10.8. O método de Milstein

Vimos que o método de Euler-Maruyama para equações estocásticas multiplicativas é de ordem forte 1/2,1/2, ao contrário do método de Euler clássico, que é de ordem 1.1. É natural buscarmos de métodos de ordem mais alta também para equações estocásticas. Vamos ver, aqui, o método de Milstein, que é de ordem forte 1.1.

Para simplificar, vamos considerar equações diferenciais estocásticas autônomas, da forma

dXt=f(Xt) dt+g(Xt) dWt. \mathrm{d}X_t = f(X_t)\;\mathrm{d}t + g(X_t)\;\mathrm{d}W_t.

Mas o caso não autônomo pode ser tratado de forma análoga. Vamos considerar, ainda, uma condição inicial

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

Expansão de Taylor estocástica

A equação diferencial estocástica é interpretada como significando

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

A partir de um determinado ponto t00,t_0 \geq 0, podemos escrever

Xt=Xt0+t0tf(Xs) ds+t0tg(Xs) dWs. X_t = X_{t_0} + \int_{t_0}^t f(X_s)\;\mathrm{d}s + \int_{t_0}^t g(X_s)\;\mathrm{d}W_s.

A ideia é usar a isometria de Itô para reescrever os integrandos acima e obter uma expansão da solução nos pontos da malha.

Pela isometria de Itô, temos

df(Xt)=f(Xt) dXt+12f(Xt) dt=f(Xt)f(Xt) dt+f(Xt)g(Xt) dWt+12f(Xt)g(Xt)2 dt. \mathrm{d}f(X_t) = f'(X_t)\;\mathrm{d}X_t + \frac{1}{2}f''(X_t)\;\mathrm{d}t = f'(X_t)f(X_t)\;\mathrm{d}t + f'(X_t)g(X_t)\;\mathrm{d}W_t + \frac{1}{2}f''(X_t)g(X_t)^2\;\mathrm{d}t.

e

dg(Xt)=g(Xt)dXt+12g(Xt) dt=g(Xt)f(Xt) dt+g(Xt)g(Xt) dWt+12g(Xt)g(Xt)2 dt. \mathrm{d}g(X_t) = g'(X_t)\mathrm{d}X_t + \frac{1}{2}g''(X_t)\;\mathrm{d}t = g'(X_t)f(X_t)\;\mathrm{d}t + g'(X_t)g(X_t)\;\mathrm{d}W_t + \frac{1}{2}g''(X_t)g(X_t)^2\;\mathrm{d}t.

A partir do ponto t0,t_0, obtemos

f(Xs)=f(Xt0)+t0sf(Xs)f(Xs) ds+t0sf(Xs)g(Xs) dWs+t0s12f(Xs)g(Xs)2 ds f(X_s) = f(X_{t_0}) + \int_{t_0}^s f'(X_s)f(X_s)\;\mathrm{d}s + \int_{t_0}^s f'(X_s)g(X_s)\;\mathrm{d}W_s + \int_{t_0}^s \frac{1}{2}f''(X_s)g(X_s)^2\;\mathrm{d}s

e

g(Xs)=g(Xt0)+t0sg(Xs)f(Xs) ds+t0sg(Xs)g(Xs) dWs+t0s12g(Xs)g(Xs)2 ds. g(X_s) = g(X_{t_0}) + \int_{t_0}^s g'(X_s)f(X_s)\;\mathrm{d}s + \int_{t_0}^s g'(X_s)g(X_s)\;\mathrm{d}W_s + \int_{t_0}^s \frac{1}{2}g''(X_s)g(X_s)^2\;\mathrm{d}s.

Substituindo essas expressões para f(Xs)f(X_s) e g(Xs)g(X_s) na equação integral para {Xt}t,\{X_t\}_t, obtemos

