[\int_0^t g'(s)g(t)W_sW_t \;\mathrm{d}s\right] + \mathbb{E}\left[\int_0^t\int_0^t g'(s)g'(\tau)W_sW_\tau \;\mathrm{d}\tau\;\mathrm{d}s\right] \\ & = g(t)^2\mathbb{E}[W_t^2] - 2\int_0^t g(t)g'(s) \mathbb{E}\left[W_t W_s\right] \;\mathrm{d}s \\ & \quad + \int_0^t\int_0^t g'(s)g'(\tau)\mathbb{E}\left[W_sW_\tau\right] \;\mathrm{d}\tau\;\mathrm{d}s. \end{align*}

Usando a propriedade E[WtWs]=min{t,s},\mathbb{E}[W_tW_s] = \min\{t, s\}, obtemos

E[(0tg(s) dWs)2]=g(t)2t2g(t)0tg(s)s ds+0t0sg(s)g(τ)τ dτ ds+0tstg(s)g(τ)s dτ ds=g(t)2t2g(t)0tg(s)s ds+0tτtg(s)g(τ)τ ds dτ+0tstg(s)g(τ)s dτ ds=g(t)2t2g(t)0tg(s)s ds+0t(g(t)g(τ))g(τ)τ dτ+0tg(s)(g(t)g(s))s ds=g(t)2t2g(t)0tg(s)s ds+20tg(t)g(s)s ds20tg(s)g(s)s ds=g(t)2t20tg(s)g(s)s ds=g(t)2t0t(g(s)2)s ds=g(t)2tg(t)2t+0tg(s)2 ds. \begin{align*} \mathbb{E}\left[\left(\int_0^t g(s)\;\mathrm{d}W_s\right)^2 \right] & = g(t)^2t - 2g(t)\int_0^t g'(s) s \;\mathrm{d}s \\ & \quad + \int_0^t\int_0^s g'(s)g'(\tau)\tau \;\mathrm{d}\tau\;\mathrm{d}s + \int_0^t\int_s^t g'(s)g'(\tau)s \;\mathrm{d}\tau\;\mathrm{d}s \\ & = g(t)^2t - 2g(t)\int_0^t g'(s) s \;\mathrm{d}s \\ & \quad + \int_0^t\int_\tau^t g'(s)g'(\tau)\tau \;\mathrm{d}s\;\mathrm{d}\tau + \int_0^t\int_s^t g'(s)g'(\tau)s \;\mathrm{d}\tau\;\mathrm{d}s \\ & = g(t)^2t - 2g(t)\int_0^t g'(s) s \;\mathrm{d}s \\ & \quad + \int_0^t (g(t) - g(\tau))g'(\tau)\tau\;\mathrm{d}\tau + \int_0^t g'(s)(g(t) - g(s))s \;\mathrm{d}s \\ & = g(t)^2t - 2g(t)\int_0^t g'(s) s \;\mathrm{d}s \\ & \quad + 2\int_0^t g(t)g'(s)s\;\mathrm{d}s - 2\int_0^t g'(s)g(s)s \;\mathrm{d}s \\ & = g(t)^2t - 2\int_0^t g'(s)g(s)s \;\mathrm{d}s \\ & = g(t)^2t - \int_0^t (g(s)^2)'s \;\mathrm{d}s \\ & = g(t)^2 t - g(t)^2 t + \int_0^t g(s)^2 \;\mathrm{d}s. \end{align*}

Portanto, obtemos a igualdade

E[(0tg(s) dWs)2]=0tg(s)2 ds. \mathbb{E}\left[\left(\int_0^t g(s)\;\mathrm{d}W_s\right)^2 \right] = \int_0^t g(s)^2 \;\mathrm{d}s.

Essa é a versão com integrando determinístico de uma identidade fundamental chamada de isometria de Itô.

