9.1. Equação do transporte para equações diferenciais ordinárias

Considere uma equação diferencial determinística

dxdt=f(t,x). \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = f(t, x).

Suponha que haja uma incerteza em relação à condição inicial. Isso nos dá a condição inicial como uma variável aleatória X0.X_0. Nesse caso, para cada realização X0(ω),X_0(\omega), temos uma solução t↦Xt(ω)t \mapsto X_t(\omega) da equação diferencial ordinária aleatória

{dXtdt=f(t,Xt),X∣t=0=X0. \begin{cases} \displaystyle \frac{\mathrm{d}X_t}{\mathrm{d}t} = f(t, X_t), \\ \left. X \right|_{t = 0} = X_0. \end{cases}

Suponhamos, para todos os efeitos, que essas soluções estejam definidas pelo menos em um intervalo de tempo [0,T].[0, T]. Isso nos leva a um processo {Xt}t∈[0,T].\{X_t\}_{t\in [0, T]}.

Suponhamos, mais ainda, que cada XtX_t tenha uma função densidade de probabilidade p(t,x)p(t, x) bem definida. A questão que queremos investigar é sobre a evolução dessa função. Temos, para uma "função teste" Φ\Phi qualquer,

E[Φ]=∫RΦ(Xt(ω)) dP(ω)=∫RΦ(x)p(t,x) dx. \mathbb{E}[\Phi] = \int_\mathbb{R} \Phi(X_t(\omega))\;\mathrm{d}\mathbb{P}(\omega) = \int_\mathbb{R} \Phi(x)p(t, x) \;\mathrm{d}x.

Derivando em relação ao tempo, obtemos

ddtE[Φ]=ddt∫RΦ(x)p(t,x) dx=∫RΦ(x)∂p∂t(t,x) dx. \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \mathbb{E}[\Phi] = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \int_\mathbb{R} \Phi(x)p(t, x) \;\mathrm{d}x = \int_\mathbb{R} \Phi(x)\frac{\partial p}{\partial t}(t, x) \;\mathrm{d}x.

Por outro lado, também temos

ddtE[Φ]=∫RΦ′(Xt(ω))ddtXt(ω) dP(ω)=∫RΦ′(Xt(ω))f(t,Xt(ω)) dP(ω)=∫RΦ′(x)f(t,x)p(t,x) dx. \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \mathbb{E}[\Phi] = \int_\mathbb{R} \Phi'(X_t(\omega))\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}X_t(\omega)\;\mathrm{d}\mathbb{P}(\omega) = \int_\mathbb{R} \Phi'(X_t(\omega))f(t, X_t(\omega))\;\mathrm{d}\mathbb{P}(\omega) = \int_\mathbb{R} \Phi'(x)f(t, x) p(t, x)\;\mathrm{d}x.

Integrando por partes,

ddtE[Φ]=−∫RΦ(x)∂∂x(f(t,x)p(t,x)) dx. \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \mathbb{E}[\Phi] = - \int_\mathbb{R} \Phi(x)\frac{\partial}{\partial x}\left(f(t, x) p(t, x)\right)\;\mathrm{d}x.

Igualando as duas identidades, temos

∫RΦ(x)∂p∂t(t,x) dx=−∫RΦ(x)∂∂x(f(t,x)p(t,x)) dx. \int_\mathbb{R} \Phi(x)\frac{\partial p}{\partial t}(t, x) \;\mathrm{d}x = - \int_\mathbb{R} \Phi(x)\frac{\partial}{\partial x}\left(f(t, x) p(t, x)\right)\;\mathrm{d}x.

Como isso é válido para qualquer Φ,\Phi, obtemos a equação

∂p∂t(t,x)+∂∂x(f(t,x)p(t,x))=0, \frac{\partial p}{\partial t}(t, x) + \frac{\partial}{\partial x}\left(f(t, x) p(t, x)\right) = 0,

para a evolução da função densidade de probabilidade p(t,x).p(t, x).

No caso de uma equação autônoma

dxdt=f(x), \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = f(x),

obtemos

∂p∂t(t,x)+∂∂x(f(x)p(t,x))=0. \frac{\partial p}{\partial t}(t, x) + \frac{\partial}{\partial x}\left(f(x) p(t, x)\right) = 0.

Densidades estacionárias, i.e. p(t,x)=p(x),p(t, x) = p(x), podem ser obtidas através da equação

∂∂x(f(x)p(x))=0, \frac{\partial}{\partial x}\left(f(x) p(x)\right) = 0,

ou seja

f(x)p(x)=constante, f(x)p(x) = \textrm{constante},

lembrando que pp deve ser uma função densidade de probabilidade, ou seja,

p(x)≥0,∫−∞∞p(x);dx=1. p(x) \geq 0, \quad \int_{-\infty}^\infty p(x);\mathrm{d}x = 1.

Por exemplo, para a equação

dxdt=−x, \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = - x,

a única solução possível é a delta de Dirac com suporte na origem. Tecnicamente, isso não nos dá uma densidade de probabilidade. Mas isso pode ser obtido, de maneira mais rigorosa, como limite, quando t↦∞,t \mapsto \infty, das soluções de

∂p∂t(t,x)−∂∂x(xp(t,x))=0, \frac{\partial p}{\partial t}(t, x) - \frac{\partial}{\partial x}\left(x p(t, x)\right) = 0,

com uma dada condição inicial p(0,x)=p0(x).p(0, x) = p_0(x). Procurando uma solução auto-similar

p(t,x)=a(t)p0(b(t)x), p(t, x) = a(t) p_0(b(t)x),

vemos que a(t)=b(t)=et,a(t) = b(t) = e^{t}, ou seja,

p(t,x)=etp0(etx). p(t, x) = e^{t}p_0(e^{t}x).