Xt=Xt0+t0tf(Xt0) ds+t0tg(Xt0) dWs+Rt0,t, X_t = X_{t_0} + \int_{t_0}^t f(X_{t_0})\;\mathrm{d}s + \int_{t_0}^t g(X_{t_0})\;\mathrm{d}W_s + R_{t_0, t},

onde o resto Rt0,tR_{t_0, t} é dado por

Rt0,t=Rt0,tf+Rt0,tg, R_{t_0, t} = R_{t_0, t}^f + R_{t_0, t}^g,

com

Rt0,tf=t0t(t0s(f(Xτ)f(Xτ)+12f(Xτ)g(Xτ)2) dτ+t0τf(Xτ)g(Xτ) dWτ) ds R_{t_0, t}^f = \int_{t_0}^{t} \left(\int_{t_0}^s \left(f'(X_\tau)f(X_\tau) + \frac{1}{2}f''(X_\tau)g(X_\tau)^2\right)\;\mathrm{d}\tau + \int_{t_0}^\tau f'(X_\tau)g(X_\tau)\;\mathrm{d}W_\tau\right)\;\mathrm{d}s

e

Rt0,tg=t0t(t0s(g(Xτ)f(Xτ)+12g(Xτ)g(Xτ)2) dτ+t0sg(Xτ)g(Xτ) dWτ) dWs. R_{t_0, t}^g = \int_{t_0}^{t} \left(\int_{t_0}^s \left(g'(X_\tau)f(X_\tau) + \frac{1}{2}g''(X_\tau)g(X_\tau)^2\right)\;\mathrm{d}\tau + \int_{t_0}^s g'(X_\tau)g(X_\tau)\;\mathrm{d}W_\tau\right)\;\mathrm{d}W_s.

Cada termo tem uma determinada ordem de grandeza em termos de dt\mathrm{d}t e dWt.\mathrm{d}W_t. Como dWtdt,\mathrm{d}W_t \sim \sqrt{\mathrm{d}t}, as diferentes integrais presentes na expansão não têm a mesma ordem. Podemos dizer que, em uma aproximação com passo Δt=tt0,\Delta t = t - t_0, as integrais simples tem ordem

t0tf(Xs) dsΔt \int_{t_0}^t f(X_s)\;\mathrm{d}s \sim \Delta t

e

t0tg(Xs) dWsΔt1/2. \int_{t_0}^t g(X_s)\;\mathrm{d}W_s \sim \Delta t^{1/2}.

Por sua vez, as integrais duplas presentes na expansão desses dois termos têm ordem

t0tt0sF(Xτ) dτ dsΔt2.t0tt0sF(Xτ) dWτ dsΔt3/2t0tt0sF(Xτ) dWτ dWsΔt. \begin{align*} & \int_{t_0}^t \int_{t_0}^s F(X_\tau) \;\mathrm{d}\tau \;\mathrm{d}s \sim \Delta t^2. \\ & \int_{t_0}^t \int_{t_0}^s F(X_\tau) \;\mathrm{d}W_\tau \;\mathrm{d}s \sim \Delta t^{3/2} \\ & \int_{t_0}^t \int_{t_0}^s F(X_\tau) \;\mathrm{d}W_\tau \;\mathrm{d}W_s \sim \Delta t. \end{align*}

Assim, podemos, de acordo com o objetivo, expandir F(Xτ)F(X_\tau) apenas em alguns termos, de ordem mais baixa, começando pela integral estocástica dupla.

Expansão nos pontos da malha

Em pontos tj=jT/n,t_j = jT/n, j=0,1,,n,j = 0, 1, \ldots, n, podemos escrever

Xtj=Xtj1+tj1tjf(Xs) ds+tj1tjg(Xs) dWs. X_{t_j} = X_{t_{j-1}} + \int_{t_{j-1}}^{t_j} f(X_s)\;\mathrm{d}s + \int_{t_{j-1}}^{t_j} g(X_s)\;\mathrm{d}W_s.

Substituindo f(Xs)f(X_s) e g(Xs)g(X_s) de acordo com a fórmula de Itô a partir de um ponto tj1t_{j-1} da malha, obtemos

Xtj=Xtj1+tj1tjf(Xtj1) ds+tj1tjg(Xtj1) dWs+Rj, X_{t_j} = X_{t_{j-1}} + \int_{t_{j-1}}^{t_j} f(X_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}s + \int_{t_{j-1}}^{t_j} g(X_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_s + R_j,

