Lecture Notes on STOCHASTIC CALCULUS
Ciprian TUDOR
Universit´e de Panth´eon-Sorbonne Paris 1
November 4, 2007
MASTER M2: Math´ematiques Appliqu´ees `a l’Economie et `a
la Finance
CHAPTER 4: The IT ˆ
O INTEGRAL
Attention: the proofs and the exercises are not yet translated.
1
1 CHAPTER 4: The IT ˆ
O INTEGRAL
1.1 The space H2
2:
Let (Bt)t0be a Brownian motion and (φt)t0a stochastic process on (Ω,Ft). We want to
define a process Ywhich would be the integral with respect to the Brownian motion of the
process Φ
Yt=Zt
0
φsdBs.(1)
The first idea is to construct this integral in a pathwise way ”omega by omega”: Fix ωand
try to define Yt(ω) := Rt
0φs(ω)dBs(ω). If fand gare functions from IR to IR, the theory
of the Riemann-Stieltjes integration allows to define Rt
0f(s)dg(s) as limit of the Riemann
sums Σf(si)(g(si+1)g(si)) along the partitions 0 = s0< s1< . . . < sn=tof [0, t]
when the mesh maxi|si+1 si|of this partition tends to 0. In order to have a such integral
well-defined we need to impose conditions on fand on g.
Exercice 1.1 Show that if gis continuous and f:= 1[a,b[then the Riemann sums converge
to g(tb)g(ta). Show also that, if gis continuous, Rt
0f(s)dg(s)is a linear functional
on the vector space Rgenerated by the functions 1[a,b[,ab.
If one wants to integrate more general functions f, for examples continuous functions
f, then we need to restrict the class of functions g: the Riemann-Stieltjes theory assumes
that gis a bounded variation function. the trajectory tBt(ω) being without bounded
variation, this theory cannot be applied here.
To define the integral (1), we need to restrict the class of processes φthat are
integrated. Let define the first set on which we will work:
Definition 1.2 H2
2is the set of processes φFt- progressively measurable such that
kφk2
H2
2=E[Z
0
φ2(s)ds]<.
H2
2is the quotient of H2
2by the equivalence relation , o`u φφ0si et seulement si kφ
φ0k2
H2
2= 0.
Exercice 1.3 Montrez que H2
2est un espace vectoriel et que k.kH2
2est une semi-norme sur
cet espace. H2
2est donc un espace vectoriel norm´e.
Remark 1.4 Pour α > 1, on consid`ere parfois les normes suivantes kφkHα
2=³E[(R
0φ2
sds)α
2]´1
α
et les espaces Hα
2correspondants.
2
Exercice 1.5 Soit t1< t2et ψL2(Ft1). Posons φt(ω) := ψ(ω)1[t1,t2[(t). Montrez que
φ∈ H2
2et calculez kφkH2
2.
Preuve: Remarquons que φest progressivement mesurable en effet: Soit Tfix´e si T < t1
alors φ: ×[0, T ]0 donc φest FTNB[0,T ]mesurable car c’est l’application constante.
Si Tt1alors φ(ω, t) = ψ(ω)1[t1,t2[(t), or ψ(ω) est Ft1mesurable donc FT
mesurable et 1[t1,t2[(t) est B[0,T ]mesurable donc φ(ω, t) = ψ(ω)1[t1,t2[(t) est FTNB[0,T ]
mesurable.
Ensuite kφk2H2
2=E[R
0φ2(s)ds] = E[R
012
[t1,t2[(t)ψ2(ω)dt]
=E[(t1t2)ψ2(ω)] = (t2t1)E(ψ2(ω)) <.
Donc φ∈ H2
2.
Definition 1.6 We introduce Esc cas the vector space generated by {ψ(ω)1[t1,t2[:t1<
t2, ψ L2(Ft1)}.
Theorem 1.7 (H2
2,k.kH2
2)is a Hilbert space.
Preuve: H2
2est un sous espace vectoriel de L2(FNB[0,[, µ) avec µ=PNλ,P´etant
la mesure sur Fet λla mesure de Lebesgue sur [0,[.En effet:
kφk2
L2=R×[0,[φ2(ω, t)(ω, t)
=R(R
0φ2(ω, t)dt)dP (ω)
=E(R
0φ2(ω, t)dt).
L2(FNB[0,[, µ) ´etant un espace de Hilbert, il nous suffit pour prouver la premi`ere as-
sertion de d´emontrer que H2
2est ferm´e dans L2(FNB[0,[, µ):
Soit φnφdans L2(FNB[0,[, µ) avec φnH2
2. Montrons que φH2
2. Pour
Tfix´e on a:
kφnφk2
L2(FB[0,T ])=E[RT
0(φn,t(ω)φt(ω))2dt]
E[R
0(φn,t φt)2dt]
=kφnφk2
H2
20.
La restriction de φ`a ×[0, T ] est la limite dans L2(FTNB[0,T ]µ) des restrictions de φn
`a ×[0, T ]. La restriction de φ`a [0, T ] est FTNB[0,T ]- mesurable. Ceci ´etant vrai pour
tout T,φest progressivement mesurable et donc dans H2
2.
Theorem 1.8 Esc is dense in H2
2.
3
Preuve: 1) Si fL2([0,[) et nIN, d´efinissons Tn(f) par Tn(f)t=P
k=1(nRk
n
k1
n
f(s)ds)1[k
n,k+1
n[(t).
