10.4. Não convergência do método de Euler-Maruyama sem condição Lipschitz global

Vejamos, agora, um exemplo de não convergência do método de Euler, mesmo no caso aditivo, quando o termo de drift é apenas localmente Lipschitz. Esse exemplo aparece na Seção 10.5 de Higham & Kloeden (2021) e é feita em detalhes e em maior generalidade em Hutzenthaler, Jentzen & Kloeden (2011).

Interlúdio no caso determinístico

Considere, inicialmente, a equação diferencial ordinária

dxdt=−x3, \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = - x^3,

com condição inicial x(0)=x0>0.x(0) = x_0 > 0. O método de Euler com passo constante tem a forma

xj=xj−1−xj−13Δt=xj−1(1−xj−12Δt). x_j = x_{j-1} - x_{j-1}^3 \Delta t = x_{j-1}(1 - x_{j-1}^2 \Delta t).

Seja T>0T > 0 arbitrário e fixe um passo de tempo qualquer Δt=T/N≤2,\Delta t = T/N \leq 2, para algum N∈N.N\in\mathbb{N}. Suponha que a condição inicial seja tal que

x0≥2Δt≥1. x_0 \geq \frac{2}{\Delta t} \geq 1.

Nesse caso,

1−x02Δt≤1−2x0≤x0−2x0=−x0. 1 - x_0^2 \Delta t \leq 1 - 2x_0 \leq x_0 - 2x_0 = -x_0.

Assim, o primeiro passo de Euler nos dá

x1=x0−Δtx03=x0(1−Δtx02)≤−x02. x_1 = x_0 - \Delta t x_0^3 = x_0(1 - \Delta t x_0^2) \leq -x_0^2.

Por indução, vamos supor que ∣xj∣≥xj−12,|x_j| \geq x_{j-1}^2, com sinais alternados, sgn(xj)=(−1)j.\mathrm{sgn}(x_j) = (-1)^j. Vamos separar em dois casos, dependendo da paridade de j,j, ou seja, do sinal de xj.x_j.

Quando jj é par, xjx_j tem sinal positivo e

xj=∣xj∣≥x0≥2Δt≥1, x_j = |x_j| \geq x_0 \geq \frac{2}{\Delta t} \geq 1,

de modo que

1−xj2Δt≤xj−xj2Δt=xj(1−xjΔt)≤xj(1−2)=−xj. 1 - x_j^2 \Delta t \leq x_j - x_j^2 \Delta t = x_j (1 - x_j\Delta t) \leq x_j (1 - 2) = - x_j.

Portanto,

xj+1=xj(1−xj2Δt)≤−xj2, x_{j+1} = x_j (1 - x_j^2 \Delta t) \leq - x_j^2,

ou seja xj+1x_{j+1} é negativo e ∣xj+1∣≥xj2.|x_{j+1}| \geq x_j^2.

Quando jj é impar, xjx_j tem sinal negativo e

xj=−∣xj∣≤−x0≤−2Δt≤−1, x_j = - |x_j| \leq - x_0 \leq - \frac{2}{\Delta t} \leq -1,

de modo que

1−xj2Δt≤−xj−xj2Δt=−xj(1+xjΔt)≤−xj(1−2)=xj. 1 - x_j^2 \Delta t \leq - x_j - x_j^2 \Delta t = -x_j (1 + x_j\Delta t) \leq -x_j (1 - 2) = x_j.

Portanto, como xjx_j é negativo,

xj+1=xj(1−xj2Δt)≥xj2, x_{j+1} = x_j (1 - x_j^2 \Delta t) \geq x_j^2,

ou seja xj+1x_{j+1} é positivo e ∣xj+1∣≥xj2.|x_{j+1}| \geq x_j^2.

Assim, em qualquer caso, temos xj+1x_{j+1} de sinal contrário ao de xjx_j e com

∣xj+1∣≥xj2, |x_{j+1}| \geq x_j^2,

completando a indução.

Iterando essa relação, obtemos que a aproximação de Euler alterna de sinal e diverge de maneira duplamente exponencial, com

∣xj∣≥∣xj−1∣2≥(∣xj−2∣2)2≥⋯≥x02j, |x_j| \geq |x_{j-1}|^2 \geq (|x_{j-2}|^2)^2 \geq \cdots \geq x_0^{2^j},

ao invés de convergir para zero, como a solução exata da equação.