onde o resto RjR_j é dado por

Rj=tj1tj(tj1s(f(Xτ)f(Xτ)+12f(Xτ)g(Xτ)2) dτ+tj1sf(Xτ)g(Xτ) dWτ) ds+tj1tj(tj1s(g(Xτ)f(Xτ)+12g(Xτ)g(Xτ)2) dτ+tj1sg(Xτ)g(Xτ) dWτ) dWs. \begin{align*} R_j & = \int_{t_{j-1}}^{t_j} \left(\int_{t_{j-1}}^s \left(f'(X_\tau)f(X_\tau) + \frac{1}{2}f''(X_\tau)g(X_\tau)^2\right)\;\mathrm{d}\tau + \int_{t_{j-1}}^s f'(X_\tau)g(X_\tau)\;\mathrm{d}W_\tau\right)\;\mathrm{d}s \\ & \qquad + \int_{t_{j-1}}^{t_j} \left(\int_{t_{j-1}}^s \left(g'(X_\tau)f(X_\tau) + \frac{1}{2}g''(X_\tau)g(X_\tau)^2\right)\;\mathrm{d}\tau + \int_{t_{j-1}}^s g'(X_\tau)g(X_\tau)\;\mathrm{d}W_\tau\right)\;\mathrm{d}W_s. \end{align*}

Revisitando o método de Euler-Maruyama

Observe que a aproximação para o método de Euler-Maruyama é obtida ao descartarmos completamente o resto Rj,R_j, ficando, apenas

XtjXtj1+tj1tjf(Xtj1) ds+tj1tjg(Xtj1) dWs=Xtj1+f(Xtj1)Δt+g(Xtj1)ΔWj1, X_{t_j} \approx X_{t_{j-1}} + \int_{t_{j-1}}^{t_j} f(X_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}s + \int_{t_{j-1}}^{t_j} g(X_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_s = X_{t_{j-1}} + f(X_{t_{j-1}})\Delta t + g(X_{t_{j-1}}) \Delta W_{j-1},

onde ΔWj1=WtjWtj1.\Delta W_{j-1} = W_{t_j} - W_{t_{j-1}}.

Isso nos leva ao método de Euler-Maruyama

Xj=Xj1+f(Xj1)Δt+g(Xj1)ΔWj1,j=1,,n, X_j = X_{j-1} + f(X_{j-1}) \Delta t + g(X_{j-1})\Delta W_{j-1}, \qquad j = 1, \ldots, n,

com X0X_0 dado.

Em termos da aproximação, podemos escrever

t0tf(Xs) ds=f(Xt0)Δt+O(Δt3/2) \int_{t_0}^t f(X_s)\;\mathrm{d}s = f(X_{t_0})\Delta t + \mathcal{O}(\Delta t^{3/2})

e

t0tg(Xs) dWs=g(Xt0)Δt1/2+O(Δt) \int_{t_0}^t g(X_s)\;\mathrm{d}W_s = g(X_{t_0})\Delta t^{1/2} + \mathcal{O}(\Delta t)

A integral em ff tem uma ordem mais alta do que a em g,g, mas não podemos descartá-la por completo, pois a aproximação em ff cairia para ordem zero, na verdade (Pense em aproximar a função f(t)=t=0t dsf(t) = t = \int_0^t \;\mathrm{d}s por zero, f~(t)=0,\tilde f(t) = 0, em que cada passo tΔt ds=Δt\int_t^{\Delta t} \;\mathrm{d}s = \Delta t mas, após a integração em um intervalo 0t1,0\leq t \leq 1, o erro é f(1)f~(1)=10=1f(1) - \tilde f(1) = 1 - 0 = 1). Temos que aproximar os dois termos até uma ordem mínima desejada.

O método de Milstein

Para o método de Milstein, vamos reter o termo de ordem mais baixa do resto Rj,R_j, que é o termo com a integral estocástica dupla:

tj1tjtj1sg(Xτ)g(Xτ) dWτ dWs. \int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s g'(X_\tau)g(X_\tau)\;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s.

