6.6. Integral de Itô via processos do tipo escada

Vamos, agora, ver a integral de Itô da maneira clássica, via aproximação por processos escada, válida em geral, para quaisquer processos progressivamente mensuráveis de quadrado integrável.

Essa construção ainda pode ser estendida a integrais em relação a processos {Zt}t0\{Z_t\}_{t\geq 0} que sejam martingales, ou, mais geralmente ainda, semi-martingales, i.e. sendo {Ht}t0\{H_t\}_{t \geq 0} progressivamente mensurável em relação a uma semimartingale {Zt}t0\{Z_t\}_{t\geq 0} e de quadrado integrável em (0,T),(0, T), então a integral de Itô

0THt dZt \int_0^T H_t \;\mathrm{d}Z_t

está bem definida no sentido de média quadrática. Mas vamos fazer isso apenas no caso da integral de Itô com relação a {Wt}t.\{W_t\}_t.

Construção

No caso de {Ht}t0\{H_t\}_{t\geq 0} ser progressivamente mensurável e de quadrado integrável, a ideia é aproximar esse processo por processos {Htm}t0\{H_t^m\}_{t \geq 0} adaptados e do tipo escada. Essa aproximação passa antes por aproximá-lo por processos com caminhos contínuous, como feito anteriormente. Mas vamos tratar primeiro de processos do tipo escada.

Processo escada e integral de Itô

Um processo {Ht}t0\{H_t\}_{t\geq 0} é do tipo escada quando é "constante por partes", i.e. quando existe uma partição 0=t0<t1<<tn=T0 = t_0 < t_1 < \ldots < t_n = T tal que HtH_t seja constante, Ht=Htj1,H_t = H_{t_{j-1}}, em cada intervalo tj1t<tj.t_{j-1} \leq t < t_j. Para esses processo, define-se, naturalmente, a integral de Itô por

0THt dWt=j=1nHtj1(WtjWtj1). \int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t = \sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}} (W_{t_j} - W_{t_{j-1}}).

Integral de Itô via aproximação por processo escada

Para um processo {Ht}t0\{H_t\}_{t \geq 0} que seja progressivamente mensurável e em L2((0,T)×Ω),L^2((0, T)\times \Omega), aproximamos o processo por processos {Htm}t0\{H_t^m\}_{t \geq 0} do tipo escada e adaptados a {Wt}t0.\{W_t\}_{t\geq 0}. Por serem processos escada, em particular contínuos à direita, esses processos são progressivamente mensuráveis também. Para estes processos, a integral de Itô está bem definida através do somatório.

O passo seguinte é mostrar que as integrais de Itô dos processos escada convergem em média quadrática. Isso é obtido graças a duas propriedades fundamentais da integral de Itô em relação a {Wt}t0,\{W_t\}_{t \geq 0}, a saber que o valor esperado é nulo e que a isometria de Itô vale para processos escada (veremos isso em seguida):

E[(0THtm dWt)2]=E[0T(Htm)2 dt]=0TE[(Htm)2] dt \mathbb{E}\left[ \left(\int_0^T H_t^m \;\mathrm{d}W_t\right)^2 \right] = \mathbb{E}\left[ \int_0^T\left(H_t^m\right)^2 \;\mathrm{d}t\right] = \int_0^T\mathbb{E}\left[ \left(H_t^m\right)^2 \right] \;\mathrm{d}t

Como a combinação linear de processos escada também é um processo escada, temos

E[0THtm dWt0THtk dWt]=0 \mathbb{E}\left[ \int_0^T H_t^m \;\mathrm{d}W_t - \int_0^T H_t^k \;\mathrm{d}W_t \right] = 0

e

E[(0THtm dWt0THtk dWt)2]=0TE[(HtmHtk)2] dt \mathbb{E}\left[ \left(\int_0^T H_t^m \;\mathrm{d}W_t - \int_0^T H_t^k \;\mathrm{d}W_t\right)^2 \right] = \int_0^T \mathbb{E}\left[ \left(H_t^m - H_t^k\right)^2 \right] \;\mathrm{d}t

Com a hipótese de que {Htm}t0\{H_t^m\}_{t \geq 0} converge em média quadrática para {Ht}t0,\{H_t\}_{t \geq 0}, o lado direito da expressão acima converge para zero:

E[(0THtm dWt0THtk dWt)2]0. \mathbb{E}\left[ \left(\int_0^T H_t^m \;\mathrm{d}W_t - \int_0^T H_t^k \;\mathrm{d}W_t\right)^2 \right] \rightarrow 0.