Como a esperança da integral é nula, isso significa que podemos escrever

Var(0t1g(s) dWs)=0t10tg(t)g(s) ds dt=0t1st1g(t)g(s) dt ds=0t1g(s)2 ds. \mathrm{Var}\left(\int_0^{t_1} g(s)\;\mathrm{d}W_s\right) = -\int_0^{t_1} \int_0^t g'(t)g(s)\;\mathrm{d}s\;\mathrm{d}t = - \int_0^{t_1}\int_s^{t_1} g'(t)g(s) \;\mathrm{d}t\;\mathrm{d}s = \int_0^{t_1} g(s)^2\;\mathrm{d}s.

Integrando composições diferenciáveis

Podemos adaptar essa ideia para o caso de uma composição com o processo {Yt}t.\{Y_t\}_t. Mais precisamente, considere uma função real g:R2Rg:\mathbb{R}^2 \rightarrow\mathbb{R} continuamente diferenciável. Integrando-se essa função em relação apenas à variável y,y, obtemos uma primitiva de g,g, em relação a y,y, ou seja, obtemos uma função G:R2RG:\mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R} tal que

g(t,y)=yG(t,y). g(t, y) = \partial_y G(t, y).

Temos que {G(t,Yt)}t\{G(t, Y_t)\}_t é um processo continuamente diferenciável, com derivada dada quase certamente por

ddtG(t,Yt)=tG(t,Yt)+yG(t,Yt)dYtt=tG(t,Yt)+g(t,Yt)dYtt. \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} G(t, Y_t) = \partial_t G(t, Y_t) + \partial_y G(t, Y_t)\frac{\mathrm{d}Y_t}{\partial t} = \partial_t G(t, Y_t) + g(t, Y_t)\frac{\mathrm{d}Y_t}{\partial t}.

Dessa forma, temos

G(t,Yt)=G(0,Y0)+0t(sG(s,Ys)+g(s,Ys)dYss) ds. G(t, Y_t) = G(0, Y_0) + \int_0^t \left(\partial_s G(s, Y_s) + g(s, Y_s)\frac{\mathrm{d}Y_s}{\partial s}\right) \;\mathrm{d}s.

Mais uma vez, como {Yt}t\{Y_t\}_t é continuamente diferenciável, podemos reescrever a segunda integral como sendo uma integral de Riemann-Stieltjes:

G(t,Yt)=G(0,Y0)+0tsG(s,Ys) ds+0tg(s,Ys) dYs. G(t, Y_t) = G(0, Y_0) + \int_0^t \partial_s G(s, Y_s) \;\mathrm{d}s + \int_0^t g(s, Y_s)\;\mathrm{d}Y_s.

Agora, observe que, caso {Yt}t\{Y_t\}_t tenha caminhos amostrais apenas contínuos, a primeira integral no lado direito acima continua fazendo sentido. Isso nos leva a pensar em definir a segunda integral, com respeito a esse processo, através dos termos restantes, usando novamente a ideia de dualidade.

No entanto, como está fórmula não será válida em geral, vamos usar uma notação ligeiramente diferente para a integral obtida dessa maneira.

Assim, assumindo {Yt}t\{Y_t\}_t com caminhos amostrais contínuos e g:R2Rg:\mathbb{R}^2 \rightarrow\mathbb{R} uma função real continuamente diferenciável, definimos, por dualidade

0tg(s,Ys)dYs=G(t,Yt)G(0,Y0)0tsG(s,Ys) ds. \int_0^t g(s, Y_s)\circ\mathrm{d}Y_s = G(t, Y_t) - G(0, Y_0) - \int_0^t \partial_s G(s, Y_s) \;\mathrm{d}s.

Observe o símbolo "\circ" utilizado na integração. Esse símbolo será novamente utilizado quando definirmos a integral no sentido de Stratonovich. Para essa integral, a fórmula acima também será válida, nesse caso especial de integrando da forma g(s,Ys).g(s, Y_s). Mas a integral de Stratonovich será válida para funções mais gerais. Essa integral difere da integral de Itô, que será mais usada por nós e para a qual a fórmula acima não é válida.

Caso independente de yy

No caso em que g(t,y)=g(t)g(t, y) = g(t) independe de y,y, temos G(t,y)=g(t)yG(t, y) = g(t)y e recuperamos a integral anterior, também definida por dualidade:

0tg(s)dYs=g(t)Ytg(0)Y00tg(s)Ys ds. \int_0^t g(s)\circ\mathrm{d}Y_s = g(t)Y_t - g(0) Y_0 - \int_0^t g(s) Y_s \;\mathrm{d}s.

Caso independente de tt

No caso em que g(t,y)=g(y)g(t, y) = g(y) independe de t,t, a fórmula acima se reduz a

0tg(Ys)dYs=G(Yt)G(Y0), \int_0^t g(Y_s)\circ\mathrm{d}Y_s = G(Y_t) - G(Y_0),

onde GG é uma primitiva de g.g.

Exemplos

No caso de gg ser constante igual a 1,1, recuperamos a identidade inicial e a igualdade das duas integrais definidas por dualidade:

0tdYs=YtY0=0t1dYs. \int_0^t \mathrm{d}Y_s = Y_t - Y_0 = \int_0^t 1\circ\mathrm{d}Y_s.

Já se g(t,y)=g(y)=y,g(t,y) = g(y) = y, então podemos tomar G(t,y)=y2/2G(t, y) = y^2/2 e obter

0tYsdYs=12Yt212Y02. \int_0^t Y_s \circ\mathrm{d}Y_s = \frac{1}{2}Y_t^2 - \frac{1}{2}Y_0^2.

No caso particular de um processo de Wiener, temos

0tWsdWs=12Wt2. \int_0^t W_s \circ\mathrm{d}W_s = \frac{1}{2}W_t^2.

E agora?

As construções acima já englobam uma boa parte de funções que podem ser integradas. No entanto, em várias aplicações, precisamos integrar, em relação a um dado processo {Yt}t,\{Y_t\}_t, uma função de outro processo {Xt}t,\{X_t\}_t, da forma g(t,Xt).g(t, X_t). De fato, muitas vezes {Xt}t\{X_t\}_t é um processo desconhecido, dado como solução de uma equação estocástica cuja lei de evolução envolve um dado processo {Yt}t.\{Y_t\}_t. Veremos como fazer isso a seguir, através das integrais de Itô e de Stratonovich.

Exercícios

  1. Seja {Yt}t[a,b],\{Y_t\}_{t \in [a,b]}, a<b,a < b, um processo com caminhos amostros contínuos quase certamente. Seja g:RRg:\mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R} uma função continuamente diferenciável. Considere a integral de gg em relação a {Yt}t[a,b]\{Y_t\}_{t\in [a,b]} como definida acima:

abg(s) dYs=defg(b)Ybg(a)Yaabg(s)Ys ds. \int_a^b g(s)\;\mathrm{d}Y_s \stackrel{\mathrm{def}}{=} g(b)Y_b - g(a)Y_a - \int_a^b g'(s)Y_s \;\mathrm{d}s.

Mostre que essa integral possui as seguintes propriedades:

a) Para qualquer constante cRc\in\mathbb{R} e qualquer função continuamente diferenciável g:RR,g:\mathbb{R}\rightarrow\mathbb{R}, vale

abcg(s) dYs=cabg(s) dYs. \int_a^b c g(s)\;\mathrm{d}Y_s = c\int_a^b g(s)\;\mathrm{d}Y_s.

b) Para quaisquer funções continuamente diferenciáveis g1,g2:RR,g_1, g_2:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, vale

ab(g1(s)+g2(s)) dYs=abg1(s) dYs+abg2(s) dYs. \int_a^b (g_1(s) + g_2(s)) \;\mathrm{d}Y_s = \int_a^b g_1(s) \;\mathrm{d}Y_s + \int_a^b g_2(s) \;\mathrm{d}Y_s.
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