Considerando u(x)=g(x)g(x)u(x) = g'(x)g(x) e aplicando a isometria de Itô a {u(Xt)}t0,\{u(X_t)\}_{t \geq 0}, obtemos

g(Xτ)g(Xτ)=g(Xtj1)g(Xtj1)+tj1τdu(Xη), g'(X_\tau)g(X_\tau) = g'(X_{t_{j-1}})g(X_{t_{j-1}}) + \int_{t_{j-1}}^\tau \mathrm{d}u(X_\eta),

com

du(Xt)=u(Xt) dXt+12u(Xt)g(Xt)2 dt=(g(Xt)g(Xt)+g(Xt)2)f(Xt) dt+(g(Xt)g(Xt)+g(Xt)2)g(Xt) dWt+12(g(Xt)g(Xt)+3g(Xt)g(Xt)+g(Xt)3)g(Xt)2 dt. \begin{align*} \mathrm{d}u(X_t) & = u'(X_t)\;\mathrm{d}X_t + \frac{1}{2}u''(X_t)g(X_t)^2\;\mathrm{d}t \\ & = (g''(X_t)g(X_t) + g'(X_t)^2)f(X_t)\;\mathrm{d}t \\ & \qquad + (g''(X_t)g(X_t) + g'(X_t)^2)g(X_t)\;\mathrm{d}W_t \\ & \qquad + \frac{1}{2}(g'''(X_t)g(X_t) + 3g''(X_t)g'(X_t) + g'(X_t)^3)g(X_t)^2\;\mathrm{d}t. \end{align*}

Isso implica em

tj1tjtj1sg(Xτ)g(Xτ) dWτ dWs=tj1tjtj1sg(Xtj1)g(Xtj1) dWτ dWs+tj1tjtj1stj1τ du(Xη) dWτ dWs, \int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s g'(X_\tau)g(X_\tau)\;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s = \int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s g'(X_{t_{j-1}})g(X_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s + \int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s \int_{t_{j-1}}^\tau \;\mathrm{d}u(X_\eta)\;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s,

que nos leva à expansão

Xtj=Xtj1+tj1tjf(Xtj1) ds+tj1tjg(Xtj1) dWs+g(Xtj1)g(Xtj1)tj1tjtj1s dWτ dWs+R~j, X_{t_j} = X_{t_{j-1}} + \int_{t_{j-1}}^{t_j} f(X_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}s + \int_{t_{j-1}}^{t_j} g(X_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_s + g'(X_{t_{j-1}})g(X_{t_{j-1}})\int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s \;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s + \tilde R_j,

com um resto R~j\tilde R_j contendo a integral tripla no lugar da integral estocástica dupla. Descartando o resto R~j,\tilde R_j, obtemos o aproximação utilizada no método de Milstein

XtjXtj1+tj1tjf(Xj1) ds+tj1tjg(Xj1) dWs+tj1tjtj1sg(Xtj1)g(Xtj1) dWτ dWs=Xtj1+f(Xj1)Δt+g(Xj1)(WtjWtj1)+g(Xtj1)g(Xtj1)tj1tjtj1s dWτ dWs. \begin{align*} X_{t_j} & \approx X_{t_{j-1}} + \int_{t_{j-1}}^{t_j} f(X_{j-1})\;\mathrm{d}s + \int_{t_{j-1}}^{t_j} g(X_{j-1})\;\mathrm{d}W_s + \int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s g'(X_{t_{j-1}})g(X_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s \\ & = X_{t_{j-1}} + f(X_{j-1})\Delta t + g(X_{j-1}) (W_{t_j} - W_{t_{j-1}}) + g'(X_{t_{j-1}})g(X_{t_{j-1}})\int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s \;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s. \end{align*}

Nesse caso em particular, a integral estocástica dupla pode ser calculada mais explicitamente. De fato, a integral interior é simplesmente

tj1s dWτ=WsWtj1. \int_{t_{j-1}}^s \;\mathrm{d}W_\tau = W_s - W_{t_{j-1}}.

Assim,

tj1tjtj1s dWτ dWs=tj1tj(WsWtj1) dWs. \int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s \;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s = \int_{t_{j-1}}^{t_j} (W_s - W_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_s.

Podemos usar a propriedade de invariância por translação dos processos de Wiener, que diz que {W~τ}τ0\{\tilde W_\tau\}_{\tau \geq 0} dado por W~τ=Wtj1+τWtj1\tilde W_\tau = W_{t_{j-1} + \tau} - W_{t_{j-1}} também é um processo de Wiener, para escrever

tj1tj(WsWtj1) dWs=0ΔtW~τ dW~τ=W~Δt22Δt2=(WtjWtj1)22Δt2. \int_{t_{j-1}}^{t_j} (W_s - W_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_s = \int_{0}^{\Delta t} \tilde W_\tau\;\mathrm{d}\tilde W_\tau = \frac{\tilde W_{\Delta t}^2}{2} - \frac{\Delta t}{2} = \frac{(W_{t_j} - W_{t_{j-1}})^2}{2} - \frac{\Delta t}{2}.