Isso mostra que a sequência

0THtm dWt \int_0^T H_t^m \;\mathrm{d}W_t

converge em média quadrática e em probabilidade para um limite que independe da escolha da sequência de funções escada.

A integral de Itô é, então, definida como o limite das integrais de funções escada:

0THt dWt=lim0THtm dWt. \int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t = \lim \int_0^T H_t^m \;\mathrm{d}W_t.

Propriedades da integral de Itô de funções escada

Vamos ver aqui as duas propriedades fundamentais que utilizamos acima. Suponha que {Ht}t0\{H_t\}_{t\geq 0} seja um função escada adaptada a {Wt}t0\{W_t\}_{t \geq 0} e com o processo sendo constante nos intervalos de uma malha 0=t0<t1<<tn=T.0 = t_0 < t_1 < \ldots < t_n = T.

Calculemos, primeiramente, a esperança da integral de Itô:

E[0THt dWt]=E[j=1nHtj1ΔWj]=j=1nE[Htj1ΔWj] \mathbb{E}\left[ \int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t \right] = \mathbb{E}\left[\sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}}\Delta W_j\right] = \sum_{j=1}^n \mathbb{E}\left[H_{t_{j-1}}\Delta W_j\right]

Pela hipótese de {Ht}t\{H_t\}_t ser não antecipativo, temos Htj1H_{t_{j-1}} independente de ΔWj=WtjWtj1,\Delta W_j = W_{t_j} - W_{t_{j-1}}, de modo que

E[j=1nHtj1ΔWj]=j=1nE[Htj1]E[ΔWj]. \mathbb{E}\left[\sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}}\Delta W_j\right] = \sum_{j=1}^n \mathbb{E}\left[H_{t_{j-1}}\right]\mathbb{E}\left[\Delta W_j\right].

Como um processo de Wiener tem valor esperado nulo, segue que E[ΔWj]=0,\mathbb{E}\left[\Delta W_j\right] = 0, de maneira que

E[0THt dWt]=E[j=1nHtj1ΔWj]=0. \mathbb{E}\left[ \int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t \right] = \mathbb{E}\left[\sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}}\Delta W_j\right] = 0.

Calculemos, agora, o momento de ordem dois da integral de Itô:

E[0THt dWt]=E[(j=1nHtj1ΔWj)2]=E[(i=1nHti1ΔWi)(j=1nHtj1ΔWj)]=i,j=1nE[Hti1Htj1ΔWiΔWj]=2i<jE[Hti1Htj1ΔWiΔWj]+jE[Htj12ΔWj2] \begin{align*} \mathbb{E}\left[ \int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t \right] & = \mathbb{E}\left[\left(\sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}}\Delta W_j\right)^2\right] \\ & = \mathbb{E}\left[\left(\sum_{i=1}^n H_{t_{i-1}}\Delta W_i\right)\left(\sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}}\Delta W_j\right)\right] \\ & = \sum_{i,j=1}^n\mathbb{E}\left[H_{t_{i-1}}H_{t_{j-1}}\Delta W_i\Delta W_j\right] \\ & = 2 \sum_{i < j} \mathbb{E}\left[H_{t_{i-1}}H_{t_{j-1}}\Delta W_i\Delta W_j\right] + \sum_j \mathbb{E}\left[H_{t_{j-1}}^2\Delta W_j^2\right] \end{align*}

Pela hipótese de {Ht}t\{H_t\}_t ser não antecipativo e com i<j,i < j, temos Hti1,H_{t_{i-1}}, Htj1H_{t_{j-1}} e ΔWi\Delta W_i independente de ΔWj,\Delta W_j, de modo que

E[(j=1nHtj1ΔWj)2]=2i<jE[Hti1Htj1ΔWi]E[ΔWj]+jE[Htj12]E[ΔWj2] \begin{align*} \mathbb{E}\left[\left(\sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}}\Delta W_j\right)^2\right] & = 2 \sum_{i < j} \mathbb{E}\left[H_{t_{i-1}}H_{t_{j-1}}\Delta W_i\right]\mathbb{E}\left[\Delta W_j\right] + \sum_j \mathbb{E}\left[H_{t_{j-1}}^2\right] \mathbb{E}\left[\Delta W_j^2\right] \end{align*}

Como

E[ΔWj]=0,E[ΔWj2]=tjtj1, \mathbb{E}\left[\Delta W_j\right] = 0, \qquad \mathbb{E}\left[\Delta W_j^2\right] = t_j - t_{j-1},

temos

E[(j=1nHtj1ΔWj)2]=jE[Htj12](tjtj1)=E[jHtj12(tjtj1)]. \mathbb{E}\left[\left(\sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}}\Delta W_j\right)^2\right] = \sum_j \mathbb{E}\left[H_{t_{j-1}}^2\right] (t_j - t_{j-1}) = \mathbb{E}\left[\sum_j H_{t_{j-1}}^2 (t_j - t_{j-1})\right].

Lembrando que {Ht}t0\{H_t\}_{t \geq 0} é um processo escada, o somatório à direita é uma integral e obtemos a seguinte identidade para funções escada, conhecida como isometria de Itô:

E[(0THt dWt)2]=E[0THt2 dt]. \mathbb{E}\left[ \left( \int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t\right)^2\right] = \mathbb{E}\left[ \int_0^T H_t^2 \;\mathrm{d}t\right].

Aproximação por processos contínuos

A aproximação por processos contínuos pode ser feito como antes, via molificação por uma função

φε(t)={1εet/ε,t0,0,t<0. \varphi_\varepsilon(t) = \begin{cases} \displaystyle \frac{1}{\varepsilon} e^{-t/\varepsilon}, & t \geq 0, \\ 0, & t < 0. \end{cases}

Aproximação por processo escada

Assumindo {Ht}t0\{H_t\}_{t \geq 0} com caminhos contínuous e T>0,T > 0, consideramos as malhas {tjn}j\{t_j^n\}_j dadas por

tjn=jT2n,j=0,,2n, t_j^n = \frac{j T}{2^n}, \quad j = 0, \ldots, 2^n,

para nN.n\in \mathbb{N}. Em cada malha, consideramos o processo escada {Htn}t\{H_t^n\}_t dado por

Htn={Htj1n,tj1nt<tjn, j=1,,2n,HT,tT. H_t^n = \begin{cases} H_{t_{j-1}^n}, & t_{j-1}^n \leq t < t_j^n, \; j = 1, \ldots, 2^n, \\ H_{T}, & t \geq T. \end{cases}

Para quase todo ωΩ,\omega\in\Omega, como tHt(ω)t\mapsto H_t(\omega) é um caminho contínuo, portanto uniformemente contínuo em [0,T],[0, T], temos

Htn(ω)Ht(ω) H_t^n(\omega) \rightarrow H_t(\omega)

uniformemente em t[0,T].t \in [0, T]. Pelo Teorema da Convergência Dominada de Lebesgue,

HtnHt H_t^n \rightarrow H_t

em L2((0,T)×Ω),L^2((0, T)\times \Omega), ou seja, {Htn}0tT\{H_t^n\}_{0 \leq t \leq T} é uma aproximação, em média quadrática, por processos do tipo escada, do processo {Ht}0tT.\{H_t\}_{0 \leq t \leq T}.

Convergência da integral de Itô no caso de processos com caminhos contínuos

Obtivemos, acima, a convergência das integrais de Itô das aproximações {Htn}t\{H_t^n\}_t de uma função progressivamente mensurável de quadrado integrável. Mas se os caminhos não forem contínuous, não podemos garantir que Htn=HtjnnH_t^n = H_{t_j^n}^n em pontos arbitrários tjnt_j^n das malhas das aproximações-escada do processo. Então, em geral, não podemos dizer que a integral de Itô de {Ht}t\{H_t\}_t é o limite de somatórios

j=1nHtj1n(WtjnWtj1n), \sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}^n}(W_{t_j^n} - W_{t_{j-1}^n}),

nem no sentido de média quadrática.