No argumento acima, começamos com x0x_0 positivo, mas a mesma ideia se aplica quando x0x_0 é negativo com x0≤−2/Δt.x_0 \leq -2/\Delta t. Ou seja, mais geralmente, se

∣x0∣≥2Δt≥1, |x_0| \geq \frac{2}{\Delta t} \geq 1,

então vale que o sinal de xjx_j alterna a cada iteração e

∣xj∣≥∣xj−1∣2≥(∣xj−2∣2)2≥⋯≥∣x0∣2j, |x_j| \geq |x_{j-1}|^2 \geq (|x_{j-2}|^2)^2 \geq \cdots \geq |x_0|^{2^j},

Finalmente, observe que fixando x0x_0 e diminuindo o passo de tempo esse problema desaparece. Isso é compatível com o fato de que o método de Euler converge e é de ordem 1 no caso determinístico. Vamos ver agora como o problema acima pode ser explorado para nos dar que, no caso estocásticom o método de Euler-Maruyama não converge.

Não convergência no caso aleatório

Considere, agora, a equação acima mas com uma condição inicial aleatória, i.e.

dXtdt=−Xt3, \frac{\mathrm{d}X_t}{\mathrm{d}t} = - X_t^3,

com X0=X0(ω)X_0 = X_0(\omega) variável aleatória. Caso X0X_0 tenha suporte compacto, digamos

∣X0∣≤r, |X_0| \leq r,

quase certamente, então basta tormarmos um passo Δt\Delta t suficientemente pequeno tal que

Δt<2r, \Delta t < \frac{2}{r},

para evitar as oscilações das aproximações de Euler para um ω\omega qualquer. Porém caso X0X_0 não tenha suporte limitado, podemos não ter esse controle global sobre erro. De fato, suponha que

X0∼N(0,σ2), X_0 \sim \mathcal{N}(0, \sigma^2),

para algum σ>0\sigma > 0 e que T>0.T > 0. Dado N∈N,N\in\mathbb{N}, seja Δt=T/N\Delta t = T/N e defina

AN={ω; ∣X0(ω)∣≥2NT}. A_N = \left\{\omega; \;|X_0(\omega)| \geq \frac{2N}{T} \right\}.

Como X0X_0 é normal, vale a estimativa

P(X0≥r)≥P(r≤X0≤2r)=12πσ2∫r2re−x22σ2 dx≥12πσ2re−2r2σ2. \begin{align*} \mathbb{P}(X_0 \geq r) & \geq \mathbb{P}(r \leq X_0 \leq 2r) \\ & = \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma^2}}\int_r^{2r} e^{-\frac{x^2}{2\sigma^2}}\;\mathrm{d}x \\ & \geq \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma^2}}r e^{-\frac{2r^2}{\sigma^2}}. \end{align*}

Em particular,

P(AN)=2P(X0≥2NT)≥42πσ2NTe−8N2σ2T2. \mathbb{P}(A_N) = 2\mathbb{P}\left(X_0 \geq \frac{2N}{T}\right) \geq \frac{4}{\sqrt{2\pi \sigma^2}}\frac{N}{T} e^{-\frac{8N^2}{\sigma^2T^2}}.

Pelas estimativas acima, temos, para as aproximações de Euler Xj(ω),X_j(\omega), j=0,…,N,j=0, \ldots, N, onde Δt=T/N,\Delta t = T/N, que

∣Xj(ω)∣≥∣X0(ω)∣2j, |X_j(\omega)| \geq |X_0(\omega)|^{2^j},

para todo ω∈AN.\omega\in A_N. Em particular, para j=N,j=N, temos

∣XN(ω)∣≥∣X0(ω)∣2N≥(2NT)2N. |X_N(\omega)| \geq |X_0(\omega)|^{2^N} \geq \left(\frac{2N}{T}\right)^{2^N}.

Assim, estimamos a norma forte por

E[∣XN∣]≥(2NT)2NP(AN)≥(2NT)2N12πσ24NTe−8N2σ2T2→∞, \mathbb{E}\left[|X_N|\right] \geq \left(\frac{2N}{T}\right)^{2^N} \mathbb{P}(A_N) \geq \left(\frac{2N}{T}\right)^{2^N}\frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma^2}}\frac{4N}{T} e^{-\frac{8N^2}{\sigma^2T^2}} \rightarrow \infty,

quando N→∞.N \rightarrow \infty. Da mesma forma,

∣XN(ω)∣k≥∣X0(ω)∣k2N≥(2NT)k2N, |X_N(\omega)|^k \geq |X_0(\omega)|^{k2^N} \geq \left(\frac{2N}{T}\right)^{k2^N},

para k∈Nk\in\mathbb{N} qualquer, de modo que

E[∣XN∣k]→∞, \mathbb{E}\left[|X_N|^k\right] \rightarrow \infty,

quando N→∞,N\rightarrow \infty, também. Isso mostra que os momentos de XNX_N não convergem para os momentos da solução exata XTX_T no instante t=T.t=T. Em outras palavras, a aproximação de Euler não converge fortemente nem fracamente para a solução exata, nesse caso.

Não convergência no caso estocástico

Consideramos, agora, a perturbação estocástica da equação acima por um ruído aditivo, a saber

dXt=−Xt3 dt+ dWt. \mathrm{d}X_t = -X_t^3\;\mathrm{d}t + \;\mathrm{d}W_t.

Vamos assumir X0=0,X_0 = 0, para simplificar, mas o resultado vale de maneira mais geral. Dados T>0T > 0 e N∈N,N\in\mathbb{N}, temos o passo de tempo Δt=T/N.\Delta t = T/N. Consideramos apenas NN suficientemente grande tal que

Δt=TN≤12. \Delta t = \frac{T}{N} \leq \frac{1}{2}.

A aproximação de Euler Xj,X_j, nos instantes tj=jΔt,t_j = j\Delta t, j=0,…,N,j=0, \ldots, N, é dada por

Xj=Xj−1−Xj−13Δt+ΔWj−1,j=1,…,N, X_j = X_{j-1} - X_{j-1}^3\Delta t + \Delta W_{j-1}, \quad j = 1, \ldots, N,

onde

ΔWj−1=Wtj−Wtj−1. \Delta W_{j-1} = W_{t_j} - W_{t_{j-1}}.

Seja

rN=NT=1Δt≥2. r_N = \frac{N}{T} = \frac{1}{\Delta t} \geq 2.

Considere o conjunto amostral

AN={ω∈Ω; ∣ΔW0(ω)∣≥rN2 e 1rN≤∣ΔWj(ω)∣≤2rN, j=1,…,N}. A_N = \left\{\omega\in \Omega; \; |\Delta W_0(\omega)| \geq r_N^2 \textrm{ e } \frac{1}{r_N} \leq |\Delta W_j(\omega)| \leq \frac{2}{r_N}, \;j = 1, \ldots, N \right\}.

A ideia é que o primeiro passo leva a aproximação para a região de "explosão" e os passos seguintes não são suficientes para tirá-la de lá. Há, na verdade, muita folga nessa construção. A explosão acontece em uma região muito maior. Mas o conjunto acima facilita as contas e é suficiente para mostrar a não convergência do método, nesse caso.

No que se segue, assumimo, então, que ω∈AN.\omega\in A_N. No primeiro passo, como X0=0,X_0 = 0, temos

∣X1∣=∣ΔW0∣≥rN2. |X_1| = |\Delta W_0| \geq r_N^2.

Agora, vamos assumir, por indução, que ∣Xj∣≥∣Xj−1∣2,|X_j| \geq |X_{j-1}|^2, para j∈N.j\in\mathbb{N}. Para j=1,j=1, como X0=0,X_0 = 0, então isso vale trivialmente. Vamos, então, assumir que ∣Xj∣≥∣Xj−1∣2,|X_j| \geq |X_{j-1}|^2, até um certo j∈N,j\in\mathbb{N}, e mostrar para j+1.j+1. Observe que acabamos de ver que ∣X1∣≥rN2.|X_1| \geq r_N^2. Como rN≥2,r_N\geq 2, então ∣X1∣≥4.|X_1|\geq 4. Até j,j, também temos ∣Xj∣≥∣Xj−1∣2≥…≥∣X1∣2j−1≥rN2j≥4.|X_j|\geq |X_{j-1}|^2 \geq \ldots \geq |X_1|^{2^{j-1}} \geq r_N^{2^j} \geq 4.

