결정론적 미적분에서 (Δx)2은 O((Δt)2)이므로 Taylor 전개의 2차 항은 극한에서 사라진다. 그런데 브라운 운동에서는 (ΔB)2∼O(Δt)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)가 미분가능하면 연쇄법칙은 1차로 끝난다.
dtdf(x(t))=f′(x(t))x˙(t)
브라운 운동 Bt에 같은 Taylor 전개를 시도하면 2차 항이 남는다.
df(Bt)=f′(Bt)dBt+21f′′(Bt)dt
왜냐하면 ΔBt∼N(0,Δt)이므로 E[(ΔBt)2]=Δt다. 제곱이 (Δt)2이 아니라 Δt로 수렴한다. 따라서 Taylor 전개의 2차 항이 극한에서 유한한 값으로 남는다.
이것이 이차변분(quadratic variation) 정리의 핵심이다. 분할 πn의 메시 ∣πn∣→0일 때,
∑i=0n−1(ΔBi)2L2T
수렴 속도는 Var[Qn]=2∣πn∣T→0으로, 분할을 잘게 쪼갤수록 Qn이 T에 집중된다. 결정론적 함수의 이차변분이 0인 것과 정반대다.
명제 1
· 이차변분과 곱셈표
브라운 운동 Bt에 대해 다음 곱셈표가 이토 의미에서 성립한다.
dBt⋅dBt=dt,dBt⋅dt=0,dt⋅dt=0
▷ 증명
첫 번째 등식은 이차변분 정리(QnL2T)로부터 직접 나온다. 두 번째는 Δt⋅ΔB∼(Δt)3/2이므로 합산 시 0으로 수렴한다. 세 번째는 (Δt)2의 합이 ∣πn∣⋅T→0임에서 따른다.
−σ2/2는 이차변분이 만드는 드리프트 보정이다. 이 항을 빠뜨리면 E[St]의 계산이 틀린다.
다차원으로의 확장과 Trace 항
d차원 상태 벡터 Xt∈Rd를 다루는 Score-SDE나 DDPM에서는 다차원 이토 공식이 필요하다.
df(t,Xt)=(∂tf+bT∇f+21tr(σσT∇2f))dt+(σT∇f)TdBt
새롭게 등장하는 항은 두 가지다. 첫째, 명시적 시간 의존∂tf. 둘째, Trace 항21tr(σσT∇2f). 이 Trace 항은 서로 다른 축의 노이즈가 독립이라는 사실에서 온다. dBi⋅dBj=δijdt이므로 교차항은 소멸하고 대각 항만 살아남아 Trace가 된다.
DDPM forward 과정 dX=−2βtXdt+βtdB에서 ∥Xt∥2의 드리프트를 계산하면:
d(∥Xt∥2)의 drift=−βt∥Xt∥2+dβt
dβt는 Trace 항에서 온다. 이 구조가 variance schedule 설계의 근거다.
Doléans-Dade 지수 — 드리프트를 지우는 보정
이토 공식을 역으로 활용하면 특별한 마팅게일을 만들 수 있다. eMt에 이토 공식을 적용하면 드리프트 항이 생긴다. 이것을 정확히 상쇄하는 보정항을 붙인 것이 Doléans-Dade 지수다.
E(M)t:=exp(Mt−21⟨M⟩t)
정리 2
· 확률 지수 마팅게일
연속 국소 마팅게일 Mt (M0=0)에 대해 dE(M)t=E(M)tdMt가 성립한다. Novikov 조건 E[exp(21⟨M⟩T)]<∞를 만족하면 E(M)은 진정 마팅게일이다.
▷ 증명
f(u,v)=eu−v/2로 쓰고 이토 공식을 적용한다. ∂uf=eu−v/2, ∂vf=−21eu−v/2, ∂uuf=eu−v/2. 드리프트 항을 모으면 (−21+21)eM−⟨M⟩/2d⟨M⟩=0이 되어 드리프트가 정확히 소멸한다.
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Girsanov 정리는 이 구조의 직접적 응용이다. θt=μ/σ로 설정하면 Radon-Nikodym 밀도
dPdP~Ft=E(−∫0tθsdBs)t
가 측도 P~ 아래에서 원래 과정의 drift를 제거한다. Score-SDE에서 forward SDE를 reverse SDE로 변환할 때 쓰이는 likelihood weighting이 바로 이 형태다.
✎ 트레이드오프
이토 공식은 f∈C2 정규성을 요구한다. ∣x∣나 x1.5 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)에 다차원 이토 공식을 적용하면: