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Universidade Federal do Rio de Janeiro Risco Sistˆ emico e Grandes Desvios Rafael Jorge Pereira Rio de Janeiro 2014

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Universidade Federal do Rio de Janeiro

Risco Sistemico e Grandes Desvios

Rafael Jorge Pereira

Rio de Janeiro

2014

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Rafael Jorge Pereira

Risco Sistemico e Grandes Desvios

Dissertacao de Mestrado apresentada ao Programa

de Pos-graduacao em Estatıstica do Instituto de

Matematica da Universidade Federal do Rio de Janeiro

como parte dos requisitos necessarios a obtencao do

tıtulo de Mestre em Estatıstica.

Orientador:

Maria Eulalia Vares

Departamento de Metodos Estatısticos

Instituto de Matematica

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Dezembro de 2014

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Folha de exame

Dissertacao de Mestrado apresentada ao Programa

de Pos-graduacao em Estatıstica do Instituto de

Matematica da Universidade Federal do Rio de Janeiro

como parte dos requisitos necessarios a obtencao do

tıtulo de Mestre em Estatıstica.

Banca examinadora:

Maria Eulalia Vares

Instituto de Matematica - UFRJ

Glauco Valle da Silva Coelho

Instituto de Matematica - UFRJ

Valentin Sisko

Instituto de Matematica - UFF

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Aos meus maiores professores, meus Avos.

i

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Agradecimentos

Agradeco a Deus por sua infinita graca e por sempre me cercar de pessoas incrıveis

e brilhantes, a minha orientadora Maria Eulalia por todo o apoio, dedicacao, incentivo

e por sua infinita paciencia. Agradeco a minha famılia que com muito amor e sempre

muito generosa e compreensiva nas horas em que mais preciso, a todo corpo docente pelo

apoio e credibilidade, em especıfico, aos conselhos da Alexandra M. Schmidt nas aulas

de inferencia durante minha graduacao pois este trabalho e fruto dos seus conselhos.

Agradeco a cada membro da minha turma de mestrado pela contribuicao direta ou

indireta neste trabalho, em especıfico, aos amigos Eduardo Ferioli e Fernando Aragao.

Enfim, a todos os amigos muito obrigado.

ii

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Resumo

Um dos principais problemas da teoria de processos estocasticos e descrever o

comportamento de um sistema composto por um grande numero de componentes

interagindo entre si. Este e um ensaio baseado no artigo de J. Garnier, G. Papanicolaou

e T. Yang [9] que estuda o risco sistemico em um modelo de difusoes interagentes do tipo

campo medio, que no limite macroscopico apresenta duas regioes de equilıbrio estavel.

O objetivo desta dissertacao e estudar o modelo de difusoes interagentes proposto,

analisando a solucao do modelo, a relacao entre seus parametros e os grandes desvios

com respeito a media empırica do sistema. Alem disso, vamos propor uma extensao do

modelo, que separa o sistema em dois grupos, de modo que, a taxa de reversao a media

de cada componente com seu propio grupo seja maior que a taxa de reversao a media de

cada componente com o grupo vizinho.

iii

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Abstract

One of main problems of stochastic system theory is to describe the behaviour of a

system comprised of a large number of interacting subsystems. This is an essay based

on the article by J. Garnier, G. Papanicolaou and T. Yang [9] proposed in analysis of

systemic risk in a mean field type model of interacting diffusions which exhibits two

stable equilibria states in the macroscopic limit.

The aim of this work is to study the proposed model of interacting diffusions,

analyzing model solution, the relationship between the parameters and the large

deviations with respect to the average empirical of system. Moreover, we propose an

extension of the model which separates the system into two groups. The mean reversion

rate of each component with respect to its own group is greater than the mean reversion

rate of each component with the other group.

iv

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Sumario

Introducao 1

1 Preliminares 3

1.1 Processos Estocasticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1 Propriedades do Movimento Browniano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Integracao Estocastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Equacoes Diferenciais Estocasticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Estudo do modelo 15

2.1 O Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2 Modelo Simplificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 Analise do Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3.1 Limite de Campo Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4 Modelo Heterogeneo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.5 Modelo de Grupos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.5.1 Analise do Modelo de Grupos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3 Grandes Desvios e Simulacoes 41

3.1 Grandes Desvios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2 Grandes Desvios via Campo Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3 Simulacoes Numericas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.1 Modelo Simplificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.2 Modelo Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3.3 Modelo de Grupos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Apendice A: 53

3.4 Codigo da Simulacao em Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

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Lista de Figuras

1.1 σ = 1, θ = 1, µ = 0, N = 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2 σ = 1, θ = 6, µ = 0, N = 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3 σ = 1, θ = 1, µ = −1, N = 50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 σ = 1, θ = 6, µ = −1, N = 50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5 σ = 1, θ = 6, µ = 1, N = 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1 σ = 1, θ = 1, N = 10, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2 σ = 1, θ = 6, N = 10, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.3 σ = 1, θ = 1, N = 50, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.4 σ = 1, θ = 6, N = 50, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.5 σ = 1, θ = 6, N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.6 σ = 1, θ = 1.5, N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.7 σ = 1, θ = 6, N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.8 σ = 1, θ = 1.5, N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.9 σ = 1, θ = 6, N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.10 σ = 1, θ = 6, θ = 1.5, N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.11 σ = 1, θ = 6, θ = 0.5, N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.12 σ = 1, θ = 6, θ = 1.5, N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.13 σ = 1, θ = 6, θ = 0.5N = 100, h = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

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Introducao

Risco sistemico e o risco que um sistema composto por um grande numero de

componentes interconectados possui de que grande parte dos componentes falhem ao

mesmo tempo ou de modo sucessivo causando a falencia de todo sistema. E uma

caracterıstica conjunta de sistemas interconectados, de modo que, avaliar o risco de um

unico componente nao permite dizer nada sobre o risco sistemico.

No mercado financeiro, em geral, esse evento ocorre quando o mau desempenho

de uma ou mais instituicoes financeiras afeta o desempenho dos demais agentes

interconectados gerando uma reacao em cadeia que afeta todo sistema e o leva ao colapso.

Nesta dissertacao vamos discutir o modelo proposto por J. Garnier, G. Papanicolaou

e T. Yang [9] na avaliacao do risco sistemico em um sistema de difusoes interagentes

composto por um grande numero de componentes. As componentes deste modelo

possuem trajetorias contınuas, duas regioes de equilıbrio que no contexto do mercado

financeiro sao denotadas por regiao normal e regiao de falha e interagem entre si via

campo medio, cada componente interage com a media das demais. Associado a essas

interacoes definimos um parametro de reversao a media denotado por θ que determina

o grau no qual cada componente e influenciado pela media do conjunto. Alem disso, as

componentes deste sistema movem-se sob a influencia de um campo (forca) dado pela

derivada do potencial V (y) = 14y4− 1

2y2. O potencial V (y) e modulado por um parametro

de estabilizacao h e cada componente sofre ainda a acao de um ruıdo aleatorio. Note que a

funcao V (y) possui uma estrutura biestavel que garante um comportamento metaestavel

do sistema em torno da regiao “normal” +1 e da regiao de “falha” −1 pontos de

mınimo dessa funcao. Isto e, as componentes do sistema tendem a permanecer em torno

do +1 ou −1.

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O objetivo deste trabalho e analisar o comportamento do sistema para um numero

grande de componentes, mais especificamente, queremos calcular a probabilidade de

ocorrer um evento sistemico, isto e, um evento no qual grande parte do sistema transita

de uma regiao considerada normal para uma regiao de falha. O principal interesse sera

calcular a probabilidade de transicao da media empırica de uma vizinhaca de +1 para

uma vizinhanca −1 (e vice-versa). No entanto, o modelo adotado na descricao do

sistema possui um termo nao linear que nao nos permite calcular a media empırica de

forma direta e por esse motivo, vamos analisar o processo a valores medida e expressar a

media empırica em funcao da medida empırica [3].

Neste contexto, pode - se interpretar risco sistemico como um grande desvio da media

empırica do sistema cuja probabilidade pode ser determinada a partir dos resultados

obtidos no artigo de Dawson e Gartner [5]. Ademais, sera mostrado que ao contrario do

que podemos esperar esta probabilidade independe da taxa de reversao a media θ.

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Capıtulo 1

Preliminares

1.1 Processos Estocasticos

Um processo estocastico Xt; t ≥ 0 e uma estrutura constituıda de um espaco de

probabilidade (Ω,F , P ), um conjunto de ındices definidos em [0,∞), e uma aplicacao

X : [0,∞) × Ω → R, tal que para cada t ∈ [0,∞), a funcao X(t, .) : Ω → R e uma

variavel aleatoria, isto e, w : X(t, w) ∈ Γ ∈ F para todo Γ ∈ B(R). Ou seja, um

processo estocastico e uma colecao de variaveis aleatorias definidas em um espaco de

probabilidade (Ω,F , P ) indexadas por t ∈ [0,∞), convenientemente interpretado como

o tempo.

Diremos que o processo e mensuravel se esta funcao for conjuntamente mensuravel,

ou seja, B([0,∞) ×F )-mensuravel. Para cada ω ∈ Ω, a funcao X(., ω) : [0,∞) → R e

chamada trajetoria amostral, ou realizacao do processo em ω. Nesta dissertacao, vamos

tratar de uma classe de processos estocasticos que possuem trajetorias contınuas em t.

Define-se Ft = σ(X(s, .) : s 6 t) como a σ-algebra gerada pelo processo ate o

instante t, ou seja, (Ft)t≥0 e uma filtracao, isto e, Ft ⊂ Ft+s ∀ t, s ∈ [0,∞). E dizemos

que o processo X = (Xt)t≥0 e (Ft) - adaptado se Xt for Ft - mensuravel para todo t.

Desta forma, dados s, t ∈ [0,+∞),

P (X(t+ s) ∈ ·|Ft)

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e a lei da variavel aleatoria X(t+s) condicionada ao processo ate o instante t, (X(s, .))s6t.