Agora, para j+1,j+1, temos

∣Xj+1∣=∣Xj(1−Xj2Δt)+ΔWj∣≥∣ΔWj−Xj3Δt∣−∣Xj∣≥max⁡{∣ΔWj∣,∣Xj3Δt∣}−min⁡{∣ΔWj∣,∣Xj3Δt∣}−∣Xj∣. |X_{j+1}| = |X_j (1 - X_j^2\Delta t) + \Delta W_j| \geq |\Delta W_j - X_j^3\Delta t| - |X_j| \geq \max\{|\Delta W_j|, |X_j^3\Delta t|\} - \min\{|\Delta W_j|, |X_j^3\Delta t|\} - |X_j|.

Como Δt=1/rN\Delta t = 1/r_N e

1rN≤∣ΔWj∣≤2rN, \frac{1}{r_N} \leq |\Delta W_j| \leq \frac{2}{r_N},

então

∣Xj+1∣≥max⁡{1,∣Xj3∣}1rN−min⁡{2,∣Xj3∣}1rN−∣Xj∣. |X_{j+1}| \geq \max\{1, |X_j^3|\}\frac{1}{r_N} - \min\{2, |X_j^3|\}\frac{1}{r_N} - |X_j|.

Pela a hipótese de indução, temos ∣Xj∣≥4≥2,|X_j| \geq 4 \geq 2, de modo que

∣Xj+1∣≥∣Xj3∣1rN−2rN−∣Xj∣. |X_{j+1}| \geq |X_j^3|\frac{1}{r_N} - \frac{2}{r_N} - |X_j|.

Como ∣Xj∣≥rN≥2,|X_j| \geq r_N \geq 2, então

2rN≤∣Xj∣rN≤∣Xj∣2rN \frac{2}{r_N} \leq \frac{|X_j|}{r_N} \leq \frac{|X_j|^2}{r_N}

e

∣Xj∣≤∣Xj∣∣Xj∣rN |X_j| \leq |X_j|\frac{|X_j|}{r_N}

de modo que

2rN+∣Xj∣≤2∣Xj∣2rN. \frac{2}{r_N} + |X_j| \leq \frac{2|X_j|^2}{r_N}.

Com isso,

∣Xj+1∣≥∣Xj3∣1rN−2∣Xj∣2rN=∣Xj∣2(∣Xj∣−2)1rN. |X_{j+1}| \geq |X_j^3|\frac{1}{r_N} - \frac{2|X_j|^2}{r_N} = |X_j|^2\left(|X_j| - 2\right)\frac{1}{r_N}.

Como ∣Xj∣≥4|X_j| \geq 4 e rN≥2,r_N \geq 2, então

∣Xj+1∣≥∣Xj3∣1rN−2∣Xj∣2rN=∣Xj∣22rN≥∣Xj∣2. |X_{j+1}| \geq |X_j^3|\frac{1}{r_N} - \frac{2|X_j|^2}{r_N} = |X_j|^2\frac{2}{r_N} \geq |X_j|^2.

Isso completa a indução.

Agora, precisamos estimar a medidade de AN.A_N. Como os passos de um processo de Wiener são independentes, temos

P(AN)=P(∣ΔW0(ω)∣≥rN2)∏j=1NP(1rN≤∣ΔWj(ω)∣≤2rN). \mathbb{P}(A_N) = \mathbb{P}\left(|\Delta W_0(\omega)| \geq r_N^2\right)\prod_{j=1}^N\mathbb{P}\left(\frac{1}{r_N} \leq |\Delta W_j(\omega)| \leq \frac{2}{r_N}\right).

Como os passos são normais, ΔWj∼N(0,Δt),\Delta W_j \sim \mathcal{N}(0, \Delta t), com Δt=1/rN,\Delta t = 1/r_N, usamos a estimativa acima, que nos diz que para Z∼N(0,σ2),Z\sim \mathcal{N}(0, \sigma^2), vale

P(Z≥r)≥12πσ2re−2r2σ2. \mathbb{P}(Z \geq r) \geq \frac{1}{\sqrt{2\pi \sigma^2}}r e^{-\frac{2r^2}{\sigma^2}}.

Assim, com σ2=1/rN,\sigma^2 = 1/r_N,

P(∣ΔW0(ω)∣≥rN2)≥2rNπrN2e−2rN3=2rN5πe−2rN3 \mathbb{P}\left(|\Delta W_0(\omega)| \geq r_N^2\right) \geq \sqrt{\frac{2r_N}{\pi}}r_N^2 e^{-2r_N^3} = \sqrt{\frac{2r_N^5}{\pi}} e^{-2r_N^3}

e

P(1N≤∣ΔWj(ω)∣≤2rN)≥2rNπ1rNe−2rN3=2πrNe−2rN3. \mathbb{P}\left(\frac{1}{N} \leq |\Delta W_j(\omega)| \leq \frac{2}{r_N}\right) \geq \sqrt{\frac{2r_N}{\pi}}\frac{1}{r_N} e^{-\frac{2}{r_N^3}} = \sqrt{\frac{2}{\pi r_N}} e^{-\frac{2}{r_N^3}}.

Deste modo,

P(AN)≥2rN5πe−2rN3(2πrNe−2rN3)N=(2π)(N−1)/21rN(N−5)/2e−2(rN3−N/rN3). \mathbb{P}(A_N) \geq \sqrt{\frac{2r_N^5}{\pi}} e^{-2r_N^3} \left( \sqrt{\frac{2}{\pi r_N}} e^{-\frac{2}{r_N^3}}\right)^N = \left(\frac{2}{\pi}\right)^{(N-1)/2}\frac{1}{r_N^{(N-5)/2}}e^{-2(r_N^3 - N/r_N^3)}.

Observe que essa medida vai rapidamente para zero, mas o crescimento de ∣XN∣|X_N| nessa região cresce extremamente mais rápido, de forma que

E[∣XN∣]≥E[∣XN∣χAN]≥rN2NP(AN)≥rN2N(2π)(N−1)/21rN(N−5)/2e−2(rN3−N/rN3)→∞, \mathbb{E}\left[ |X_N| \right] \geq \mathbb{E}\left[ |X_N| \chi_{A_N} \right] \geq r_N^{2^N}\mathbb{P}\left(A_N\right) \geq r_N^{2^N}\left(\frac{2}{\pi}\right)^{(N-1)/2}\frac{1}{r_N^{(N-5)/2}}e^{-2(r_N^3 - N/r_N^3)} \rightarrow \infty,

quando N→∞.N\rightarrow \infty. Da mesma forma,

E[∣XN∣k]→∞, \mathbb{E}\left[ |X_N|^k \right] \rightarrow \infty,

para todo k∈N.k\in \mathbb{N}. Ou seja, o método de Euler não converge nem fortemente, nem fracamente.

Condições mais gerais

Esse resultado vale para equações estocásticas mais gerais, 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,

sob condições apropriadas de crescimento em ff e g,g, conforme demonstrado em Hutzenthaler, Jentzen & Kloeden (2011). Mais precisamente, devemos ter

max⁡{∣f(x)∣,∣g(x)∣}≥∣x∣βR,min⁡{∣f(x)∣,∣g(x)∣}≤R∣x∣α,P(g(X0)≠0)>0, \max\{|f(x)|, |g(x)|\} \geq \frac{|x|^\beta}{R}, \quad \min\{|f(x)|, |g(x)|\} \leq R|x|^\alpha, \quad \mathbb{P}\left(g(X_0) \neq 0\right) > 0,

para ∣x∣≥R,|x| \geq R, com R≥1,R \geq 1, β>α>1,\beta > \alpha > 1, Isso inclui equações como a equação de Ginzburg-Landau estocástica, a equação de Verhulst estocástica, a equação de difusão de Feller com crescimento logístico, equações cinéticas e outras tantas.

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