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이토 곱셈 테이블 📂확률미분방정식

이토 곱셈 테이블

빌드업

s<t<t+us< t < t+u 라고 할 때, 다음의 조건들을 만족하는 확률과정 {Wt}\left\{ W_{t} \right\}위너 프로세스라 한다.

  • (i): W0=0W_{0} = 0
  • (ii): (Wt+uWt)Ws\left( W_{t+u} - W_{t} \right) \perp W_{s}
  • (iii): (Wt+uWt)N(0,u)\left( W_{t+u} - W_{t} \right) \sim N ( 0, u )
  • (iv): WtW_{t} 의 샘플 패스는 거의 어디서나 연속이다.

위너 프로세스는 다음과 같은 성질들을 가진다.

  • [1]: WtN(0,t)\displaystyle W_{t} \sim N ( 0 , t )
  • [2]: E(Wt)=0\displaystyle E ( W_{t} ) = 0
  • [3]: Var(Wt)=t\displaystyle \operatorname{Var} ( W_{t} ) = t
  • [4]: cov(Wt,Ws)=12(t+sts)=min{t,s}\displaystyle \text{cov} ( W_{t} , W_{s} ) = {{1} \over {2}} (|t| + |s| - |t-s|) = \min \left\{ t , s \right\}

위너 프로세스 {Wt}t0\left\{ W_{t} \right\}_{t \ge 0} 의 아주 짧은 미소 구간 [t,t+dt]\left[ t , t + d t \right] 를 생각해보자. 해석적으로 엄밀한 가정은 아니지만, dt>0dt > 0(dt)1/2>0\left( dt \right)^{1/2} > 0 이면서 모든 k=2,3,k = 2 , 3, \cdots 에 대해 (dt)k=0\left( dt \right)^{k} = 0 으로 취급할 수 있을만큼 작다고 하자. 대수적인 용어를 빌리자면, 이러한 가정 하에서 우리는 α+βdt\alpha + \beta dt이원수로 다루는 것이다.

이제 dWt:=Wt+dtWtdW_{t} := W_{t + dt} - W_{t} 이라고 두었을 때 dtdtdWtd W_{t} 사이의 곱셈들을 생각해보려 한다.


Part 1. (dt)2=0\left( dt \right)^{2} = 0

물론 dt>0dt > 0 이지만, dtdt 가 너무 작아서 (dt)2=0\left( dt \right)^{2} = 0 라 하자.


Part 2. dtdWt=0dt d W_{t} = 0

WtW_{t} 는 위너 프로세스로 가정했으므로 정규분포를 따라서 dWtN(0,dt2)d W_{t} \sim N \left( 0, \sqrt{dt}^{2} \right) 다.

평균과 분산의 성질들:

  • [2]: E(aX+b)=aE(X)+bE(aX + b) = a E(X) + b
  • [5]: Var(aX+b)=a2Var(X)\operatorname{Var} (aX + b) = a^2 \operatorname{Var} (X)

dtdWtdt d W_{t} 의 기대값은 상수 dtdt 가 밖으로 나오며 E(dtdWt)=dtE(dWt)=dt0=0 E \left( dt d W_{t} \right) = dt E \left( d W_{t} \right) = dt \cdot 0 = 0 dtdWtdt d W_{t} 의 분산도 dtdt 가 제곱을 취하며 밖으로 나와서 Var(dtdWt)=(dt)2Var(dWt)=0Var(dWt)=0 \operatorname{Var} \left( dt d W_{t} \right) = (dt)^{2} \operatorname{Var} \left( d W_{t} \right) = 0 \cdot \operatorname{Var} \left( d W_{t} \right) = 0 이에 따르면 dtdWtdt d W_{t} 는 분산이 00 이므로 상수고, 기대값이 00 이므로 정확히 dtdWt=dWtdt=0 dt d W_{t} = d W_{t} dt = 0 이어야한다.


Part 3. (dWt)2=dt\left( d W_{t} \right)^{2} = dt

Var(dWt)=dt\operatorname{Var} \left( d W_{t} \right) = dt 에서 dWtdWtd W_{t} \cdot d W_{t} 의 기대값을 구해보면 dt=Var(dWt)=E((dWt)2)[E(dWt)]2=E((dWt)2)02 \begin{align*} dt =& \operatorname{Var} \left( d W_{t} \right) \\ =& E \left( \left( d W_{t} \right)^{2} \right) - \left[ E \left( d W_{t} \right) \right]^{2} \\ =& E \left( \left( d W_{t} \right)^{2} \right) - 0^{2} \end{align*} 이므로 E((dWt)2)=dtE \left( \left( d W_{t} \right)^{2} \right) = dt 다.

평균이 0인 정규분포를 따르는 확률변수 거듭제곱의 기대값: 확률변수 XX정규분포 N(0,σ2)N \left( 0 , \sigma^{2} \right) 를 따른다고 하면 그 거듭제곱 XnX^{n}기대값은 다음과 같이 재귀적인 공식으로 나타난다. E(Xn)=(n1)σ2E(Xn2) E \left( X^{n} \right) = (n - 1) \sigma^{2} E \left( X^{n-2} \right) E(Xn)E \left( X^{n} \right)nn 이 홀수일 때 00 이고, 짝수일 때 다음과 같다. E(X2n)=(2n1)!!σ2n E \left( X^{2n} \right) = \left( 2n - 1 \right)!! \sigma^{2n} 여기서 느낌표가 두 개 들어간 k!!=k(k2)k!! = k \cdot \left( k - 2 \right) \cdots더블 팩토리얼을 나타낸다.

dWtN(0,dt2)d W_{t} \sim N \left( 0, \sqrt{dt}^{2} \right) 이라 가정했으므로 dWtd W_{t} 은 평균이 00 인 정규분포를 따르고, (dWt)2\left( d W_{t} \right)^{2} 의 분산은 확률변수 거듭제곱의 기대값 공식 E(X2n)=(2n1)!!σ2nE \left( X^{2n} \right) = \left( 2n - 1 \right)!! \sigma^{2n} 에 따라 Var((dWt)2)=E([(dWt)2]2)[E((dWt)2)]2=E((dWt)22)[dt]2=(221)dt22dt2=3dt2dt2=2dt2=0 \begin{align*} \operatorname{Var} \left( \left( d W_{t} \right)^{2} \right) =& E \left( \left[ \left( d W_{t} \right)^{2} \right]^{2} \right) - \left[ E \left( \left( d W_{t} \right)^{2} \right) \right]^{2} \\ =& E \left( \left( d W_{t} \right)^{2 \cdot 2} \right) - \left[ dt \right]^{2} \\ =& \left( 2 \cdot 2 - 1 \right) \sqrt{dt}^{2 \cdot 2} - dt^{2} \\ =& 3 dt^{2} - dt^{2} \\ =& 2 dt^{2} \\ =& 0 \end{align*} 이 된다. 이에 따르면 (dWt)2\left( d W_{t} \right)^{2} 는 분산이 00 이므로 그냥 상수고, 기대값이 dtdt 이므로 정확히 (dWt)2=dt \left( d W_{t} \right)^{2} = dt 이어야한다.

요약 1

α+βdt\alpha + \beta dt이원수라 가정하자. dtdtdWtd W_{t} 의 곱은 다음과 같다. (dt)2=0dtdWt=0dWtdt=0(dWt)2=dt \begin{align*} \left( dt \right)^{2} =& 0 \\ dt d W_{t} =& 0 \\ d W_{t} dt =& 0 \\ \left( d W_{t} \right)^{2} =& dt \end{align*}


  1. Panik. (2017). Stochastic Differential Equations: An Introduction with Applications in Population Dynamics Modeling: p129. ↩︎