A seguir vamos definir uma classe de processos estocasticos que sera muito utilizada

nesta dissertacao, conhecido como movimento browniano ou processo de Wiener.

Definicao 1 Uma colecao de variaveis aleatorias (Bt, 0 ≤ t ≤ T ) definida no espaco de

probabilidade (Ω,F , P ) e chamado de movimento browniano padrao em R, se:

(a) P (B0 = 0) = 1;

(b) Para cada m ≥ 1, cada 0 < t0 < t1 < . . . < tm ≤ T , Bti+1− Bti, 0 ≤ i ≤ m − 1

sao variaveis aleatorias independentes e Bti+1−Bti possui distribuicao normal com media

zero e variancia (ti+1 − ti), ou seja, de densidade

1√2π(ti+1 − ti)

exp

− 1

2(ti+1 − ti)y2

, y ∈ R;

(c) Para cada ω ∈ Ω, a trajetoria (caminho) amostral t→ Bt(ω) e contınua em [0, T ].

Observe que as condicoes (a) e (b) da definicao anterior determinam as distribuicoes

finito dimensionais do processo. Tal definicao pode ser substituıda por:

(b)′

Dado m ≥ 1, e 0 < t0 < t1 < . . . < tm ≤ T , a distribuicao de (Bt1 , . . . , Btm),

denotada por pt1,...,tm , e a distribuicao normal em Rm com media zero e matriz de

covariancia Σ := ((ti ∧ tj)i,j), i.e

pt1,...,tm(dx) =1

(2π)m/2(detΣ)1/2exp

−1

2〈x,Σ−1x〉

dx,

onde 〈., .〉 denota o produto interno euclidiano usual em Rd.

A definicao e estendida a (Bt)0≤t≤∞ de forma usual [13] (Karatzas, Capıtulo 2, pagina

47). Observe que para 0 = t0 < t1 < . . . < tm < ∞, os incrementos Bti − Bti−1i=mi=1

sao independentes e a distribuicao de Bti − Bti−1depende de ti e ti−1 somente atraves

da diferenca ti − ti−1, ou seja, Bti − Bti−1possui distribuicao normal com meia zero e

variancia ti − ti−1.

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1.1.1 Propriedades do Movimento Browniano

O movimento browniano da maneira que foi definido possui certas propriedades tais

como o princıpio da reflexao e a propriedade de martingalas.

(1) Princıpio da reflexao. Dado a > 0 e seja Ta = inft : Bt = a.

P (Ta < t) = 2P (Bt > a).

Esta propriedade decorre da propriedade forte de Markov (ver definicao 6.2 pagina

81 [13]).

Demonstracao 1 Observe que se Bs passa pelo ponto “a” em algum instante de tempo

s < t, pela propriedade forte de Markov (ver definicao 6.2 pagina 81 [13]), temos que

Bt − BTa independe do que ocorreu ate o tempo Ta. Pela simetria da normal e pelo fato

de P (Bu = a) = 0 para u > 0, temos

P (Ta < t) = P (Ta < t,Bt > a) + P (Ta < t,Bt < a)

= 2P (Ta < t,Bt > a).

Usando o fato de Bt > a ⊂ Ta < t, podemos reescrever essa equacao como

P (Ta < t) = 2P (Ta < t,Bt > a) = 2P (Bt > a).

C.Q.D.

Antes de enunciar a proxima propriedade, vamos definir o que e uma martingala.

Definicao 2 Dados um espaco de probabilidade (Ω,F , P ), uma filtracao Ft; t ≥ 0 e

um processo estocastico contınuo (Xt), dizemos que (Xt) e uma martingala com respeito

a (Ft) se e somente se:

(i) (Xt) e (Ft)− adaptado, i.e, Ft −mensuravel ∀ t,

(ii) E[Xt|Fs] = Xs, ∀ 0 ≤ s ≤ t q.c.

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(2) Propriedade de Martingalas. O movimento browniano e uma martingala:

E[Bt|FBs ] = Bs ∀ 0 ≤ s ≤ t. q.c.

onde (FBs ) e a filtracao gerada pelo movimento browniano, isto e, para cada s, FB

t =

σ(Bs : 0 ≤ s ≤ t) e a sigma algebra gerada ate o tempo s.

Demonstracao 2 Sabemos que se s < t, Bt − Bs e independente de FBs e possui

distribuicao normal com media zero e variancia (t− s). Portanto,

E[Bt|FBs ] = E[(Bt −Bs) +Bs|FB

s ] = E[Bt −Bs|FBs ] +Bs

= 0 +Bs = Bs ∀ 0 ≤ s ≤ t, q.c.

1.2 Integracao Estocastica

Nesta secao vamos resumir os conceitos basicos de integracao estocastica no sentido

de Ito. Boas referencias para uma abordagem mais detalhada de integracao estocastica

tanto no caso geral quanto no caso especıfico do movimento browniano podem ser

encontradas em Durrett [4] e Karatzas [13].

O movimento browniano desempenha um papel fundamental na construcao de uma

importante classe de processos de Markov em R, tambem chamado de processos de

difusao. Objetivamente falando, estes processos correspondem a processos de Markov

com trajetorias contınuas que podem ser descritas em termos de suas caracterısticas

locais. A integracao estocastica∫ t

0ϕ(s)dBs e uma ferramenta fundamental na descricao

de tais processos. Note que, como as trajetorias do movimento browniano sao de variacao

ilimitada no intervalo [0, t] (ver Teorema 9.18, pagina 110 [13]), nao podemos interpretar

essa integral no sentido de Stieltjes. Tambem sabemos que com probabilidade um a

funcao t → Bt(ω) nao possui derivada. Portanto, a integral de “∫ t

0ϕ(s)dBs” nao pode

ser definida de maneira direta.

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No entanto, podemos definir essa integral para uma determinada classe de funcoes

fazendo uso da natureza estocastica do movimento browniano. Definida inicialmente

por K. Ito, essa integral ficou conhecida como a integral estocastica de Ito. Detalhamos

a seguir a construcao da integral de Ito.

Seja (Bt) um movimento browniano padrao unidimensional definido no espaco de

probabilidade (Ω,F , P ) e seja Ft, t ≥ 0 uma filtracao sobre esse espaco tal que:

(i) F0 contem todos os conjuntos de probabilidade nula, para F∞, onde

F∞ := σ(∪t≥0Ft) e a menor σ-algebra de F que contem todos os Ft.

(ii) FBt ⊂ Ft para cada t, onde FB

t = σ(Bs : 0 ≤ s ≤ t).

(iii) E[Bt −Bs|Fs] = 0 q.c., E[(Bt −Bs)2|Fs] = t− s q.c. para 0 ≤ s ≤ t.

O proximo passo e definir a classe dos ‘integrandos’. Uma vez definida a filtracao

com as propriedades acima, diremos que o processo e adaptado ou, (Ft)-adaptado.

Seja T > 0 fixo e H0,T definido a seguir

H0,T =

ϕ : [0, T ]× Ω→ R, (B[0, T ]×F∞)−mensuravel, adaptado,

e |||ϕ|||20,T = E

(∫ T

0

|ϕs|2ds)< +∞

.

Dizemos que dois processos quaisquer ϕ e ψ sao indistinguıveis se |||ϕ − ψ|||20,T = 0.

Ademais, H0,T pode ser visto como um subespaco de L2([0, T ]×Ω,B[0, T ]×F∞) onde,

|||.|||0,T e uma restricao da norma L2 no espaco de medida produto (Lebesgue × P ).

(Neste caso, adaptabilidade corresponde a existencia de um processo adaptado na classe

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de equivalencia dos integrandos definida anteriormente).

Seja S o subespaco dos processos simples (e previsıveis) em H0,T

ϕ(t, .) = ξ0(.)I[0,t1](t) + Σm−1i=1 ξi(.)I(ti,ti+1](t), (1.1)

onde, 0 = t0 < . . . < tm = T e uma particao finita (determinıstica), ξi e Fti−mensuravel

e limitada, para i = 1, . . . ,m, e IB denota a funcao indicadora do conjunto B.

Para ϕ ∈ S, definimos o processo (ϕ B)t, 0 ≤ t ≤ T , por

(ϕ B)t = Σi∗−1i=1 ξi(Bti+1

−Bti) + ξi∗(Bt −Bti∗ ),

onde i∗ = i∗(t) e dado por ti∗ ≤ t ≤ ti∗+1. Equivalentemente,

(ϕ B)t = Σm−1i=0 ξi(Bt∧ti+1

−Bt∧ti), (1.2)

para 0 ≤ t ≤ T . As propriedades a seguir podem ser verificadas para todo ϕ, ϕ ∈ S:

(a) As trajetorias t→ (ϕ B)t sao contınuas;

(b) ((cϕ+ cϕ) B)t = c(ϕ B)t + c(ϕ B)t q.c., para c, c ∈ R;

(c) (ϕ B)t e uma (Ft)−martingala;

(d) (ϕ B)t(ϕ B)t −∫ t

0ϕuϕudu e uma (Ft)−martingala. Em particular,

E(ϕ B)2T = |||ϕ|||20,T . (1.3)

Inicialmente, esta integral e definida para uma classe de processos simples (e

previsıveis) em S. No entanto, nosso objetivo e expandir a integral para o espaco H0,T .

Essa expansao pode ser feita baseando-se no seguinte lema (ver Lema 2.18 [18]).

Lema 1.1 S e denso em H0,T para |||.|||20,T .