Mas se os caminhos forem contínuous, ou quase certamente contínuous, então podemos aproximar, em média quadrática, o processo {Ht}t\{H_t\}_t por HtnH_t^n obtido através de

Htn={Htj1n,tj1nt<tjn, j=1,,2n,HT,tT. H_t^n = \begin{cases} H_{t_{j-1}^n}, & t_{j-1}^n \leq t < t_j^n, \; j = 1, \ldots, 2^n, \\ H_{T}, & t \geq T. \end{cases}

Nesse caso, Htj1nn=Htj1n,H_{t_{j-1}^n}^n = H_{t_{j-1}^n}, ou seja, nos pontos da malha, os valores do processo aproximado são os valores do próprio processo. Assim, vale a convergência

0THt dWt=limj=1nHtj1n(WtjnWtj1n), \int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t = \lim \sum_{j=1}^n H_{t_{j-1}^n}(W_{t_j^n} - W_{t_{j-1}^n}),

no sentido de média quadrática. Isso para quaisquer sequências de malhas {tjn}j\{t_j^n\}_{j} com

maxj=1,,n(tjntj1n)0. \max_{j=1, \ldots, n} (t_j^n - t_{j-1}^n) \rightarrow 0.

Além disso, extraindo uma subsequência nkn_k\rightarrow \infty tal que

0TE[HtHtnk]<ϵk2, \int_0^T\mathbb{E}\left[ H_t - H_t^{n_k} \right] < \epsilon_k^2,

com

kϵk<, \sum_k \epsilon_k < \infty,

então esse limite vale quase certamente. De fato, nesse caso, temos

P(0THt dWt0THtnk dWtϵk)1ϵkE[(0THt dWt0THtnk dWt)2]=1ϵk0TE[(HtHtnk)2] dtϵk. \mathbb{P}\left( \left|\int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t - \int_0^T H_t^{n_k} \;\mathrm{d}W_t\right| \geq \sqrt{\epsilon_k} \right) \leq \frac{1}{\epsilon_k}\mathbb{E}\left[ \left(\int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t - \int_0^T H_t^{n_k} \;\mathrm{d}W_t\right)^2\right] = \frac{1}{\epsilon_k}\int_0^T\mathbb{E}\left[ (H_t - H_t^{n_k})^2 \right]\;\mathrm{dt} \leq \epsilon_k.

Logo,

kNP(0THt dWt0THtnk dWtϵk)kNϵk<. \sum_{k\in\mathbb{N}} \mathbb{P}\left( \left|\int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t - \int_0^T H_t^{n_k} \;\mathrm{d}W_t\right| \geq \sqrt{\epsilon_k} \right) \leq \sum_{k\in\mathbb{N}} \epsilon_k < \infty.

Pelo Lema de Borel-Cantelli, isso implica em

P(lim supk0THt dWt0THtnk dWtϵk)=0, \mathbb{P}\left( \limsup_{k\rightarrow \infty} \left|\int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t - \int_0^T H_t^{n_k} \;\mathrm{d}W_t\right| \geq \sqrt{\epsilon_k} \right) = 0,

ou seja

0THt dWt=limj=1nkHtj1nk(WtjnkWtj1nk), \int_0^T H_t \;\mathrm{d}W_t = \lim \sum_{j=1}^{n_k} H_{t_{j-1}^{n_k}} (W_{t_j^{n_k}} - W_{t_{j-1}}^{n_k}),

quase certamente.

Integral de Itô do processo de Wiener

Como o processo de Wiener tem caminhos quase certamente contínuos, vale o limite

0TWt dWt=limj=1nWtj1n(WtjnWtj1n), \int_0^T W_t \;\mathrm{d}W_t = \lim \sum_{j=1}^n W_{t_{j-1}^n}(W_{t_j^n} - W_{t_{j-1}^n}),

em média quadrática. Por outro lado, já calculamos que o limite do lado direito acima é WT/2T/2.W_T/2 - T/2. Portanto, vale, de fato, para a integral de Itô, que

0TWt dWt=WT2T2. \int_0^T W_t \;\mathrm{d}W_t = \frac{W_T}{2} - \frac{T}{2}.
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