布朗運動路徑的無界變差(unbounded variation)
隨機積分之所以必須從頭重新建構,原因藏在布朗運動樣本路徑的一個病態事實裡:它在每個區間上都具有無限的全變差(total variation)。若你想仿照對一般函數 f 定義 integral H_s df_s 的方式來定義 integral H_s dB_s,你會自然訴諸黎曼-斯蒂爾傑斯積分(Riemann-Stieltjes integral),而它的收斂恰恰要求積分子 f 具有界變差。布朗運動完全不滿足這個假設,因此古典的逐路徑建構根本不存在,於是一個全新的機率想法(建立在 L^2 等距上的伊藤積分)便被迫登場。
函數 f 在 [0, t] 上的全變差,是對所有分割 0 = t_0 < t_1 < ... < t_n = t,取 |f(t_k) - f(t_{k-1})| 之和的上確界。有界變差函數就是此上確界有限者;等價地,它是兩個遞增函數之差,黎曼-斯蒂爾傑斯積分(或在勒貝格觀點下,其對應的帶號測度)便對它有意義。對布朗運動而言情況恰恰相反:當分割的網目縮小時,絕對增量之和幾乎必然無界地增長,因此 t -> B_t 的全變差在每個區間上都是無限的,不論區間多短。與之相伴的深刻事實是:雖然一階和爆掉,二階和(增量平方之和)卻收斂到一個有限、確定的極限——二次變差 [B]_t = t。直觀上,布朗運動恰好「粗糙到一半」,不足以有界變差,卻又「恰好夠粗糙」而擁有非平凡的二次變差。
為何重要:無界變差並非技術細節,而是整個二階微積分的根源。由於 integral H dB 不能是逐路徑的黎曼-斯蒂爾傑斯積分,黎曼和中取值點的選擇(左端點還是中點)會真正改變結果,這正是伊藤積分(取左端點)與斯特拉托諾維奇積分(取中點)相異的原因。又因為 (dB)^2 表現得像 dt 而非可忽略,伊藤公式才帶有著名的二階修正項。誠實的提醒:連續過程可以有無界變差卻依然完全可處理;反之,任何有界變差的連續過程其二次變差為零,故對伊藤修正毫無貢獻。對連續路徑而言,有界變差與非平凡二次變差互斥。
把 [0, 1] 等分成 n 段。布朗增量絕對值之和 sum |B_{k/n} - B_{(k-1)/n}| 的期望約為 sqrt(2/pi) * sqrt(n),隨 n 增大趨於無窮——一階變差發散。但增量平方之和 sum (B_{k/n} - B_{(k-1)/n})^2 的期望恰為 1、變異數為 1/n 階,因此收斂到 1 = [B]_1——二階變差有限。
一階和發散(無界變差,故無黎曼-斯蒂爾傑斯積分);二階和收斂到 t(即驅動伊藤公式的二次變差)。
幾乎每條布朗路徑也處處不可微,這是同一種粗糙性的逐點表現;切勿寫 dB/dt——白噪音是廣義函數而非普通函數,integral H dB 必須作為整體來定義,而非寫成 integral H (dB/dt) dt。