12.7 Exercícios

§ 12.1

1.

Seja (Sn)n(S_{n})_{n} o passeio aleatório em ℤ\mathbb{Z} e (ℱ)n(\mathcal{F})_{n} a filtração definidos no Exemplo 12.9. Defina Mn=(1−pp)SnM_{n}=(\frac{1-p}{p})^{S_{n}} para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}. Mostre que (Mn)n(M_{n})_{n} é um martingale.

2.

Seja XX uma variável aleatória ilimitada que toma valores em ℕ\mathbb{N}. Defina as taxas λk=ℙ⁢(X>k|X⩾k)\lambda_{k}=\mathbb{P}(X>k|X\geqslant k) e suponha que λk>0\lambda_{k}>0 para todo kk. Defina M0=1M_{0}=1 e

Mn={1λ1⁢⋯⁢λn,X>n,0,X⩽n.M_{n}=\begin{cases}\frac{1}{\lambda_{1}\cdots\lambda_{n}},&X>n,\\ 0,&X\leqslant n.\end{cases}

Mostre que (Mn)n(M_{n})_{n} é um martingale com respeito à sua própria filtração natural.

§ 12.2

3.

Se τ1\tau_{1} e τ2\tau_{2} são tempos de parada com respeito à mesma filtração (ℱn)n(\mathcal{F}_{n})_{n}, então podemos afirmar que as variáveis abaixo são tempos de parada? Prove ou dê contra-exemplo.

  1. (a)
    ​

    τ1+τ2\tau_{1}+\tau_{2}.

  2. (b)
    ​

    |τ1−τ2||\tau_{1}-\tau_{2}|.

  3. (c)
    ​

    max⁡{τ1,τ2}\max\{\tau_{1},\tau_{2}\}.

  4. (d)
    ​

    τ1∧τ2\tau_{1}\wedge\tau_{2}.

  5. (e)
    ​

    τ1∧k\tau_{1}\wedge k para k∈ℕk\in\mathbb{N}.

4.

Sejam (Xn)n(X_{n})_{n} um processo adaptado e B∈ℬB\in\mathcal{B}. Definimos o tempo de última passagem em BB como σB=sup{n:Xn∈B}\sigma_{B}=\sup\{n:X_{n}\in B\}. Dê um exemplo ilustrando que σB\sigma_{B} não é tempo de parada.

5.

Seja τ\tau um tempo de parada com respeito à filtração (ℱn)n∈ℕ0(\mathcal{F}_{n})_{n\in\mathbb{N}_{0}}. Defina

ℱτ={A∈ℱ:A∩{τ⩽n}∈ℱn⁢ para todo ⁢n∈ℕ0}.\mathcal{F}_{\tau}=\{A\in\mathcal{F}:A\cap\{\tau\leqslant n\}\in\mathcal{F}_{n% }\text{ para todo }n\in\mathbb{N}_{0}\}.

Mostre que:

  1. (a)
    ​

    ℱτ\mathcal{F}_{\tau} é uma σ\sigma-álgebra.

  2. (b)
    ​

    τ\tau é ℱτ\mathcal{F}_{\tau}-mensurável.

  3. (c)
    ​

    Se (Xn)n(X_{n})_{n} é um processo adaptado à filtração (ℱn)n(\mathcal{F}_{n})_{n}, então XτX_{\tau} é ℱτ\mathcal{F}_{\tau}-mensurável.

  4. (d)
    ​

    Se τ1\tau_{1} e τ2\tau_{2} são tempos de parada tais que τ1⩽τ2\tau_{1}\leqslant\tau_{2} para todo ω\omega, então ℱτ1⊆ℱτ2\mathcal{F}_{\tau_{1}}\subseteq\mathcal{F}_{\tau_{2}}.

§12.3

6Critério de integrabilidade para tempos de parada.

Seja τ\tau um tempo de parada com respeito à filtração (ℱn)n∈ℕ0(\mathcal{F}_{n})_{n\in\mathbb{N}_{0}}. Suponha que existem C∈ℕC\in\mathbb{N} e ε>0\varepsilon>0 satisfazendo

𝔼⁢[𝟙{τ⩽n+C}|ℱn]⩾ε q.c., para todo ⁢n∈ℕ0.\mathbb{E}[\mathds{1}_{\{\tau\leqslant n+C\}}|\mathcal{F}_{n}]\geqslant% \varepsilon\ \ \text{ q.c., para todo }n\in\mathbb{N}_{0}.

Mostre por indução em kk que

ℙ⁢(τ>k⁢C)⩽(1−ε)k\mathbb{P}(\tau>kC)\leqslant(1-\varepsilon)^{k}

para todo k∈ℕk\in\mathbb{N} e, em particular, 𝔼⁢τ<∞\mathbb{E}\tau<\infty.

7.

No problema da ruína do apostador, mostre que 𝔼⁢τ<∞\mathbb{E}\tau<\infty.

8Um problema de otimização estocástica.

Uma companhia deseja recrutar um novo funcionário para uma vaga de emprego. São NN candidatos para a única vaga; eles são entrevistados um de cada vez e após o término de cada entrevista o candidato é contratado, ignorando-se os não entrevistados, ou ele é dispensado definitivamente e entrevista-se o próximo. Suponha que os atributos dos candidatos sejam dados por uma sequência (Xn)n=1N(X_{n})_{n=1}^{N} de variáveis aleatórias i.i.d. com distribuição 𝒰⁢[0,1]\mathcal{U}[0,1]. Seja (ℱn)n=1N(\mathcal{F}_{n})_{n=1}^{N} a sua filtração natural. Vamos mostrar que existe um tempo de parada que maximiza 𝔼⁢Xτ\mathbb{E}X_{\tau} dentre todos os possíveis tempos de parada. Com este objetivo, defina, indutivamente, a sequência (αn)n=1N(\alpha_{n})_{n=1}^{N} como αN=0\alpha_{N}=0 e αn−1=1+αn22\alpha_{n-1}=\tfrac{1+\alpha_{n}^{2}}{2} para n=1,…,n−1n=1,\dots,n-1. Defina o tempo de parada τ∗=inf{n:Xn⩾αn}\tau^{*}=\inf\{n:X_{n}\geqslant\alpha_{n}\}, e seja τ\tau um outro tempo de parada qualquer.

  1. (a)
    ​

    Mostre que 𝔼⁢[max⁡{U,α}]=1+α22\mathbb{E}[\max\{U,\alpha\}]=\frac{1+\alpha^{2}}{2}, onde U∼𝒰⁢[0,1]U\sim\mathcal{U}[0,1] e α∈[0,1]\alpha\in[0,1].

  2. (b)
    ​

    Defina Yn=max⁡{Xn∧τ,αn}Y_{n}=\max\{X_{n\wedge\tau},\alpha_{n}\}. Mostre que

    𝔼⁢[Yn⋅𝟙{τ⩽n−1}|ℱn−1]⩽Yn−1⋅𝟙{τ⩽n−1}.\mathbb{E}[Y_{n}\cdot\mathds{1}_{\{\tau\leqslant n-1\}}|\mathcal{F}_{n-1}]% \leqslant Y_{n-1}\cdot\mathds{1}_{\{\tau\leqslant n-1\}}.
  3. (c)
    ​

    Mostre que

    𝔼⁢[Yn⋅𝟙{τ⩾n}|ℱn−1]⩽Yn−1⋅𝟙{τ⩾n}\mathbb{E}[Y_{n}\cdot\mathds{1}_{\{\tau\geqslant n\}}|\mathcal{F}_{n-1}]% \leqslant Y_{n-1}\cdot\mathds{1}_{\{\tau\geqslant n\}}

    e conclua que (Yn)n=1N(Y_{n})_{n=1}^{N} é um supermartingale.

  4. (d)
    ​

    Defina Yn∗=max⁡{Xn∧τ∗,αn}Y_{n}^{*}=\max\{X_{n\wedge\tau^{*}},\alpha_{n}\}. Mostre que (Yn∗)n=1N(Y_{n}^{*})_{n=1}^{N} é um martingale.

  5. (e)
    ​

    Mostre que 𝔼⁢Yτ∗∗⩾𝔼⁢Yτ\mathbb{E}Y^{*}_{\tau^{*}}\geqslant\mathbb{E}Y_{\tau}.

  6. (f)
    ​

    Conclua que 𝔼⁢Xτ∗⩾𝔼⁢Xτ\mathbb{E}X_{\tau^{*}}\geqslant\mathbb{E}X_{\tau}, finalizando o exercício.

9Generalizando o problema anterior.

Seja (Xn)n=1N(X_{n})^{N}_{n=1} um processo adaptado à filtração (ℱn)n=1N(\mathcal{F}_{n})^{N}_{n=1} e suponha que as XnX_{n} sejam integráveis. Vamos mostrar que existe um tempo de parada τ∗\tau^{*} tal que 𝔼⁢Xτ∗⩾𝔼⁢Xτ\mathbb{E}X_{\tau^{*}}\geqslant\mathbb{E}X_{\tau} para todo tempo de parada τ\tau. Defina YN=XNY_{N}=X_{N} e Yn=max⁡{Xn,𝔼⁢[Yn+1|ℱn]}Y_{n}=\max\{X_{n},\mathbb{E}[Y_{n+1}|\mathcal{F}_{n}]\} para todo n=1,…,N−1n=1,\dots,N-1, que representa o preço justo para entrar no jogo no instante nn (pois o jogador pode escolher entre ficar com XnX_{n} ou esperar o instante n+1n+1). Tome τ∗=min⁡{n:Yn=Xn}\tau^{*}=\min\{n:Y_{n}=X_{n}\} e seja τ\tau um tempo de parada qualquer.

  1. (a)
    ​

    Verifique que (Yn)n=1N(Y_{n})^{N}_{n=1} é um supermartingale.

  2. (b)
    ​

    Mostre que 𝔼⁢Xτ⩽𝔼⁢Yτ⩽𝔼⁢Y1\mathbb{E}X_{\tau}\leqslant\mathbb{E}Y_{\tau}\leqslant\mathbb{E}Y_{1}.

  3. (c)
    ​

    Defina Zn=Yn∧τ∗Z_{n}=Y_{n\wedge\tau^{*}}. Verifique que Zn+1⋅𝟙{τ∗⩽n}=Zn⋅𝟙{τ∗⩽n}Z_{n+1}\cdot\mathds{1}_{\{\tau^{*}\leqslant n\}}=Z_{n}\cdot\mathds{1}_{\{\tau^% {*}\leqslant n\}} q.c.

  4. (d)
    ​

    Verifique que 𝔼⁢[Zn+1|ℱn]⋅𝟙{τ∗>n}=Zn⋅𝟙{τ∗>n}\mathbb{E}[Z_{n+1}|\mathcal{F}_{n}]\cdot\mathds{1}_{\{\tau^{*}>n\}}=Z_{n}\cdot% \mathds{1}_{\{\tau^{*}>n\}} q.c.

  5. (e)
    ​

    Conclua que (Zn)n=1N(Z_{n})^{N}_{n=1} é um martingale.

  6. (f)
    ​

    Mostre que 𝔼⁢Xτ∗=𝔼⁢Yτ∗=𝔼⁢Y1\mathbb{E}X_{\tau^{*}}=\mathbb{E}Y_{\tau^{*}}=\mathbb{E}Y_{1}, concluindo o exercício.

§ 12.4

10.

Seja (Xn)n(X_{n})_{n} uma sequência i.i.d. assumindo valores ±1\pm 1 com probabilidade 12\frac{1}{2} cada. Defina Z1=13Z_{1}=\frac{1}{3} e Zn+1=Zn+(1−Zn)⁢Zn⁢XnZ_{n+1}=Z_{n}+(1-Z_{n})Z_{n}X_{n} para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}. Mostre que Zn⁢→d⁢Bernoulli(13)Z_{n}\overset{\smash{\mathrm{d}}}{\rightarrow}\mathop{\mathrm{Bernoulli}}% \nolimits(\frac{1}{3}).

§ 12.5

11.

Mostre que a posição do passeio aleatório (Sn)n(S_{n})_{n} não é uniformemente integrável.

12.

Mostre que o processo de ramificação com λ>1\lambda>1 tem probabilidade positiva de sobreviver, sem supor que σ2<∞\sigma^{2}<\infty.

13.

Mostre que o martingale definido no Exercício 2 converge quase certamente, mas não converge em ℒ1\mathcal{L}^{1}.

§ 12.6

14.

Sejam (Xn)n∈ℕ0(X_{n})_{n\in\mathbb{N}_{0}} processo adaptado e (Cn)n∈ℕ0(C_{n})_{n\in\mathbb{N}_{0}} processo previsível com respeito à filtração (ℱn)n(\mathcal{F}_{n})_{n}. Suponha que existe K>0K>0 tal que ℙ⁢(|Cn|⩽K)=1\mathbb{P}(|C_{n}|\leqslant K)=1 para todo nn. Defina Mn=C0⁢X0+∑k=1nCk⁢(Xk−Xk−1)M_{n}=C_{0}X_{0}+\sum_{k=1}^{n}C_{k}(X_{k}-X_{k-1}) para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}.

  1. (a)
    ​

    Mostre que se (Xn)n(X_{n})_{n} é um martingale, então (Mn)n(M_{n})_{n} também o é.

  2. (b)
    ​

    Mostre que se (Xn)n(X_{n})_{n} é um submartingale e Cn⩾0C_{n}\geqslant 0 para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}, então (Mn)n(M_{n})_{n} é um submartingale.

O processo (Mn)n(M_{n})_{n} é chamado transformação de (Xn)n(X_{n})_{n} por (Cn)n(C_{n})_{n}, denotado por (C∙X)n(C\bullet X)_{n}. Ele aparece implicitamente no preâmbulo deste capítulo e na prova do Teorema de Convergência de Martingales.

15.

Sejam (Xn)n∈ℕ0(X_{n})_{n\in\mathbb{N}_{0}} e (Yn)n∈ℕ0(Y_{n})_{n\in\mathbb{N}_{0}} martingales com respeito à mesma filtração (ℱn)n∈ℕ0(\mathcal{F}_{n})_{n\in\mathbb{N}_{0}}, tais que 𝔼⁢Xn2<∞\mathbb{E}X_{n}^{2}<\infty e 𝔼⁢Yn2<∞\mathbb{E}Y_{n}^{2}<\infty para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}. Defina o processo ⟨X,Y⟩\langle X,Y\rangle como

⟨X,Y⟩n=14⁢[⟨X+Y⟩n−⟨X−Y⟩n].\langle X,Y\rangle_{n}=\frac{1}{4}\left[\langle X+Y\rangle_{n}-\langle X-Y% \rangle_{n}\right].

Mostre que (Xn⁢Yn−⟨X,Y⟩n)n∈ℕ0(X_{n}Y_{n}-\langle X,Y\rangle_{n})_{n\in\mathbb{N}_{0}} é um martingale.

16.

Sejam (Xn)n(X_{n})_{n} e (Yn)n(Y_{n})_{n} sequencias de variáveis aleatórias independentes com 𝔼⁢Xn2<∞\mathbb{E}X_{n}^{2}<\infty, 𝔼⁢Yn2<∞\mathbb{E}Y_{n}^{2}<\infty, 𝔼⁢Xn=𝔼⁢Yn=0\mathbb{E}X_{n}=\mathbb{E}Y_{n}=0, Sn=X1+⋯+XnS_{n}=X_{1}+\dots+X_{n} e Tn=Y1+⋯+YnT_{n}=Y_{1}+\dots+Y_{n} para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}. Mostre que ⟨S,T⟩n=∑k=1n𝐂𝐨𝐯(Xk,Yk)\langle S,T\rangle_{n}=\sum_{k=1}^{n}\mathop{\mathbf{Cov}}\nolimits(X_{k},Y_{k}).