Observe que

∫−∞∞p(t,x) dx=∫−∞∞etp0(etx) dx=∫−∞∞p0(x) dx=1. \int_{-\infty}^\infty p(t, x) \;\mathrm{d}x = \int_{-\infty}^\infty e^{t}p_0(e^{t}x) \;\mathrm{d}x = \int_{-\infty}^\infty p_0(x) \;\mathrm{d}x = 1.

Além disso, para um função g=g(x)g=g(x) contínua e limitada, temos

∫−∞∞p(t,x)g(x) dx=∫−∞∞p(t,x)g(0) dx+∫−∞∞p(t,x)(g(x)−g(0)) dx=g(0)+∫−∞∞p(t,x)(g(x)−g(0)) dx. \begin{align*} \int_{-\infty}^\infty p(t, x) g(x) \;\mathrm{d}x & = \int_{-\infty}^\infty p(t, x) g(0) \;\mathrm{d}x + \int_{-\infty}^\infty p(t, x) (g(x) - g(0)) \;\mathrm{d}x \\ & = g(0) + \int_{-\infty}^\infty p(t, x) (g(x)-g(0)) \;\mathrm{d}x. \end{align*}

Pela continuidade da função g=g(x),g=g(x), dado ε>0,\varepsilon > 0, existe δ>0\delta > 0 tal que ∣g(x)−g(0)∣≤ε,|g(x) - g(0)| \leq \varepsilon, para ∣x∣≤δ.|x|\leq \delta. Além disso, g=g(x)g=g(x) é limitada, digamos ∣g(x)∣≤C.|g(x)| \leq C. Assim,

∣∫−∞∞p(t,x)(g(x)−g(0)) dx∣≤∫∣x∣≤δp(t,x)∣g(x)−g(0)∣ dx+∫∣x∣≥δp(t,x)∣g(x)−g(0)∣ dx≤ε∫∣x∣≤δp(t,x) dx+2C∫∣x∣≥δp(t,x) dx≤ε+2C∫∣x∣≥δetp0(etx) dx=ε+2C∫∣x∣≥etδp0(x) dx. \begin{align*} \left|\int_{-\infty}^\infty p(t, x) (g(x)-g(0)) \;\mathrm{d}x\right| & \leq \int_{|x| \leq \delta} p(t, x) |g(x)-g(0)| \;\mathrm{d}x + \int_{|x| \geq \delta} p(t, x) |g(x)-g(0)| \;\mathrm{d}x \\ & \leq \varepsilon \int_{|x| \leq \delta} p(t, x) \;\mathrm{d}x + 2C \int_{|x| \geq \delta} p(t, x) \;\mathrm{d}x \\ & \leq \varepsilon + 2C\int_{|x| \geq \delta} e^{t}p_0(e^{t}x) \;\mathrm{d}x \\ & = \varepsilon + 2C\int_{|x| \geq e^t\delta} p_0(x) \;\mathrm{d}x. \end{align*}

Quando t→0,t\rightarrow 0, a integral acima vai para zero. Além disso, ε>0\varepsilon > 0 é arbitrário. Logo,

lim⁡t→∞∫−∞∞p(t,x)(g(x)−g(0)) dx=0. \lim_{t\rightarrow \infty} \int_{-\infty}^\infty p(t, x) (g(x)-g(0)) \;\mathrm{d}x = 0.

Portanto,

∫−∞∞p(t,x)g(x) dx→g(0), \int_{-\infty}^\infty p(t, x) g(x) \;\mathrm{d}x \rightarrow g(0),

mostrando que a solução convergence para a delta de Dirac no sentido das distribuições, i.e.

p(t,x)⇀wδ0. p(t, x) \stackrel{w}{\rightharpoonup} \delta_0.

Exercícios

  1. Verifique que, no caso multi-dimensional, em que x∈Rd\mathbf{x}\in\mathbb{R}^d e f:Rd→Rd,f:\mathbb{R}^d \rightarrow \mathbb{R}^d, com d∈Nd\in\mathbb{N} arbitrário, a equação de transporte para a densidade p=p(t,x)p=p(t,\mathbf{x}) da solução de dXt/dt=f(t,Xt),\mathrm{d}\mathbf{X}_t/\mathrm{d}t = f(t, \mathbf{X}_t), com uma variável aleatória inicial X0,\mathbf{X}_0, tem a forma

∂p∂t(t,x)+∇⋅(f(t,x)p(t,x))=0. \frac{\partial p}{\partial t}(t, \mathbf{x}) + \nabla \cdot (f(t, \mathbf{x})p(t, \mathbf{x})) = 0.
  1. Usando a fórmula acima, encontre a=a(t)a=a(t) e b=b(t)b=b(t) tais que p(t,x)=a(t)q(b(t)x)p(t, \mathbf{x}) = a(t) q(b(t) \mathbf{x}) seja uma solução (dita auto-semelhante) da equação de Fokker-Planck acima, no caso da equação linear dXt/dt=−Xt\mathrm{d}\mathbf{X}_t/\mathrm{d}t = -\mathbf{X}_t em várias variáveis x∈Rd,\mathbf{x}\in\mathbb{R}^d, com d∈N,d\in\mathbb{N}, com uma condição inicial X0X_0 com densidade de probabilidade q=q(x).q=q(\mathbf{x}).

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