8.4. Unicidade de soluções

Como visto anteriormente, um processo de Wiener não é único, assim como podemos ter várias variáveis aleatórias independentes, com a mesma distribuição.

Agora, uma vez definido um processo de Wiener {Wt}t≥0,\{W_t\}_{t \geq 0}, podemos ter, sob as devidas condições nos termos f=f(t,x)f=f(t, x) e g=g(t,x),g = g(t, x), a unicidade do processo estocástico {Xt}t≥0\{X_t\}_{t \geq 0} definido através da equação diferencial estocástica

dXt=f(t,Xt) dt+g(t,Xt) dWt,t≥0, \mathrm{d}X_t = f(t, X_t)\;\mathrm{d}t + g(t, X_t)\;\mathrm{d}W_t, \qquad t \geq 0,

com uma condição inicial

Xt∣t=0=X0. \left.X_t\right|_{t = 0} = X_0.

Assim como no caso de equações diferenciais ordinárias determinísticas, uma condição do tipo continuidade Lipschitz nos garante essa continuidade. No caso, a continuidade Lipschitz uniforme em tt e global em xx dos termos f=f(t,x)f = f(t, x) e g=g(t,x)g = g(t, x) que utilizamos para a demonstração de existência é, também, suficiente para a unicidade e para a dependência contínua nos dados iniciais.

A ideia é estimar a evolução temporal da média quadrática entre duas possíveis soluções no instante tt e aplicar o Lema de Gronwall para relacionar essa evolução com a média quadrática inicial.

Continuidade em relação à condição inicial

Sejam {Xt}t≥0\{X_t\}_{t \geq 0} e {X~t}t≥0\{\tilde X_t\}_{t \geq 0} duas soluções da equação diferencial estocástica, com condições iniciais X0X_0 e X~0,\tilde X_0, respectivamente. Posteriormente vamos considerar condições iniciais iguais, mas, no momento, permitimos que sejam diferentes.

Considere a média quadrática da diferença entre essas duas soluções, em cada instante t≥0t \geq 0:

e(t)=E[∣Xt−X~t∣2] e(t) = \mathbb{E}\left[ |X_t - \tilde X_t|^2 \right]

As formas integrais das equações diferenciais são

Xt=X0+∫0tf(s,Xs) ds+∫0tg(s,Xs) dWs X_t = X_0 + \int_0^t f(s, X_s)\;\mathrm{d}s + \int_0^t g(s, X_s)\;\mathrm{d}W_s

e

X~t=X~0+∫0tf(s,X~s) ds+∫0tg(s,X~s) dWs. \tilde X_t = \tilde X_0 + \int_0^t f(s, \tilde X_s)\;\mathrm{d}s + \int_0^t g(s, \tilde X_s)\;\mathrm{d}W_s.

Subtraindo, temos

Xt−X~t=X0−X~0+∫0t(f(s,Xs)−f(s,X~s)) ds+∫0t(g(s,Xs)−g(s,X~s)) dWs. X_t - \tilde X_t = X_0 - \tilde X_0 + \int_0^t (f(s, X_s) - f(s, \tilde X_s))\;\mathrm{d}s + \int_0^t (g(s, X_s) - g(s, \tilde X_s))\;\mathrm{d}W_s.

Usando que ff e gg são globalmente Lipschitz em x,x, uniformemente em t,t, obtemos

∣Xt−X~t∣≤∣X0−X~0∣+∫0tLf∣Xs−X~s∣ ds+∫0tLg∣Xs−X~s∣ dWs. \left| X_t - \tilde X_t \right| \leq \left| X_0 - \tilde X_0 \right| + \int_0^t L_f \left| X_s - \tilde X_s \right| \;\mathrm{d}s + \int_0^t L_g \left| X_s - \tilde X_s \right| \;\mathrm{d}W_s.

Elevando ao quadrado e usando que (a+b+c)2≤3a2+3b2+3c2,(a + b + c)^2 \leq 3a^2 + 3b^2 + 3c^2,

∣Xt−X~t∣2≤3∣X0−X~0∣2+3Lf2(∫0t∣Xs−X~s∣ ds)2+3Lg2(∫0t∣Xs−X~s∣ dWs)2. \left| X_t - \tilde X_t \right|^2 \leq 3\left| X_0 - \tilde X_0 \right|^2 + 3L_f^2\left(\int_0^t \left| X_s - \tilde X_s \right| \;\mathrm{d}s\right)^2 + 3L_g^2\left(\int_0^t \left| X_s - \tilde X_s \right| \;\mathrm{d}W_s\right)^2.

A segunda integral pode ser estimada diretamente, consequência da desigualdade de Cauchy-Schwarz:

∫0t∣Xs−X~s∣ ds≤(∫0t ds)1/2(∫0t∣Xs−X~s∣2 ds)1/2, \int_0^t \left| X_s - \tilde X_s \right| \;\mathrm{d}s \leq \left(\int_0^t \;\mathrm{d}s\right)^{1/2}\left(\int_0^t \left| X_s - \tilde X_s \right|^2 \;\mathrm{d}s\right)^{1/2},

de modo que

(∫0t∣Xs−X~s∣ ds)2≤t∫0t∣Xs−X~s∣2 ds. \left(\int_0^t \left| X_s - \tilde X_s \right| \;\mathrm{d}s\right)^2 \leq t\int_0^t \left| X_s - \tilde X_s \right|^2 \;\mathrm{d}s.

Assim, para o valor esperado, obtemos

E[∣Xt−X~t∣2]≤3E[∣X0−X~0∣2]+3Lf2t∫0tE[∣Xs−X~s∣2] ds+3Lg2E[(∫0t∣Xs−X~s∣ dWs)2]. \begin{align*} \mathbb{E}\left[\left| X_t - \tilde X_t \right|^2\right] & \leq 3\mathbb{E}\left[\left| X_0 - \tilde X_0 \right|^2\right] \\ & \qquad + 3L_f^2 t \int_0^t \mathbb{E}\left[\left| X_s - \tilde X_s \right|^2\right] \;\mathrm{d}s \\ & \qquad + 3L_g^2\mathbb{E}\left[\left(\int_0^t \left| X_s - \tilde X_s \right| \;\mathrm{d}W_s\right)^2\right]. \end{align*}

O último termo pode ser estimado via isometria de Itô:

E[(∫0t∣Xs−X~s∣ dWs)2]=∫0tE[∣Xs−X~s∣2] ds. \mathbb{E}\left[\left(\int_0^t \left| X_s - \tilde X_s \right| \;\mathrm{d}W_s\right)^2\right] = \int_0^t \mathbb{E}\left[\left| X_s - \tilde X_s \right|^2\right] \;\mathrm{d}s.

Dessa forma, obtemos

E[∣Xt−X~t∣2]≤3E[∣X0−X~0∣2]+3(Lf2t+Lg2)∫0tE[∣Xs−X~s∣2] ds. \mathbb{E}\left[\left| X_t - \tilde X_t \right|^2\right] \leq 3\mathbb{E}\left[\left| X_0 - \tilde X_0 \right|^2\right] + 3(L_f^2 t + L_g^2) \int_0^t \mathbb{E}\left[\left| X_s - \tilde X_s \right|^2\right] \;\mathrm{d}s.

Aplicando o Lema de Grownall, obtemos

E[∣Xt−X~t∣2]≤E[∣X0−X~0∣2]e3(Lf2t+Lg2)t,t≥0. \mathbb{E}\left[\left| X_t - \tilde X_t \right|^2\right] \leq \mathbb{E}\left[\left| X_0 - \tilde X_0 \right|^2\right] e^{3(L_f^2 t + L_g^2)t}, \qquad t \geq 0.

Unicidade

A unicidade, agora, é consequência da estimativa acima, assumindo X0=X~0X_0 = \tilde X_0 quase sempre, de maneira que

E[∣X0−X~0∣2]=0 \mathbb{E}[|X_0 - \tilde X_0|^2] = 0

e, consequentemente,

E[∣Xt−X~t∣2]=0,t≥0. \mathbb{E}[|X_t - \tilde X_t|^2] = 0, \qquad t \geq 0.

Como os caminhos t↦Xt(ω)t \mapsto X_t(\omega) são contínuos, então

P(max⁡0≤t≤T∣Xt−X~t∣>0)=0. \mathbb{P}\left(\max_{0\leq t \leq T} |X_t - \tilde X_t| > 0\right) = 0.

Em outras palavras,

P(Xt=X~t,t≥0)=1. \mathbb{P}\left(X_t = \tilde X_t, t \geq 0\right) = 1.

Exemplo de não unicidade

De maneira semelhante ao caso de equações diferenciais ordinárias, equações que envolvem potências de ordem pp com 0<p<10< p < 1 são fortes candidatos a não unicidade. Mas por conta da fórmula de Itô, a equação pode ser um pouco mais complicada. Vamos, então, ver o caminho contrário. Considere Xt=Wt3X_t = W_t^3 e vamos ver que equação {Xt}t\{X_t\}_t deve satisfazer. Pela fórmula de Itô com Xt=h(Wt)X_t = h(W_t) e h(w)=w3,h(w) = w^3, temos

dXt=12h′′(Wt) dt+h′(Wt) dWt \mathrm{d}X_t = \frac{1}{2}h''(W_t)\;\mathrm{d}t + h'(W_t)\;\mathrm{d}W_t

Usando que h′(w)=3w2h'(w) = 3w^2 e h′′(w)=6wh''(w) = 6w e que Wt=Xt1/3,W_t = X_t^{1/3}, obtemos

dXt=3Xt1/3 dt+2Xt2/3 dWt. \mathrm{d}X_t = 3X_t^{1/3}\;\mathrm{d}t + 2X_t^{2/3}\;\mathrm{d}W_t.

Observe que

X0=W03=0. X_0 = W_0^3 = 0.

Por outro lado, definindo X~t=0,\tilde X_t = 0, para todo t≥0,t \geq 0, vemos que {Xt}t\{X_t\}_t satisfaz trivialmente a mesma equação e com a mesma condição inicial X~0=0.\tilde X_0 = 0. Isso mostra a não unicidade de solução da equação acima.

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