Montrons que Tn(f)L2et que kTn(f)k2
L2≤ kfk2
L2.
kTn(f)k2
L2=R
0(P
k=1(nRk
n
k1
n
f(s)ds)1[k
n,k+1
n[(t))2dt
=R
0P
k=1(nRk
n
k1
n
f(s)ds)21[k
n,k+1
n[(t)dt
=P
k=1(nRk
n
k1
n
f(s)ds)21
n.
or d’apr`es l’in´egalit´e de Jensen [E[f(U)]]2E[f2(U)] en prenant Uune variable uniforme
sur [k1
n,k
n], on a:
kTn(f)k2
L2
X
k=1 Zk
n
k1
n
f2(s)ds =Z
0
f2(s)ds =kfk2
L2<.
Montrons `a pr´esent que Tn(f)n→∞
fdans L2: l’espace CK([0,[) des fonctions
continues `a support compact est dense dans L2, donc si φL2([0,[) alors ² > 0,
f∈ CK([0,[): kφfkL2<²
3.
Or, la continuit´e uniforme de fimplique que Tn(f) converge uniform´ement vers f
et donc kTn(f)fkL20. Ainsi, N:nNkTn(f)fkL2<²
3. Ainsi:
kTn(φ)φkL2≤ kTn(φf)k+kTn(f)fk+kfφk
²
3+²
3+²
3=².
Ceci ´etant vrai pour tout ², nous concluons que Tn(f)n→∞
fdans L2.
2)Si φH2
2est tel que φt= 0, tT, d´efinissons le processus φnpar
φn(ω, t) = Tn(φ(ω, .))(t) =
X
k=1
(nZk
n
k1
n
φ(ω, s)ds)1[k
n,k+1
n[(t).
Cette somme ne contient en fait qu’un nombre fini de termes non nuls. Or, si sk
n,φ(ω, s)
est Fk
nmesurable donc Rk
n
k1
n
φ(ω, s)ds est Fk
n-mesurable. De plus
E[(nZk
n
k1
n
φ(ω, s)ds)2]E[nZk
n
k1
n
φ(ω, s)2ds)] <.
Ainsi φn(ω, t)∈ Esc.
Montrons que φnφpour la norme de H2
2: Soit Yn(ω) := R
0(φn(ω, t)φ(ω, t))2dt.
Observons que
Yn(ω) = kTn(φ(ω, .)) φ(ω, .)k2
L2([0,[).
4
Aussi, ω,Yn(ω)0 lorsque n→ ∞. De plus
pYn(ω) = kTn(φ(ω, .)) φ(ω, .)kL2([0,[)
≤ kTn(φ(ω, .))kL2([0,[) +kφ(ω, .)kL2([0,[)
2kφ(ω, .)kL2([0,[)
Ainsi Yn(ω)4R
0(φ(ω, t))2dt. Le membre de droite de cette in´egalit´e ayant une esp´erance
finie, nous pouvons appliquer le th´eor`eme de la convergence domin´ee de Lebesgue pour
conclure que kφnφkH2
2=E[Yn]0.
3) Si φH2
2, nous allons montrer que 1[0,T ]φconverge vers φdans H2
2lorque T
tend vers . Le th´eor`eme sera ´etabli puisque, par le point 2, 1[0,T ]φpeut ˆetre approch´e
d’aussi pr`es que l’on veut par un processus de Esc.
Puisque (φ1[0,T ]φ)2=1]T,[φ2φ2et que 1]T,[φ2T→∞
0, il suffit d’appliquer `a
nouveau le th´eor`eme de la convergence domin´ee de Lebesgue sur l’espace L1(FNB[0,[, µ)
pour conclure que kφ1[0,T ]φkH2
20.
1.2 The Itˆo integral on H2
2
We aim now to define the integral (1) for processes φin the space H2
2. It is possible to
construct the random variable Yt=Rt
0φsdBsfor fixed t, but in this way this random variable
would be a random variable in L2(Ft): Ytwould be therefore defined modulo a set with zero
measure and nothing would indicate that Y, viewed as a stochastic process (Yt)t0, has a
regular enough version (continuous version, for example). We prefer to define directly the
integral as a process which will be denoted by I(φ).
Definition 1.9 If φ∈ Esc, then for every ωthe trajectory φ.(ω)is in the space Rgiven in
the exercise 1.1. We can thus define I(φ)pathwise ”omega by omega”
I(φ)t(ω) := Zt
0
φs(ω)dBs(ω),
the above integral being understood in the sense of Exercise 1.1.In particular, if φt(ω) =
ψ(ω)1[t1,t2[(t), o`u t1t2et ψL2(Ft1), we have
I(φ)t=ψ·(Bt2tBt1t).
Remark 1.10 Note that, if φt(ω) = ψ(ω)1[t1,t2[(t), the constructed process I(φ)is {Ft}-
adapted and continuous. The integral from exercise 1.1being linear on R, the application I
will also be linear and Iapplies linearly Esc into the space of continuous adapted to {Ft}
processes..
Exercice 1.11 Si φt(ω) = ψ(ω)1[t1,t2[(t), o`u t1t2et ψL2(Ft1), montrez que I(φ)est
une martingale et calculez kI(φ)kL2.
5
1 / 26 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !