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AI 2026.04.28 · 11 min read Advanced

이토 공식은 왜 2차 항을 버리지 않는가

브라운 운동의 이차변분이 결정론과 다른 이유부터 Doléans-Dade 지수와 Black-Scholes PDE까지, 이토 공식의 통일된 논리를 추적한다.


결정론적 미적분에서 (Δx)2(\Delta x)^2O((Δt)2)O((\Delta t)^2)이므로 Taylor 전개의 2차 항은 극한에서 사라진다. 그런데 브라운 운동에서는 (ΔB)2O(Δt)(\Delta B)^2 \sim O(\Delta t)로, 2차 항이 죽지 않는다. 이 단순한 사실 하나가 이토 공식 전체를 만들어내고, 나아가 Score-SDE와 DDPM의 역방향 과정까지 이어진다. 왜 브라운 운동에서만 2차 항이 살아남는가?

브라운 운동은 결정론과 수렴 속도가 다르다

결정론에서 x(t)x(t)가 미분가능하면 연쇄법칙은 1차로 끝난다.

ddtf(x(t))=f(x(t))x˙(t)\frac{d}{dt}f(x(t)) = f'(x(t))\dot{x}(t)

브라운 운동 BtB_t에 같은 Taylor 전개를 시도하면 2차 항이 남는다.

df(Bt)=f(Bt)dBt+12f(Bt)dtdf(B_t) = f'(B_t)\,dB_t + \frac{1}{2}f''(B_t)\,dt

왜냐하면 ΔBtN(0,Δt)\Delta B_t \sim N(0, \Delta t)이므로 E[(ΔBt)2]=Δt\mathbb{E}[(\Delta B_t)^2] = \Delta t다. 제곱이 (Δt)2(\Delta t)^2이 아니라 Δt\Delta t로 수렴한다. 따라서 Taylor 전개의 2차 항이 극한에서 유한한 값으로 남는다.

이것이 이차변분(quadratic variation) 정리의 핵심이다. 분할 πn\pi_n의 메시 πn0|\pi_n| \to 0일 때,

i=0n1(ΔBi)2L2T\sum_{i=0}^{n-1}(\Delta B_i)^2 \xrightarrow{L^2} T

수렴 속도는 Var[Qn]=2πnT0\mathrm{Var}[Q_n] = 2|\pi_n|T \to 0으로, 분할을 잘게 쪼갤수록 QnQ_nTT에 집중된다. 결정론적 함수의 이차변분이 0인 것과 정반대다.

명제 1 · 이차변분과 곱셈표

브라운 운동 BtB_t에 대해 다음 곱셈표가 이토 의미에서 성립한다.

dBtdBt=dt,dBtdt=0,dtdt=0dB_t \cdot dB_t = dt, \qquad dB_t \cdot dt = 0, \qquad dt \cdot dt = 0

▷ 증명

첫 번째 등식은 이차변분 정리(QnL2TQ_n \xrightarrow{L^2} T)로부터 직접 나온다. 두 번째는 ΔtΔB(Δt)3/2\Delta t \cdot \Delta B \sim (\Delta t)^{3/2}이므로 합산 시 0으로 수렴한다. 세 번째는 (Δt)2(\Delta t)^2의 합이 πnT0|\pi_n| \cdot T \to 0임에서 따른다.

이토 공식의 구조

일반 이토 과정 dXt=bdt+σdBtdX_t = b\,dt + \sigma\,dB_tfC2f \in C^2를 적용하면:

df(Xt)=f(Xt)dXt+12f(Xt)σ2dtdf(X_t) = f'(X_t)\,dX_t + \frac{1}{2}f''(X_t)\,\sigma^2\,dt

전개하면:

df(Xt)=f(Xt)bdt+f(Xt)σdBt1차 항+12f(Xt)σ2dt이차변분 기여df(X_t) = \underbrace{f'(X_t)b\,dt + f'(X_t)\sigma\,dB_t}_{\text{1차 항}} + \underbrace{\frac{1}{2}f''(X_t)\sigma^2\,dt}_{\text{이차변분 기여}}

표준적인 두 예시로 확인하자.

f(x)=x2f(x) = x^2이면 d(Bt2)=2BtdBt+dtd(B_t^2) = 2B_t\,dB_t + dt. 기댓값을 취하면 E[Bt2]=t\mathbb{E}[B_t^2] = t가 확인된다. 이토 적분 항은 마팅게일이므로 기댓값 기여가 0이다.

f(x)=logxf(x) = \log xdSt=μStdt+σStdBtdS_t = \mu S_t\,dt + \sigma S_t\,dB_t에 적용하면:

d(logSt)=(μσ22)dt+σdBtd(\log S_t) = \left(\mu - \frac{\sigma^2}{2}\right)dt + \sigma\,dB_t

따라서 기하 브라운 운동(GBM)의 명시 해가 나온다.

St=S0exp ⁣( ⁣(μσ22)t+σBt)S_t = S_0\exp\!\left(\!\left(\mu - \frac{\sigma^2}{2}\right)t + \sigma B_t\right)

σ2/2-\sigma^2/2는 이차변분이 만드는 드리프트 보정이다. 이 항을 빠뜨리면 E[St]\mathbb{E}[S_t]의 계산이 틀린다.

다차원으로의 확장과 Trace 항

dd차원 상태 벡터 XtRdX_t \in \mathbb{R}^d를 다루는 Score-SDE나 DDPM에서는 다차원 이토 공식이 필요하다.

df(t,Xt)=(tf+bTf+12tr(σσT2f))dt+(σTf)TdBtdf(t, X_t) = \left(\partial_t f + b^T\nabla f + \frac{1}{2}\mathrm{tr}(\sigma\sigma^T\nabla^2 f)\right)dt + (\sigma^T\nabla f)^T dB_t

새롭게 등장하는 항은 두 가지다. 첫째, 명시적 시간 의존 tf\partial_t f. 둘째, Trace 항 12tr(σσT2f)\frac{1}{2}\mathrm{tr}(\sigma\sigma^T\nabla^2 f). 이 Trace 항은 서로 다른 축의 노이즈가 독립이라는 사실에서 온다. dBidBj=δijdtdB^i \cdot dB^j = \delta_{ij}\,dt이므로 교차항은 소멸하고 대각 항만 살아남아 Trace가 된다.

DDPM forward 과정 dX=βt2Xdt+βtdBdX = -\frac{\beta_t}{2}X\,dt + \sqrt{\beta_t}\,dB에서 Xt2\|X_t\|^2의 드리프트를 계산하면:

d(Xt2)의 drift=βtXt2+dβtd(\|X_t\|^2) \text{의 drift} = -\beta_t\|X_t\|^2 + d\beta_t

dβtd\beta_t는 Trace 항에서 온다. 이 구조가 variance schedule 설계의 근거다.

Doléans-Dade 지수 — 드리프트를 지우는 보정

이토 공식을 역으로 활용하면 특별한 마팅게일을 만들 수 있다. eMte^{M_t}에 이토 공식을 적용하면 드리프트 항이 생긴다. 이것을 정확히 상쇄하는 보정항을 붙인 것이 Doléans-Dade 지수다.

E(M)t:=exp ⁣(Mt12Mt)\mathcal{E}(M)_t := \exp\!\left(M_t - \frac{1}{2}\langle M\rangle_t\right)

정리 2 · 확률 지수 마팅게일

연속 국소 마팅게일 MtM_t (M0=0M_0 = 0)에 대해 dE(M)t=E(M)tdMtd\mathcal{E}(M)_t = \mathcal{E}(M)_t\,dM_t가 성립한다. Novikov 조건 E[exp(12MT)]<\mathbb{E}[\exp(\frac{1}{2}\langle M\rangle_T)] < \infty를 만족하면 E(M)\mathcal{E}(M)은 진정 마팅게일이다.

▷ 증명

f(u,v)=euv/2f(u, v) = e^{u - v/2}로 쓰고 이토 공식을 적용한다. uf=euv/2\partial_u f = e^{u-v/2}, vf=12euv/2\partial_v f = -\frac{1}{2}e^{u-v/2}, uuf=euv/2\partial_{uu} f = e^{u-v/2}. 드리프트 항을 모으면 (12+12)eMM/2dM=0(-\frac{1}{2} + \frac{1}{2})e^{M-\langle M\rangle/2}\,d\langle M\rangle = 0이 되어 드리프트가 정확히 소멸한다.

Girsanov 정리는 이 구조의 직접적 응용이다. θt=μ/σ\theta_t = \mu/\sigma로 설정하면 Radon-Nikodym 밀도

dP~dPFt=E ⁣(0tθsdBs)t\frac{d\tilde{\mathbb{P}}}{d\mathbb{P}}\bigg|_{\mathcal{F}_t} = \mathcal{E}\!\left(-\int_0^t\theta_s\,dB_s\right)_t

가 측도 P~\tilde{\mathbb{P}} 아래에서 원래 과정의 drift를 제거한다. Score-SDE에서 forward SDE를 reverse SDE로 변환할 때 쓰이는 likelihood weighting이 바로 이 형태다.

트레이드오프

이토 공식은 fC2f \in C^2 정규성을 요구한다. x|x|x1.5x^{1.5} 같은 비정수 거듭제곱은 직접 적용 불가다. 또한 점프(jump)가 있는 Lévy 과정으로 넘어가면 이차변분이 연속 부분과 점프 부분으로 분해되어 보정 항이 추가된다. 생성모델에서 continuous diffusion 가정을 벗어나면 이 한계에 직접 부딪힌다.

Black-Scholes PDE — SDE와 PDE의 연결

이토 공식의 응용 중 가장 구조적인 것이 Black-Scholes PDE 유도다. V(t,St)V(t, S_t)에 다차원 이토 공식을 적용하면:

dV=(tV+μSSV+12σ2S2SSV)dt+σSSVdBtdV = \left(\partial_t V + \mu S\,\partial_S V + \frac{1}{2}\sigma^2 S^2\,\partial_{SS}V\right)dt + \sigma S\,\partial_S V\,dB_t

Δ=SV\Delta = \partial_S V로 설정하면 포트폴리오 Π=VΔS\Pi = V - \Delta S에서 노이즈 항이 소멸한다. 무위험 조건 dΠ=rΠdtd\Pi = r\Pi\,dt를 적용하면:

tV+12σ2S2SSV+rSSVrV=0\partial_t V + \frac{1}{2}\sigma^2 S^2\,\partial_{SS}V + rS\,\partial_S V - rV = 0

이것이 Black-Scholes PDE다. SDE의 이차변분 항 12σ2S2SSV\frac{1}{2}\sigma^2 S^2\,\partial_{SS}V가 PDE의 핵심 항으로 그대로 등장한다. 확률 세계의 노이즈 축적이 결정론적 방정식의 2차 미분으로 번역되는 순간이다.

정리

  • 브라운 운동에서 (ΔB)2Δt(\Delta B)^2 \sim \Delta t이므로 Taylor 2차 항이 살아남고, 이것이 이토 공식의 12fσ2dt\frac{1}{2}f''\sigma^2\,dt 항을 만든다.
  • 이차변분 정리 (ΔBi)2L2T\sum(\Delta B_i)^2 \xrightarrow{L^2} T는 곱셈표 (dB)2=dt(dB)^2 = dt를 엄밀하게 정당화한다.
  • Doléans-Dade 지수 E(M)t=eMt12Mt\mathcal{E}(M)_t = e^{M_t - \frac{1}{2}\langle M\rangle_t}는 이차변분이 만드는 드리프트를 정확히 보정하여 마팅게일을 구성하며, Girsanov 정리를 통해 Score-SDE의 측도 변환으로 이어진다.
  • Black-Scholes PDE의 2차 미분 항은 SDE의 이차변분 항이 결정론적 방정식으로 번역된 것이다.