Ou, mais diretamente,

tj1tjtj1s dWτ dWs=tj1tj(WsWtj1) dWs=tj1tjWs dWstj1tjWtj1 dWs=12(Wtj2Wtj12tj+tj1)Wtj1(WtjWtj1)=12((Wtj+Wtj1)(WtjWtj1)tj+tj1)Wtj1(WtjWtj1)=12((Wtj+Wtj1)(WtjWtj1)2Wtj1(WtjWtj1))Δt2=12(WtjWtj1)2Δt2 \begin{align*} \int_{t_{j-1}}^{t_j} \int_{t_{j-1}}^s \;\mathrm{d}W_\tau\;\mathrm{d}W_s & = \int_{t_{j-1}}^{t_j} (W_s - W_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_s \\ & = \int_{t_{j-1}}^{t_j} W_s \;\mathrm{d}W_s - \int_{t_{j-1}}^{t_j} W_{t_{j-1}}\;\mathrm{d}W_s \\ & = \frac{1}{2}\left(W_{t_j}^2 - W_{t_{j-1}}^2 - t_j + t_{j-1} \right) - W_{t_{j-1}}\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right) \\ & = \frac{1}{2}\left((W_{t_j} + W_{t_{j-1}})(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}) - t_j + t_{j-1} \right) - W_{t_{j-1}}\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right) \\ & = \frac{1}{2}\left((W_{t_j} + W_{t_{j-1}})(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}) - 2W_{t_{j-1}}\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right) \right) - \frac{\Delta t}{2} \\ & = \frac{1}{2}\left(W_{t_j} - W_{t_{j-1}}\right)^2 - \frac{\Delta t}{2} \end{align*}

De um jeito ou de outro, podemos escrever

tj1tj(WsWtj1) dWs=ΔWj122Δt2, \int_{t_{j-1}}^{t_j} (W_s - W_{t_{j-1}})\;\mathrm{d}W_s = \frac{\Delta W_{j-1}^2}{2} - \frac{\Delta t}{2},

onde ΔWj1=WtjWtj1.\Delta W_{j-1} = W_{t_j} - W_{t_{j-1}}. Dessa forma, obtemos aproximação

XtjXtj1+f(Xj1)Δt+g(Xj1)ΔWj1+12g(Xtj1)g(Xtj1)(ΔWj12Δt), X_{t_j} \approx X_{t_{j-1}} + f(X_{j-1})\Delta t + g(X_{j-1}) \Delta W_{j-1} + \frac{1}{2}g'(X_{t_{j-1}})g(X_{t_{j-1}})\left(\Delta W_{j-1}^2 - \Delta t\right),

Isso nos leva ao método de Milstein

Xj=Xj1+f(Xj1)Δt+g(Xj1)ΔWj1+12g(Xj1)g(Xj1)(ΔWj12Δt),j=1,,n, X_j = X_{j-1} + f(X_{j-1}) \Delta t + g(X_{j-1})\Delta W_{j-1} + \frac{1}{2}g'(X_{j-1})g(X_{j-1})\left(\Delta W_{j-1}^2 - \Delta t\right), \qquad j = 1, \ldots, n,

com X0X_0 dado. Mais explicitamente, como ΔWj1ΔtN(0,1),\Delta W_{j-1} \sim \sqrt{\Delta t} \mathcal{N}(0, 1), escrevemos

Xj=Xj1+f(Xj1)Δt+g(Xj1)Zj1Δt+12g(Xj1)g(Xj1)(Zj121)Δt,j=1,,n, X_j = X_{j-1} + f(X_{j-1}) \Delta t + g(X_{j-1})Z_{j-1}\sqrt{\Delta t} + \frac{1}{2}g'(X_{j-1})g(X_{j-1})\left(Z_{j-1}^2 - 1 \right)\Delta t, \qquad j = 1, \ldots, n,

onde ZiN(0,1)Z_i \sim \mathcal{N}(0, 1) são independentes.

Ordem de convergência do método de Milstein

Não faremos as estimativas rigorosas aqui, mas, como dito acima, pode-se mostrar que o método de Milstein tem ordem forte 11 e ordem fraca 1,1, também.

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