8

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Note que, estamos trabalhando com martingalas a tempo contınuo e pela desigualdade

classica de Kolmogorov (que pode ser estendida do caso discreto para o caso contınuo)

[13] temos que, dado ϕ, ϕ ∈ S e y > 0,

P

[sup

0≤t≤T|(ϕ B)t − (ϕ B)t| ≥ y

]≤ 1

y2|||ϕ− ϕ|||20,T . (1.4)

Pelo Lema 1.1, dado ϕ ∈ H0,T e n ≥ 1 podemos tomar ϕ(n) ∈ S tal que |||ϕ(n) −

ϕ|||0,T ≤ 1/n3 e pela desigualdade (1.4) temos que

P

(sup

0≤t≤T

∣∣(ϕn B)t − (ϕ(n+1) B)t∣∣ ≥ 1

n2

)≤ n4

(2

n3

)2

=4

n2(1.5)

Seja An o evento do lado esquerdo da equacao (1.5). Se aplicamos o lema de Borel-

Cantelli [11], temos que a probabilidade P (An infinitas vezes) = 0. Podemos definir

N = [An infinitas vezes] e entao, P (N) = 0 de modo que N ∈ F0. Em Ω\N a sequencia

(ϕ(n) B)t(ω) converge uniformemente em t. Portanto, podemos definir

(ϕ B)t(ω) =

limn→∞(ϕ(n) B)t(ω) se ω /∈ N,

0 se ω ∈ N.

Devido a convergencia uniforme segue que a funcao t→ (ϕ B)t(ω) e contınua, para

cada ω. Alem disso, (ϕ B)t(ω) e (Ft)-mensuravel e para cada t,

limn→∞

(ϕ(n) B)t = (ϕ B)t na norma L2.

Observe que o surgimento de ds na definicao de |||.|||20,T e devido ao fato de (Bt)2 − t

ser uma martingala o que simplifica a prova do Lema 1.1 quando comparada com o caso

9

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geral de martingalas a tempo contınuo. No caso geral a classe de integrandos e mais

restrita.

Seja ϕ ∈ H0,T . A ideia da prova do Lemma 1.1 e mostrar a existencia de ϕ(k) ∈ S

k ≥ 1, tal que

limk→∞

∫ T

0

E∣∣ϕs − ϕks ∣∣2ds = 0, (1.6)

onde assumimos que ϕ e limitada e que ϕt = 0 para t ≤ 0.

Definicao 3 Dado T > 0 e ϕ ∈ H0,T , o processo (ϕ Bt : 0 ≤ t ≤ T ) e chamado de

integral estocastica de Ito da funcao ϕ. A notacao mais usual e dada por∫ T

0ϕsdBs.

1.3 Equacoes Diferenciais Estocasticas

Nesta secao vamos introduzir os conceitos basicos da teoria de equacoes diferenciais

estocasticas necessarios para o desenvolvimento desta dissertacao. Uma boa referencia e

Durrett [4] capitulo 5.

De modo geral, as equacoes diferenciais estocasticas sao representadas da maneira a

seguir:

dx(t) = b(x(t))dt+ σ(x(t))dB(t), t ≥ 0;

x(0) = 0.

Em geral, dizemos que uma equacao diferencial estocastica possui solucao forte no

sentido de Ito se tivermos um processo (xs) que com probabilidade um satisfaca a seguinte

equacao na forma integral

10

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x(t) =

∫ t

0

b(x(s))ds+

∫ t

0

σ(x(s))dB(s), ∀ t ≥ 0.

Definicao 4 Um processo estocastico x(t) : t ≥ 0 e chamado de um processo de

Ornstein-Uhlenbeck [17] se satisfaz a seguinte equacao diferencial estocastica:

dx(t) = −θ(x(t)− µ)dt+ σdB(t) (1.7)

As constantes parametricas sao:

• θ > 0 e a taxa de reversao a media;

• µ e a media do processo;

• σ e a magnitude das flutuacoes do movimento browniano.

A solucao exata do processo de Ornstein-Uhlenbeck com condicao inicial x(0) e dada

via formula de Ito, substituindo x(t) pela funcao auxiliar f(x, t) = xeθt e integrando de

0 a t temos:

x(t) = x(0)e−θt + µ(1− e−θt) + σ

∫ t

0

e−θ(t−s)dB(s), 0 ≤ t <∞, (1.8)

onde x(0) e a condicao inicial.

Alem do processo (x(t)) ser gaussiano e markoviano ele possui certas caracterısticas

muito interessantes. Para uma discussao da motivacao fısica por tras do processo de

Ornstein-Uhlenbeck uma referencia classica e Nelson [17]. Ademais, observe que se

fixarmos um valor para media µ podemos analisar o comportamento do processo para

diversos valores de θ.

Em geral, esperamos que quanto maior o parametro θ mais concentrado em torno

da media se encontra o sistema. A seguir simulamos o comportamento de N processos

11

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independentes para diversos valores de θ.

Figura 1.1: σ = 1, θ = 1, µ = 0, N = 10.

12

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Figura 1.2: σ = 1, θ = 6, µ = 0, N = 10.

Figura 1.3: σ = 1, θ = 1, µ = −1, N = 50.

13

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Figura 1.4: σ = 1, θ = 6, µ = −1, N = 50.

Figura 1.5: σ = 1, θ = 6, µ = 1, N = 10.

14

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Capıtulo 2

Estudo do modelo

2.1 O Modelo

A seguir vamos analisar um modelo de difusoes interangentes (proposto por [9])

composto por N componentes (agentes) que interagem entre si via campo medio.

Denotaremos por xj(., .) : [0, T ] × Ω → R a trajetoria (caminho) amostral de cada

componente j, de modo que, cada xj(t) interage com a media x(t) = 1N

∑Nj=1 xj(t). A

evolucao dinamica do sistema possui as seguintes caracterısticas:

• O sistema apresenta um comportamento metaestavel em torno dos pontos +1 e

−1.

• O sistema possui um mecanismo de estabilizacao.

• O sistema sofre a acao de um ruıdo aleatorio.

• O sistema apresenta um parametro de reversao a media que determina o grau de

interacao de cada componente com a media do sistema.

• As condicoes iniciais sao xj(0) = 0 ∀ j = 1, . . . , N .

Um modelo que possui as caracterısticas desejadas, isto e, interacoes via campo medio

e com as condicoes estabelecidas acima pode ser descrito matematicamente por um

sistema de equacoes diferenciais estocasticas de Ito da seguinte forma:

15

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dxj(t) = −hU(xj(t))dt+ θ(x(t)− xj(t))dt+ σdBj(t), ∀j = 1 . . . , N, (2.1)

onde:

• U(x) = V ′(x) = x3 − x e o campo (forca) do sistema.

• h e o parametro de estabilizacao do sistema.

• θ > 0 representa o parametro de reversao a media.

• σ2 > 0 representa o coeficiente de difusao.

• Bj(t)Nj=1 e uma sequencia de movimentos browniano padrao e independentes.

A evolucao do sistema e portanto caracterizada pelas condicoes iniciais

(x1(0), . . . , xN(0)), pelos parametros (h, σ, θ) e pelo tamanho N do sistema. Nosso

objetivo e analisar a media empırica x(t) do conjunto atraves do sistema de equacoes

diferenciais estocasticas (2.1).

Observe que esse sistema possui um termo nao linear dado por U(x) que dificulta a

analise direta da media empırica e nos conduz a analisar a medida empırica do sistema, ou

seja, vamos analisar processos que tomam valores no espaco das medidas de probabilidade

M1(R).

Antes de entrar nos detalhes do modelo principal vamos analisar um modelo linear

mais simples e esclarecer as principais diferencas entre esses modelos, estabelecendo um

paralelo entre os principais pontos de interesse do modelo principal a partir do modelo

linear mais simples.

2.2 Modelo Simplificado

Nesta subsecao vamos analisar um modelo com caracterısticas semelhantes ao modelo

principal, porem, com uma estrutura bem mais simples. Basicamente temos um sistema

16

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linear difusivo onde cada componente interage com o conjunto de modo semelhante

ao modelo principal, ou seja, as interacoes ocorrem via campo medio. No entanto,

diferentemente do modelo principal que apresenta uma estrutura biestavel e cujo

interesse e analisar um grande desvio da media, isto e, a probabilidade de transicao de

uma regiao normal para uma regiao de falha, nosso objetivo sera analisar a probabilidade

(da media empırica) de um grande numero de componentes ultrapassar um determinado

nıvel pre-estabelecido. No contexto adotado nesta dissertacao a probabilidade deste

evento sera chamada de risco sistemico.

De modo analogo ao modelo inicialmente proposto queremos analisar este processo

e determinar a probabilidade de ocorrencia de um evento sistemico. Em particular

estamos interessados em analisar o decaimento de um grande numero de componentes

a um determinado nıvel “η < 0” em um intervalo de tempo finito [0, T ]. O principal

objetivo desta secao e analisar o risco sistemico em um modelo linear mais simples

utilizando como estatıstica o limite de campo medio do sistema e determinar uma

estimativa de grandes desvios para este modelo.

Neste caso o sistema difusivo com interacoes via campo medio pode ser descrito

matematicamente por um sistema de equacoes diferenciais estocasticas de Ito da seguinte

forma

dxj(t) = θ(x(t)− xj(t))dt+ σdBj(t), j = 1, . . . , N

xj(0) = 0,(2.2)

onde

• xj(t) representa a trajetoria de cada componente do sistema para j = 1 . . . , N .

• θ > 0 representa o parametro de reversao a media.

• σ2 > 0 representa o coeficiente de difusao.

17

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• Bj(t)Nj=1 e uma sequencia de movimentos browniano padrao e independentes.

Observacao: Nas simulacoes a condicao inicial utilizada e xj(0) = −1, pois note

que o interesse principal sera avaliar as transicoes entre as regioes +ξ em torno de

+1 para −ξ em torno de −1 e vice-versa.

Queremos analisar o risco sistemico atraves da estatıstica x(t) no limite quando N →

∞. Podemos reescrever a equacao (2.2) da seguinte forma:

dxj(t) = θ

[(1

N

N∑i=1

xi(t)− xj(t)

)]dt+ σdBj(t), j = 1, . . . , .

Aplicando o somatorio em “j” e dividindo por “N” em ambos os lados temos

d

(1

N

N∑j=1

xj(t)

)= d

N

N∑j=1

Bj(t)

),

1

N

N∑j=1

xj(t) =σ

N

N∑j=1

Bj(t).

Logo, a media empırica do conjunto possui a mesma distribuicao da media de N

movimentos brownianos independentes com coeficiente de difusao σ2, sendo portanto um

movimento browniano com coeficiente de difusao σ2/N .

Podemos escrever (2.2) da seguinte forma

dxj(t) = θ

[(σ

N

N∑i=1

Bi(t)

)− xj(t)

]dt+ σdBj(t), (2.3)

com solucao dada por

xj(t) =σ

N

N∑i=1

Bi(t) + σe−θt∫ t

0

eθsdBj(s)−σ

N

N∑i=1

(e−θt

∫ t

0

eθsdBi(s)

)(2.4)

18

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∀ j = 1, . . . ,.

Pela lei forte dos grandes numeros no limite quando N →∞ temos que

1

N

N∑i=1

Bi(t)→ 0, q.c.

e neste caso o processo e analogo a (1.7) com µ = 0. Daı pode-se ver que os processos xj(t)

convergem para para processos de Ornstein - Uhlenbeck independentes para j = 1, . . .

dxj(t) = −θxj(t)dt+ σdBj(t)

xj(0) = 0

cuja solucao e dada por

xj(t) = σe−θt∫ t

0

eθsdBj(s); 0 ≤ t <∞. (2.5)

Para verificar a convergencia lembremos (2.4). Ja sabemos que o primeiro termo do

lado direito tende a zero quase certamente e podemos ver que o terceiro converge em

probabilidade e em L2 a zero quando N → ∞. De fato, seu valor esperado e zero e o

segundo momento e dado por

N

N∑i=1

(e−θt

∫ t

0

eθsdBi(s)

)]2

≤ σ2

Ne−2θt

(e2θt

).

No entanto, estamos interessados em obter aproximacoes no calculo das

probabilidades de “grandes desvios”, ou seja, determinar o comportamento de

certos “eventos raros” (que possuem probabilidade tendendo a zero) de modo a obter

estimativas mais precisas para probabilidade desses eventos, quando N → +∞.

O estudo de grandes desvios foi feito inicialmente por Cramer tratando de grandes

desvios com relacao a lei dos grandes numeros no estudo de problemas assintoticos

para sequencias de variaveis aleatorias independentes e identicamente distribuıdas.

19

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Posteriormente seu trabalho foi ampliado por Chernoff (1952) e se desenvolveu para

diversos tipos de processos, na mecanica estatıstica em situacoes de dependencia entre

as variaveis aleatorias. Uma formulacao geral deve-se a Varadhan [21].

A analise de “grandes desvios” em situacoes de dependencia entre as variaveis

aleatorias surge naturalmente na mecanica estatıstica, no estudo do comportamento de

propriedades macroscopicas de sistemas termodinamicos em equilıbrio. No contexto do

modelo apresentado nesta secao o principal interesse e analisar o risco sistemico baseado

no evento [min

0≤t≤T

1

N

N∑j=1

xj(t) ≤ η

].

Pela simplicidade do modelo verificamos facilmente que a media empırica do sistema

possui a mesma distribuicao da media de N movimentos brownianos independentes

com coeficiente de difusao σ2, que de fato, e um movimento browniano com coeficiente

de difusao σ2/N que denotaremos por B. Dessa forma, podemos calcular a seguinte

probabilidade

P

(min

0≤t≤T

σ

N

N∑j=1

Bj(t) ≤ η

)= P

(min

0≤t≤TB(t) <

η√N

σ

)

= 2Φ

(η√N

σ√T

), (2.6)

onde a ultima igualdade na equacao (2.6) e devida ao princıpio da reflexao do movimento

browniano.

Queremos calcular o limite

limN→∞

− 1

NlogP

(min

0≤t≤TB(t) ≤ η

√N

σ

)= lim

N→∞− 1

Nlog 2Φ

(η√N

σ√T

)

e para isso vamos considerar o seguinte Lemma [8].

20

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Lema 2.1 Quando x→∞

∫ +∞

x

1√2πe−

12y2dy ∼ x−1 1√

2πe−

12x2 ;

mais precisamente, a seguinte desigualdade

[x−1 − x−3]1√2πe−

12x2 <

∫ +∞

x

1√2πe−

12y2dy < x−1 1√

2πe−

12x2

e valida para todo x > 0.

Aplicando o Lema acima,

limN→∞

− 1

Nlog 2Φ

(η√N

σ√T

)= lim

N→∞− 1

Nlog

(∫ η√N

σ√T

−∞

2√2πe−u22 du

)

= limN→∞

− 1

Nlog

2√2π

e− η2N

2σ2T

−η√N

σ√T

= lim

N→∞− 1

N

[log

(2√2π

)+ log

(e−

η2N

2σ2T

)− log

(−η√N

σ√T

)]

=η2

2σ2T.

limN→∞

− 1

NlogP

(min

0≤t≤TB(t) <

η√N

σ

)=

η2

2σ2T.

Portanto, a probabilidade desejada e dada por

P

(min

0≤t≤T

1

N

N∑j=1

xj(t) < η

)≈ exp(−η2N/(2σ2T )), (2.7)

o sımbolo ′′ ≈′′ em (2.7) deve ser interpretado como uma equivalencia logarıtmica.

Note que a equacao (2.7) nao depende de θ, portanto, a probabilidade de um evento

sistemico, isto e, um evento onde ocorre a falha de grande parte ou de ate mesmo todo

21

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sistema, independe da taxa de reversao a media, ou seja, aumentar a estabilidade do

sistema aumentando os valores de θ nao interfere na ocorrencia ou nao de um evento

sistemico. Em contrapartida, quanto maior θ, mais concentrado em torno da media e

o sistema, e caso ocorra um evento sistemico maior sera a quantidade de elementos que

geram este evento.

Podemos ainda estar interessados em analisar a probabilidade do tempo esperado ate

que um grande numero de componentes caia abaixo de um determinado nıvel η pela

primeira vez, isto e, calcular a probabilidade P (τ < t) onde τ = mint : x(t) < η.

O calculo desta probabilidade foi feito com detalhes em [14] no caso em que temos N

processos de Ornstein - Uhlenbeck independentes.

A seguir vamos analisar o modelo principal e desenvolver um estudo analogo ao que

foi feito no modelo mais simples com uma abordagem mais complexa e mais detalhada

do modelo.

2.3 Analise do Modelo

Nesta secao vamos analisar o modelo principal representado pelo seguinte sistema de

equacoes diferenciais estocasticas

dxj(t) = −hU(xj(t))dt+ θ(x(t)− xj(t))dt+ σdBj(t), j = 1, . . . N

xj(0) = 0,(2.8)

onde:

• U(x) = V ′(x) = x3 − x e o campo (forca) do sistema.

• h e o parametro de estabilizacao do sistema.

• θ > 0 representa o parametro de reversao a media.

• σ2 > 0 representa o coeficiente de difusao.

• Bj(t)Nj=1 e uma sequencia de movimentos browniano padrao e independentes.

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O principal objetivo desta secao e estudar o limite (macroscopico) da distribuicao

empırica quando N → ∞. A analise deste modelo foi feita por Dawson em 1983 [3]

garantindo que o mesmo esta bem definido.

Vale ressaltar que a analise desse modelo sera feita para valores pequenos de h, pois

sendo h um parametro de estabilizacao do sistema. Se h for grande a inclinacao ao redor

da regiao de equilıbrio aumenta, dificultando as possıveis transicoes de uma regiao estavel

para outra. Portanto, vamos sempre assumir h pequeno.

2.3.1 Limite de Campo Medio

De modo analogo ao modelo simples queremos analisar o comportamento sistemico

do processo (2.8) atraves da media empırica x(t), no entanto, essa analise nao sera feita

de forma direta, pois o processo e nao linear. Portanto, ao inves de analisar a media

empırica do processo precisamos analisar a medida empırica deste processo no limite

quando N →∞. Antes de entrarmos nos detalhes dessa analise vamos fazer as seguintes

definicoes:

Definicao 5 Seja (Ω,A) um espaco mensuravel. Para x ∈ Ω definimos δx como

δx(A) =

1, se x ∈ A

0, c.c.

Dizemos que δx e a medida de Dirac concentrada em x.

Definicao 6 Seja M1(R) o conjunto de medidas de probabilidade em R, munido com a

topologia da convergencia fraca e C ([0, T ],M1(R)) o conjunto de funcoes contınuas em

[0, T ] que tomam valores em M1(R). Define-se a medida de probabilidade empırica do

processo XN(t, dy) := 1N

∑Nj=1 δxj(t)(dy) de modo que XN(., .) pertence C([0, T ], M1(R)).

Diremos que XN(t, dy) converge fracamente para u(t, y)dy denotando por

XN(t, dy)→ u(t, y)dy se para toda funcao contınua e limitada f : R → R temos que

limN→∞

∫ ∞−∞

f(y)XN(t, dy) =

∫ ∞−∞

f(y)u(t, y)dy.

23

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Consideramos sobre M1(R) a topologia da convergencia fraca. Esta pode ser obtida

atraves de uma metrica adequada a qual denotaremos por ρ, de modo que, dada ψ, φ ∈

C([0, T ],M1(R)), dT (φ, ψ) = sup0≤t≤T ρ(φ(t), ψ(t)). Como ρ podemos tomar por exemplo

a metrica de Prohorov.

A seguir vamos vamos definir a metrica de Prohorov, uma boa referencia pode ser

encontrada em Billingsley [1] ou em Kurtz [6].

Seja (M,d) um espaco metrico (d denota a metrica nesse espaco) e B(M) a σ−algebra

de subconjuntos de Borel em M . Seja P (M) a famılia de medidas de probabilidade em

(M,B(M)). Para um subconjunto A ⊂M , define-se uma vizinhanca ε de A por

Aε := p ∈M |∃q ∈ A, d(p, q) < ε =⋃p∈A

Bε(p).

onde Bε(p) e uma bola aberta de centro p e raio ε.

A metrica de Prohorov π : P(M)2 → [0,+∞) e definida pela distancia entre as duas

medidas de probabilidade µ e ν como

π(µ, ν) := inf ε > 0|µ(A) ≤ ν(Aε) + ε e ν(A) ≤ µ(Aε) + ε para todo A ∈ B(M) .

A seguir vamos enunciar o teorema do limite de campo medio para a medida empırica

XN , o qual foi provado por Dawson [3] em 1983.

Teorema 2.3.1 (Dawson, 1983) [3] Assuma que a forca seja dada por U(y) = y3 −

y e que XN(0) convirja fracamente para uma medida de probabilidade ν0. No limite

quando N → ∞ o processo XN converge fracamente para um processo determinıstico

com densidade de probabilidade u(t, y)dy ∈ C([0, T ], M1(R)), que e a unica solucao fraca

da equacao de Fokker-Planck:

∂tu = h

∂y[U(y)u]− θ ∂

∂y

[∫ ∞−∞

yu(t, y)dy − y]u

+

1

2σ2 ∂

2

∂y2u, (2.9)

com condicao inicial ν0.

24

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Pelo Teorema acima o processo XN(., .) que toma valores em M1(R), no limite

quando N → ∞ converge para trajetoria determinıstica com densidade u(t, y)dy, onde

u(.) e unica solucao da equacao de Fokker-Planck (2.9) associada ao sistema (2.8) do

qual temos interesse em determinar a solucao.

Antes de entrar nos detalhes do Teorema vamos verificar que o sistema nao linear

dx(t) = −U(x(t))dt+ θ(m(t)− x(t))dt+ σdB(t),

m(t) := E(x(t)),

x(0) = x0.

(2.10)

possui uma unica solucao forte (Apendice A.1 Dawson [3]). Vale ressaltar a diferenca

entre o sistema (2.10) e a equacao usual (2.1), o sistema (2.10) possui um termo m(t) :=

E(x(t)) que depende da lei do processo no tempo t e nao possui o parametro h, pois

neste caso a determinacao de uma solucao forte para (2.10) independe deste parametro,

visto que, h determina a amplitude da funcao U(x(t)).

Demonstracao 3 I) Suponha que exista uma solucao x(t) para equacao

dx(t) = −U(x(t))dt+ θ(m(t)− x(t))dt+ σdB(t)

x(0) = x0,

tal que m(t) = E(x(t)).

Queremos mostrar que m(t) e limitada em [0, T ] para todo T <∞.

De modo geral, seja x(.) a solucao de uma equacao linear de primeira ordem do tipo

dx(t)/dt = −f(t)x(t) + g(t), x(0) = x0.

25

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Multiplicando esta equacao pelo fator de integracao exp[∫ t

0f(s)ds] temos,

x(t) exp

[∫ t

0

f(s)ds

]− x0 =

∫ t

0

g(s) exp

[∫ s

0

f(u)du

]ds.

Podemos reescrever a equacao (2.10) da seguinte forma:

dx(t) = [−x(t)3 + (1− θ)x(t)]dt+ σdB(t) + θm(t)dt,

m(t) := E(x(t)),

x(0) = x0.

Se tomarmos f(t) = [(θ − 1) + x2(t)] e g(t) = σdB(t) + θm(t) onde dB(t) denota

a derivada generalizada do movimento browniano. Podemos aplicar o mesmo raciocınio

utilizado anteriormente e escrever a seguinte equacao:

x(t)exp

[∫ t

0

f(s)ds

]= x0 + θ

∫ t

0

m(s)exp

[∫ s

0

f(u)du

]ds+ σ

∫ t

0

exp

[∫ s

0

f(u)du

]dB(s),

x(t) = x0exp

[−∫ t

0

f(s)ds

]+θ∫ t

0m(s)exp

[∫ s0f(u)du

]ds

exp[∫ t

0f(s)ds

] +σ∫ t

0exp

[∫ s0f(u)du

]dB(s)

exp[∫ t

0f(s)ds

] .

Integrando o numerador do ultimo termo por partes tomando u = exp[∫ s

0f(u)du

]e

dv = dB(s) temos que

x(t) = x0exp

[−∫ t

0

f(s)ds

]+ θ

∫ t

0

m(s)exp

[−∫ t

s

f(u)du

]ds+ σB(t)

− σe(1−θ)texp

[−∫ t

0

x2(s)ds

] ∫ t

0

B(s)

[(θ − 1) + x2(s)

]e(θ−1)sexp

[∫ s

0

x2(u)du

]ds.

26

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Observe que a ultima parcela da equacao acima pode ser escrita como

σe(1−θ)texp[−∫ t

0x2(s)ds

] ∫ t

0

B(s)

[(θ − 1) + x2(s)

]e(θ−1)sexp

[∫ s

0

x2(u)du

]ds

= σe(1−θ)texp[−∫ t

0x2(s)ds

] ∫ t

0

B(s)[(θ − 1) + x2(s)]exp

[∫ s

0

((θ − 1) + x2(u)

)du

]ds

≤ σexp[−∫ t

0f(s)ds

]sup

0≤s≤t|B(s)|

∫ t

0

(|θ − 1|+ x2(s)

)exp

(∫ s

0

((θ − 1) + x2(s)

)du

)ds

Portanto, no caso em que θ > 1 ou θ < 1 podemos determinar uma cota superior

para a integral acima separando a integral da soma na soma das integrais

E|x(t)| ≤ |x0|e(1−θ)t + θ

∫ t

0

|m(s)|e(1−θ)(t−s)ds

+ σE|B(t)|+ σE

sup

0≤s≤t|B(s)|

(1 + e(θ−1)t).

Pela desigualdade de Doob

E

sup

0≤s≤t|B(s)|

≤ E

sup

0≤s≤t|B(s)|2

12

≤ 2t12 .

Fazendo m+(t) = E|x(t)|,

m+(t) ≤ |x0|e(1−θ)t + 2σt12 + θ

∫ t0m+(t)e(1−θ)(t−s)ds+ 2σt

12 (1 + e(θ−1)t).

Logo, para 0 ≤ t ≤ T e θ 6= 0

m+(t) ≤ (K|x0|+ 2σT12 )exp

(θ + θet(1−θ)/|1− θ|

).

onde, K = max(1, e(1−θ)T ).

Pela desigualdade de Jensen [11] m(t) ≤ |m(t)| ≤ m+(t), portanto, m(t) e limitado

para t ∈ [0,∞] garantindo que nao existem explosoes na equacao (2.10).

A seguir sera mostrado que o sistema (2.10) possui solucao forte. Antes disso, note

que, pelo Teorema de Cameron - Martin - Girsanov [13] juntamente com o fato da solucao

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do sistema ser nao explosiva temos que a seguinte equacao diferencial estocastica

dx(t) = [−(x(t))3 + x(t)]dt+ σdB(t)− θx(t)dt+ θx(0).

possui uma unica solucao forte.

Demonstracao 4 II) O sistema (2.10) possui solucao forte.

Pelo metodo iterativo de Picard:

Seja x(1)(t) a unica solucao forte da equacao

dx(1)(t) = [−(x(1)(t))3 + x(1)(t)]dt+ σdB(t)− θx(1)(t)dt+ θx(0).

De modo geral, seja x(n)(t) a unica solucao forte da equacao

dx(n)(t) = [−(x(n)(t))3 + x(n)(t)]dt+ σdB(t)− θx(n)(t)dt+ θE[x(n−1)(t)],

x(n+1)(t)− x(n+1)(0) =

∫ t

0

[−(x(n+1)(t))3 + (1− θ)x(n+1)(s)]ds+ σB(t)

+ θ

∫ t

0

m(n)(s)ds

m(n)(t) := E[x(n)(t)].

Estabelecemos o seguinte esquema iterativo para n ≥ 1,

x(n+1)(t)− x(n)(t) =

∫ t

0

(1− θ)[x(n+1)(s)− x(n)(s)]ds−∫ t

0

[(x(n+1)(s))3 − (x(n)(s))3]ds

+ θ

∫ t

0

[m(n)(s)−m(n−1)(s)]ds.

Fatorando a diferenca dos cubos temos da seguinte forma

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(y3 − x3) = (y − x)(y2 + xy + x2) = 12(x− y)[(x+ y)2 + x2 + y2] temos:

x(n+1)(t)− x(n)(t) =

∫ t

0

(1− θ)[x(n+1)(s)− x(n)(s)]ds−∫ t

0

[x(n+1)(s)− x(n)(s)]f(s)ds

+ θ

∫ t

0

[m(n)(s)−m(n−1)(s)]ds,

onde x(n+1)(0)−x(n)(0) = 0 e f(s) = 12[x(n+1)(s) + x(n)(s)]2 + [(x(n+1)(s))2 + (x(n)(s))2] ≥ 0.

Multiplicando pelo fator de integracao exp[∫ t

0f(s)ds] e integrando por partes como no

passo anterior temos

x(n+1)(t)− x(n)(t) = θ

∫ t

0

e(t−s)(θ−1)exp

[−∫ t

s

f(u)du

]. [m(n)(s)−m(n−1)(s)]ds.

Logo, para 0 ≤ t ≤ T

|m(n+1)(t)−m(n)(t)| ≤ K

∫ t

0

|[m(n)(s)−m(n−1)(s)]|ds,

onde K = θmax(1, eT (θ−1)).

De modo iterativo podemos determinar uma cota superior para |m(n+1)1 (t) −m(n)

1 (t)|

da seguinte forma

|m(n+1)(t)−m(n)(t)| ≤ K

∫ t

0

|[m(n)(s)−m(n−1)(s)]|ds

≤ K

∫ t

0

K

∫ s1

0

|m(n−1)(s1)−m(n−2)(s1)|ds1ds

≤ Kn

∫ t

0

∫ s1

0

...

∫ sn−1

0

|m(1)(sn−1)−m(0)(sn−1)|dsn−1...ds1ds

≤ KnT n/n!

Portanto, a sequencia m(n)(t) : 0 ≤ t ≤ T definida no espaco metrico (C([0, T ]), d),

onde d(x, y) = sup|x(t)− y(t)|; t ∈ [0, T ] e a metrica do supremo, e uma sequencia de

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Cauchy. Seja m(t) o limite uniforme de mn(t).

Vamos partir de um argumento analogo ao anterior para mostrar que (2.10) possui

solucao forte.

Seja x(.) a unica solucao forte da equacao

dx(t) = [−x(t)3 + (1− θ)x(t)]dt+ σdB(t) + θm(t)dt,

temos que,

x(t)− x(n)(t) =

∫ t

0

(1− θ)[x(s)− x(n)(s)]ds−∫ t

0

[x3(s)− (x(n)(s))3]ds

+ θ

∫ t

0

[m(s)−m(n−1)(s)]ds.

Fatorando a diferenca de cubos como anteriormente temos,

x(t)− x(n)(t) =

∫ t

0

(1− θ)[x(s)− x(n)(s)]ds−∫ t

0

[x(s)− x(n)(s)]f(s)ds

+ θ

∫ t

0

[m(s)−m(n−1)(s)]ds,

onde x(0)− x(n)(0) = 0 e f(s) = 12[x(n+1)(s) + x(n)(s)]2 + (x(n+1)(s))2 + (x(n)(s))2 ≥ 0.

Multiplicando pelo fator de integracao exp[∫ t

0f(s)ds] e integrando por partes como

nos passos anteriores,

x(t)− x(n)(t) = θ

∫ t

0

e(t−s)(θ−1)exp

[−∫ t

s

f(u)du

]. [m(s)−m(n−1)(s)]ds

Logo, para 0 ≤ t ≤ T

|E[x(t)]−m(n)(t)| ≤ K

∫ t

0

|m(s)−m(n−1)(s)|ds.

30

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Portanto, m(n)(t) converge para E[x(t)] e sabemos que a sequencia dos m(n)(t)

converge para m(t). Logo, segue que E[x(t)] = m(t) garantindo dessa forma a existencia

de uma solucao forte para a equacao (2.10).

III) Unicidade da solucao.

Para mostrar a unicidade da solucao vamos supor que existem duas solucoes de (2.10)

x1(t) e x2(t), onde m(1)(t) = E[x1(t)] e m(2)(t) = E[x2(t)]. Como antes podemos escrever

a seguinte desigualdade,

|m(2)(t)−m(1)(t)| ≤ |m(2)(0)−m(1)(0)|+K

∫ t

0

|m(2)(s)−m(1)(s)|ds, (2.11)

onde m(2)(0) = m(1)(0) = E[x0].

Desigualdade de Gronwall [4] (Durret capıtulo 5 pagina 188).

Suponha que ϕ(t) ≤ A + B∫ s

0ϕ(s)ds para todo t ≥ 0 e ϕ(t) contınua. Entao

ϕ(t) ≤ AeBt.

Pela desigualdade de Gronwall,

|m(2)(t)−m(1)(t)| ≤ 0.eKt = 0. (2.12)

Logo, m(2)(t) = m(1)(t), estabelecendo dessa forma a unicidade da solucao.

Uma segunda etapa muito importante e mostrar que a equacao de Fokker - Planck

(2.9) possui uma unica solucao a valores medida.

A seguir vamos verificar a existencia de uma solucao. Devido ao grau de complexidade

a unicidade nao sera vista nesta dissertacao. A principal referencia e o artigo do Dawson

(Apendice A.2 Dawson 1983 [3]).

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Demonstracao 5 I - Existencia.

Seja x(.) a solucao da equacao (2.10). Seja φ ∈ S , onde S e o espaco das funcoes

teste de Schwartz, pela formula de Ito temos que:

φ(x(t))− φ(x(0))−∫ t

0

[(−x3(s) + x(s)(1− θ))φ′(x(s)) +1

2σ2φ′′(x(s)) + θm1(t)φ′(x(s))]ds

e uma martingala.

Se p(t;dx) denota a lei de x(t). Entao a condicao de martigala acima implica que p(.

; .) e uma solucao a valores medida de probabilidade da equacao nao linear (2.9).

Tendo feito tais consideracoes a construcao do Teorema (2.3.1) e baseada nos dois

seguintes passos[3]:

1. Mostrar que a famılia de processos e relativamente compacta.

Para provar que a famılia de processos XN(t, .) e relativamente compacta em

C([0, T ],M1(R)) e suficiente provar que:

• supN sup0≤t≤T E(〈XN(t), |x|〉) <∞.

• Para cada φ ∈ CK(R), o espaco de funcoes com suporte compacto, os processos

〈XN(.), φ〉 sao relativamente compacto em C[0, T ].

2. Determinacao do limite.

Seja PN a lei de probabilidade do processo a valores medida XN . O fato do processo

XN ser relativamente compacto implica na existencia de uma subsequencia PNk →

u. Bastando provar que u e a unica solucao do processo a valores medida u(t) :

t ≥ 0.

Portanto, pelo Teorema 2.3.1, podemos analisar u e tratar XN como uma pertubacao

de u para valores de N grande e considerar x(t) da mesma forma pois x(t) =

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∫∞−∞ yXN(t, dy). Em geral, nao existem solucoes explıcitas disponıveis para (2.9) mas

podemos encontrar solucoes de equilıbrio, ou seja, as solucoes quando t→∞ assumindo

ξ = limt→∞

∫∞−∞ yu(t, y)dy. A solucao ueξ no limite satisfaz:

hd

dy[(y3 − y)ueξ]− θ

d

dy[(ξ − y)ueξ] +

1

2σ2 d

2

dy2ueξ = 0,

ueξ(y) =1

√2π σ

2

exp

−(y − ξ)2

2σ2

− h 2

σ2V (y)

,

Zξ =

∫ ∞−∞

1√2π σ

2

exp

−(y − ξ)2

2σ2

− h 2

σ2V (y)

dy.

(2.13)

onde Zξ e a constante normalizadora. E ξ deve satisfazer a condicao de consistencia ou

compatibilidade:

ξ = m(ξ) :=

∫ ∞−∞

yueξ(y)dy. (2.14)

Logo encontrar solucoes de equilıbrio se reduz a encontrar solucoes dessa equacao.

Para θ fixo, o modelo foi definido de modo que a especificacao de um valor crıtico

para σ e de extrema importancia, pois se σc ≤ σ, a influencia das pertubacoes externas

sob o sistema aumenta de tal forma que a aleatoriedade passa a dominar a interacao

entre os componentes, ou seja, a interacao devido ao fator θ(x(t) − xj(t))dt se torna

desprezıvel e neste caso o sistema se comporta como N difusoes independentes.

Neste caso, o sistema possui um comportamento instavel entre as regioes +ξ e

−ξ devido a simetria da funcao V (xj(t)) = xj(t)4/4 − xj(t)

2/2. Logo, temos um

processo de media zero.

Portanto, estamos interessados no caso em que σ e pequeno, σ < σc, pois neste caso

o termo difusivo σdBj(t) possui uma influencia menor sob o sistema e a interacao de

cada componente com a media empırica passa a ter maior significancia devido a parcela

θ(x(t)− xj(t))dt. Nestas condicoes uma grande parte dos componentes permanecem em

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torno da mesma regiao por um longo intervalo de tempo, isto e, das regioes +ξ ou

−ξ. Por esse motivo vamos sempre considerar σ < σc.

Proposicao 2.1 (Garnier, Papanicolaou, Yang, 2013) Para h pequeno, o valor critıco

σc pode ser expandido como

σc =

√2θ

3+O(h). (2.15)

Pode ser mostrado [9], que as solucoes nao nulas ±ξ sao da forma:

±ξ = ±√

1− 3σ2

(1 + h

6

σ2

(σ2

)21− 2(σ2/2θ)

1− 3(σ2/2θ)

)+O(h2). (2.16)

Pela proposicao 2.3 e possivel determinar uma relacao entre os parametros que

garante a existencia de estados bi-estaveis. A seguir vamos mostrar que, dados θ e h

pequeno, a equacao (2.14) possui solucoes nao nulas se e somente se 3σ2

2θ< 1.

Demonstracao 6 Relacao Entre σ2 e θ.

Como estamos supondo h pequeno, com base em (2.13) podemos considerar a

densidade de ueξ como sendo uma pertubacao da funcao densidade da normal. Seja Y

uma variavel aleatoria com distribuicao normal de media ξ e variancia σ2/2θ, e seja pξ

sua densidade.

Sabemos que:

Zξ =

∫ ∞−∞

1√2π σ

2

exp

−(y − ξ)2

2σ2

− h 2

σ2V (y)

dy. (2.17)

Fazendo a expansao da serie de Taylor em torno de h do termo exp(−hηV (y)) e

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definindo η = 2/σ2, segue que:

exp(−hηV (y)) = 1− hηV (y) + h2η2V 2(y)/2 +O(h3),

Zξ =

∫1− hηV (y) + h2η2V 2(y)/2 +O(h3)pξ(y)dy,

e

= E[1− hηV (Y ) + h2η2V 2(Y )/2 +O(h3)]

= 1− hηEV (Y ) +1

2h2η2EV 2(Y ) +O(h3).

Daı, tambem obtemos

Z−1ξ = 1 + hηEV (Y )− 1

2h2η2EV 2(Y ) + h2η2(EV (Y ))2 +O(h3).

Portanto, podemos calcular m(ξ) da seguinte forma:

m(ξ) = Z−1ξ

∫y

(1− hηV (y) +

1

2h2η2V 2(y) +O(h3)

)pξ(y)dy (2.18)

= Z−1ξ

(ξ − hηE[Y V (Y )] +

1

2h2η2E[Y V 2(Y )] +O(h3)

)= ξ + hηξEV (Y )− E[Y V (Y )]+ h2η2−1

2ξEV 2(Y ) + ξ(E(V (Y ))2

− EV (Y )E[Y V (Y )] +1

2E[Y V 2(Y )]+O(h3)

= ξ − hησ2

2θEV (Y ) + h2η2σ

2

2θE[V (Y )V (Y )]− EV (Y )EV (Y )+O(h3)

= ξ − hησ2

2θEV (Y ) + h2η2σ

2

2θcov(V (Y ), V (Y )) +O(h3).

onde o termo V (Y ), que surge na penultima igualdade, foi especificado no artigo de J.

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Garnier, G. Papanicolaou e T. Yang [9] (apendice A, pagina 20).

Pela condicao (2.14) ξ = m(ξ) segue que,

EV (Y )− hηcov(V (Y ), V (Y )) +O(h2) = 0. (2.19)

Assumindo que ξ = ξ0 + hξ1 +O(h2) temos,

ξ30 − 3

σ2

2θξ0 − ξ0 = ξ0(ξ2

0 + 3σ2

2θ− 1) = 0. (2.20)

Portanto as solucoes sao: ξ = ±√

1− 3σ2/2θ e ξ = 0.

2.4 Modelo Heterogeneo

Uma generalizacao do modelo tambem e apresentada em [9] para o caso em que cada

agente possui uma taxa individual de reversao a media, isto e, para j = 1, . . . , N temos

um sistema de equacoes diferenciais estocasticas da seguinte forma

dxj(t) = −hU(xj(t))dt+ θj(x(t)− xj(t))dt+ σdwj(t). (2.21)

Como antes temos U(x) = V ′(x) e agora consideramos o caso em que θ1, . . . , θN

assume K valores positivos distintos Θ1, . . . ,ΘK e definimos Il = j : θj = Θl,

ρl = |Il|/N e X lN = 1

ρlN

∑j∈Il δxj assumindo que o limN→∞ ρl existe e e positivo para todo

l. O limite de (X1N , . . . , X

KN ) quando N → ∞ e dado pelas solucoes fracas (u1, . . . , uK)

do conjunto de K equacoes de Fokker-Planck apresentadas no Teorema a seguir.

Teorema 2.4.1 (Garnier, Papanicolaou, Yang, 2013) Assuma U(y) = y3 − y e

que (X1N(0), . . . , XK

N (0)) converge fracamente em probabilidade para uma medida de

probabilidade (ν1, . . . , νk). O vetor (X1N , . . . , X

KN ) converge fracamente a valores medida

quando N → ∞ para o vetor de solucoes fraca (u1, . . . , uK) do sistema de equacoes de

Fokker-Planck:

36

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∂tu1 =

1

2σ2 ∂

2

∂y2u1 −Θ1

∂y

[∫y∑

ρlul(t, y)dy − y]u1

+ h

∂y[U(y)u1]

...

∂tuK =

1

2σ2 ∂

2

∂y2uK −Θk

∂y

[∫y∑

ρlul(t, y)dy − y]uK

+ h

∂y[U(y)uK ],

(2.22)

com condicoes iniciais (ν1, . . . , νk). As solucoes de equilibrio uel ,ξ possuem a seguinte

forma:

uel ,ξ(y) =1

Zl,ξ

√2π σ2

2Θl

exp

−(y − ξ)2

2 σ2

2Θl

− h 2

σ2V (y)

Zl,ξ =

∫1√

2π σ2

2Θl

exp

−(y − ξ)2

2 σ2

2Θl

− h 2

σ2V (y)

dy,

(2.23)

e ξ de satisfazer a condicao de compatibilidade:

ξ = m(ξ) := Σρl

∫yuel ,ξ(y)dy. (2.24)

Analogamente temos que se U(y) = y3 − y, ξ = 0 e uma solucao trivial da equacao

(2.24), e pode ser mostrado ainda atraves de uma extensao do caso homegeneo [9] que

existem duas solucoes nao triviais uel ,ξ e uel ,−ξ se e somente se ddξm(0) > 1 e como no

caso homogeneo, podemos determinar uma aproximacao para condicao de equilıbrio

para pequeno valores de h.

Proposicao 2.4.2 A condicao de compatibilidade (2.24) possui solucoes nao nulas se e

somente se σ < σc e para pequeno valores de h, σc posssui a seguinte expansao

σc =

√√√√ K∑l=1

ρlΘl

/

K∑l=1

3ρl2Θ2

l

+O(h). (2.25)

Nesse caso as solucoes nao nulas ±ξ podem ser calculadas aproximadamente para

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pequenos valores de h e sao dadas por:

±ξ = ±

√√√√ K∑l=1

ρlΘl

(1− 3

3σ2

2Θl

)/

K∑l=1

ρlΘl

+O(h). (2.26)

2.5 Modelo de Grupos

Nesta secao vamos analisar um caso especial muito interessante o qual denominamos

por modelo de grupos. Neste caso o processo e dividido em dois ou mais grupos onde

cada agente ira pertencer a um desses grupos. As interacoes ocorrem de modo que, cada

agente interage com o grupo ao qual pertence com taxa θ e com os demais grupos com

a taxa θ tal que, θ > θ.

Antes de detalhar este modelo vamos citar as principais caracterısticas que tornam

seu estudo relevante.

Pode-se ter interesse em estudar um sistema com as seguintes caracterısticas:

• O sistema e formado por dois ou mais grupos com tendencias opostas, isto e, cada

grupo possui um comportamento diferente dos demais.

• O grau de interacao de cada agente com seu propio grupo e maior do que com os

demais grupos.

portanto, propor um modelo que seja sensıvel a essas informacoes proporciona uma

modelagem mais apurada e eficiente.

2.5.1 Analise do Modelo de Grupos

A analise deste modelo sera feita a seguir para um caso particular onde separamos o

sistema em dois grupos, ou seja, o sistema e dividido em dois grupos onde metade das

componentes se encontra no grupo 1 e a outra metade no grupo 2.

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Um modelo que possui as caracterısticas desejadas pode ser descrito matematicamente

pelo sistema de equacoes diferenciais estocasticas de Ito (2.27) caso xj(t) pertenca ao

grupo 1 ou por (2.28) caso contrario:

dxj(t) = −hU(xj(t))dt+ θ(x1(t)− xj(t))dt+ θ(x2(t)− xj(t))dt+ σdBj(t) (2.27)

dxj(t) = −hU(xj(t))dt+ θ(x2(t)− xj(t))dt+ θ(x1(t)− xj(t))dt+ σdBj(t),(2.28)

para j ∈ x1, media do grupo 1 e para j ∈ x2, media do grupo 2.

A seguir vamos propor as solucoes esperadas de (2.27) e (2.28), que pode ser visto

como uma extensao dos Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 para o modelo de grupos. Estamos

interessados nas solucoes nao triviais desse sistema e como nos casos anteriores estudamos

o processo a valores no espaco das medidas.

Assuma que a forca seja dada por U(y) = y3 − y e que (X(1)N (0), X

(2)N (0)) convirja

fracamente para as medidas de probabilidade ν1, ν2. Neste modelo, separamos as

componentes em dois conjuntos disjuntos, de modo que metade dos componentes pertenca

ao grupo 1 e a outra metade pertenca ao grupo 2, onde as interacoes sao dadas como

anteriormente. No limite quando N → ∞ os processos X(1)N e X

(2)N , que representam a

medida empırica do grupo 1 e 2 respectivamente e tomam valores em M1(R) convergem

fracamente para um sistema determinıstico com densidades u1(t, y), u2(t, y) ∈ C([0, T ],

M1(R)),

∂tu1 = h

∂y[U(y)u1]− θ ∂

∂y

[∫ ∞−∞

yu1(t, y)dy − y]u1

− θ ∂

∂y

[∫ ∞−∞

yu2(t, y)dy − y]u1

+

1

2σ2 ∂

2

∂y2u1,

∂tu2 = h

∂y[U(y)u2]− θ ∂

∂y

[∫ ∞−∞

yu2(t, y)dy − y]u2

− θ ∂

∂y

[∫ ∞−∞

yu1(t, y)dy − y]u2

+

1

2σ2 ∂

2

∂y2u2,

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onde ν1 e ν2 sao as condicoes iniciais.

A relacao entre os parametros, a existencia de uma relacao entre sigma crıtico σc em

funcao de θ e θ e as solucoes aproximadas ainda estao em desenvolvimento. Observe

ainda que podemos ampliar essa versao do modelo de grupos separando os agentes em

mais de dois grupos, a extensao e a analise deste caso ainda estao em desenvolvimento.

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Capıtulo 3

Grandes Desvios e Simulacoes

3.1 Grandes Desvios

No capıtulo anterior foi mostrado que para valores de N grande a medida empırica

XN(t, dy) converge em probabilidade para a solucao da equacao de Fokker - Planck (2.9)

e neste caso a media empırica x(t) permanece em torno do momento de primeira ordem∫∞−∞ yu(t, y)dy. Observe que se as condicoes de existencia dos dois estados de equilıbrio

for satisfeita, x(t) permanecera na regiao +ξ em torno de +1 ou −ξ em torno de

−1 por determinado intervalo de tempo para valores pequenos de h.

Uma transicao sistemica e um evento no qual x(t) e deslocado da regiao +ξ para

a regiao −ξ, ou seja, a transicao de um grande numero de agentes de uma regiao para

outra em um intervalo de tempo finito. Nosso interesse e calcular a probabilidade de

transicao para valores de N grande.

Dado um horizonte de tempo finito [0,T], os parametros (h, σ, θ) e as devidas condicoes

de existencia para o equilıbrio bi-estavel. Queremos calcular uma aproximacao da

probabilidade de transicao da media entre uma regiao estavel e outra

P (x(0) ∈ −ξ, x(T ) ∈ +ξ) (3.1)

como funcao dos parametros (h, θ, σ) para N grande.

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3.2 Grandes Desvios via Campo Medio

Nesta secao vamos calcular a probabilidade de transicao assintotica usando a teoria

de grandes desvios desenvolvida no artigo de Dawson e Gartner [5]. Porem, antes de

estabelecer a teoria de grandes desvios iremos rever algumas notacoes e terminologias

definidas em [5].

• M1(R) e o espaco das medidas de probabilidade em R munido da metrica de

Prohorov ρ, associada a convergencia fraca.

• C([0, T ],M1(R)) e o espaco das funcoes contınuas f : [0, T ]→M1(R) com a metrica

sup0≤t≤T ρ(φ1(t), φ2(t)).

• MϕR(R) = µ ∈ M1(R),

∫ϕ(x)µ(dx) ≤ R, onde ϕ ∈ C2(R) e uma funcao nao-

negativa com limx→∞ ϕ(x) =∞. Neste artigo [5] foi mostrado que se U(x) = x3−x,

a funcao ϕ adequada e dada por ϕ(x) = 1 + x2 + γx4, onde 0 ≤ γ ≤ h/2.

• M∞(R) = ∪R>0MϕR(R) = µ ∈ M1(R),

∫ϕ(x)µ(dx) < ∞ munido com a

topologia indutiva: µn → µ em M∞(R) se e somente se µn → µ em M1(R) e

supn∫ϕ(x)µn(dx) <∞.

• C([0, T ],M∞(R)) e o espaco das funcoes contınuas f : [0, T ] → M∞(R) munido

com a topologia: φn(.) → φ(.) em C([0, T ],M∞(R)) se e somente se φn(.) → φ(.)

em C([0, T ],M1(R)) e o sup0≤t≤T supn∫ϕ(x)φn(t, dx) <∞.

• Dado ν ∈ M∞(R) e seja εν = φ ∈ C([0, T ],M∞(R)) : φ(0) = ν, munido com a

topologia relativa.

Para simplificar a notacao, reescrevemos (2.1) como ut = L∗uu+ hM∗u, onde

L∗ψφ =1

2σ2φxx + θ

∂x

[x−

∫xψ(t, x)dx

, M∗φ =

∂x[U(x)φ].

Teorema 3.2.1 (Dawson e Gartner, 1987) Dado um horizonte de tempo finito [0,T],

ν ∈M∞(R) e A ⊆ εν, se XN(0) = 1N

∑Nj=1 δxj(0) → ν em M∞(R) quando N →∞, entao

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a lei de XN(t) = 1N

∑Nj=1 δxj(t) satisfaz o princıpio dos grandes desvios com uma funcao

taxa Ih isto e:

− infφ∈Ao

Ih(φ) ≤ lim infN→∞

1

NlogP (XN ∈ A) (3.2)

≤ lim supN→∞

1

NlogP (XN ∈ A) ≤ − inf

φ∈AIh(φ),

onde Ao e A representam respectivamente o interior e o fecho de A, e

Ih(φ) =1

2σ2

∫ T

0

supf :〈φ,f2x〉6=0

Jh(φ, f)dt,

Jh(φ, f) = 〈φt − L∗φ− hM∗φ, f〉2/〈φ, f 2x〉, 〈φ, f〉 =

∫ +∞

−∞f(x)φ(dx),

se φ(t) e absolutamente contınua ∀ t ∈ [0, T ] e Ih(φ) =∞ caso contrario.

Antes de aplicarmos o Teorema 3.1.2, considere ν = ue−ξ em (2.13) e o conjunto

definido a seguir

A = φ ∈ εν : φ(T ) = ueξ.

Observe que Ao e um conjunto vazio, e o Teorema 3.1.2 nos proporciona uma cota inferior

trivial para a probabilidade em questao. Portanto, vamos considerar o conjunto Aδ

Aδ = φ ∈ εν : ρ(φ(T ), ueε) ≤ δ.

O Teorema 3.2.1 implica que

− infφ∈Aoδ

Ih(φ) ≤ lim infN→∞

1

NlogP (XN ∈ Aδ) (3.3)

≤ lim supN→∞

1

NlogP (XN ∈ Aδ) ≤ − inf

φ∈AδIh(φ).

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Alem disso, vamos mostrar que infφ∈Aδ pode ser limitado por baixo pelo infφ∈A Ih(φ)

quando δ → 0.

Lema 3.1 Por definicao infφ∈Aδ Ih(φ) e crescente e limitado por cima pelo infφ∈A Ih(φ).

E alem disso,

limδ→0

infφ∈Aδ

Ih(φ) ≥ infφ∈A

Ih(φ). (3.4)

Demonstracao 7 Vamos mostrar para um caso particular porem suficiente que e o caso

em que δ = 1/n. Para cada n, seja φn ∈ A1/n, tal que infφ∈A1/nIh(φ) ≤ Ih(φn) <

infφ∈A1/nIh(φ) + 1/n; onde Ih(φn) e limitada por cima pelo infφ∈A Ih(φ) + 1 < ∞.

Seja Ih uma funcao taxa apropriada (satisfazendo o Teorema 3.2.1), e pela proposicao

B.13 de [18], o criterio de compacidade equivale para a sequencia de compactos em

C([0, T ],M∞(R)), ou seja, φn possui uma subsequencia convergente φnk cujo limite

φ∗ pertence ao conjunto A. Como Ih e uma funcao semicontınua e decrescente, entao

limn

infφ∈A1/n

Ih(φ) = limkIh(φnk) = lim inf

kIh(φnk) ≥ Ih(φ

∗) ≥ infφ∈A

Ih(φ). (3.5)

Combinando o lema 3.1 e o fato que infφ∈Aoδ Ih(φ) ≤ infφ∈A Ih(φ) temos que, para

ε > 0 qualquer, e δ > 0 suficientemente pequeno

− infφ∈A

Ih(φ) ≤ lim infN→∞

1

NlogP (XN ∈ Aδ) (3.6)

≤ lim supN→∞

1

NlogP (XN ∈ Aδ) ≤ − inf

φ∈AIh(φ) + ε.

Portanto, para N grande e δ suficientemente pequeno:

P (XN ∈ Aδ) ≈ exp

(−N inf

φ∈AIh(φ)

). (3.7)

Esse resultado nos mostra que as trajetorias da media empırica em sistemas com um

grande numero de componentes possui um comportamento metaestavel, tal resultado

pode ser verificado nas simulacoes numericas seguir.

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3.3 Simulacoes Numericas

Nesta secao vamos simular cada um dos modelos apresentados nesta dissertacao e

interpretar o seu comportamento de acordo com a escolha dos parametros. As simulacoes

apresentadas a seguir foram feitas utilizando o esquema de Euler onde discretizamos

as equacoes (2.1), (2.2) e (2.28) em uma grade de tempo uniforme, de modo que, Xnj

representa a simulacao de Xj no intervalo de tempo n∆t ∀j = 1, . . . , n. Por exemplo, na

equacao (2.1) temos a seguinte discretizacao:

Xn+1j = Xn

j − hU(Xnj )∆t+ σ∆Bn+1

j + θ(1

N

N∑k=1

Xnk −Xn

j )∆t. (3.8)

E importante ressaltar que tanto as simulacoes do modelo de Ornstein-Uhlenbeck

apresentadas no capıtulo 1 quanto as simulacoes do modelo simplificado apresentadas a

seguir descrevem a trajetoria temporal individual de cada componente. No entanto, as

simulacoes apresentadas para o modelo principal e para o modelo de grupos descrevem

o comportamento da media empırica do sistema.

3.3.1 Modelo Simplificado

Observe a seguir o efeito ao aumentar os valores de N e θ. Assim como simulado no

capitulo 1 o sistema fica mais concentrado em torno do seu valor inicial −1.

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Figura 3.1: σ = 1, θ = 1, N = 10, h = 0.1.

Figura 3.2: σ = 1, θ = 6, N = 10, h = 0.1.

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Figura 3.3: σ = 1, θ = 1, N = 50, h = 0.1.

Figura 3.4: σ = 1, θ = 6, N = 50, h = 0.1.

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Figura 3.5: σ = 1, θ = 6, N = 100, h = 0.1.

3.3.2 Modelo Principal

A seguir mostramos o comportamento do modelo principal quando aumentamos o

valor de θ. Note que, a medida que o numero de interacoes aumenta se torna mais facil

de visualizar as duas regioes estaveis do sistema.

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Figura 3.6: σ = 1, θ = 1.5, N = 100, h = 0.1.

Figura 3.7: σ = 1, θ = 6, N = 100, h = 0.1.

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Figura 3.8: σ = 1, θ = 1.5, N = 100, h = 0.1.

Figura 3.9: σ = 1, θ = 6, N = 100, h = 0.1.

3.3.3 Modelo de Grupos

Assim como no modelo principal vamos simular o comportamento da media empırica

do sistema e observar seu comportamento quando se aumenta os valores de θ1 e θ2.

As simulacoes 3.10 e 3.11 mostram o comportamento da media epırica de todas as

componentes do sistema enquanto 3.12 representa o comportamento das componentes

que pertencem ao grupo 1 e ao grupo 2 separadamente. A figura 3.12 deixa claro a

diferenca entre o comportamento do gupo 1 e 2.

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Figura 3.10: σ = 1, θ = 6, θ = 1.5, N = 100, h = 0.1.

Figura 3.11: σ = 1, θ = 6, θ = 0.5, N = 100, h = 0.1.

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Figura 3.12: σ = 1, θ = 6, θ = 1.5, N = 100, h = 0.1.

Figura 3.13: σ = 1, θ = 6, θ = 0.5N = 100, h = 0.1.

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Apendice A:

3.4 Codigo da Simulacao em Matlab

[language= MATLAB]

functionr = OUMF (sigma, theta,mu)

N=100; X= -ones(N,1); dt=.02; h=.1; sigma=1; theta=6; n=1; passos=100; while

n¡passos for i=1:N W(i,1)=sqrt(dt)*randn(); end

X(:,n+1)=X(:,n) + sigma*W - theta*(X(:,n) - mu)*dt; n=n+1; end

k=1:passos; t=k*(dt);

plot(t,X) r=0;

[language= MATLAB]functionr = OUMF (sigma, theta,mu)N = 100;

X = −ones(N, 1);dt = .02;h = .1;sigma = 1;theta = 6;n = 1;passos = 100;while n < passosfor i = 1 : NW (i, 1) = sqrt(dt) ∗ randn();end

X(:, n+ 1) = X(:, n) + sigma ∗W − theta ∗ (X(:, n)−mu) ∗ dt;

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n = n+ 1;end

k = 1 : passos;t = k ∗ (dt);

plot(t,X)r = 0;

end

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