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Calcul stochastique pour la finance

L’intégrale stochastique d’Itô

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Calcul stochastique pour la finance

Chapitre 5 : L’intégrale stochastique d’Itô

Auteur·rice
Affiliation

Jaouad Madkour

Faculté d’Économie et de Gestion de Tanger

Date de publication

25 septembre 2026

Avant de commencer

L’objet manquant

Le chapitre 4 a écrit dX = a\,dt + b\,dW en précisant que cette écriture n’a de sens que par sa forme intégrale. Il reste à définir

\int_0^t b(X_s,s)\,dW_s.

L’intégrale usuelle échoue

La variation totale

Variation totale d’une fonction

V(g) = \sup \sum_k \big|g(t_{k+1}) - g(t_k)\big| . L’intégrale de Riemann-Stieltjes \int f\,dg est définie dès que V(g) est finie.

Le brownien n’y satisfait pas

Sur n intervalles, chaque accroissement est d’ordre \sqrt{1/n}, et il y en a n : la somme est d’ordre n \cdot n^{-1/2} = \sqrt{n} \to \infty. La variation totale du brownien est infinie.

Ce qui reste possible

La variation quadratique, elle, est finie et vaut t (chapitre 1). C’est sur elle que reposera toute la construction.

Le programme

Puisque l’intégrale ne peut pas être définie trajectoire par trajectoire, on la définit en moyenne quadratique : comme limite dans L^2 de sommes discrètes.

La construction

Les processus étagés

On commence par les intégrandes les plus simples : ceux qui sont constants sur chaque intervalle d’une subdivision.

Intégrale d’un processus étagé

Si b vaut b_k sur [t_k,\,t_{k+1}], on pose \int_0^t b_s\,dW_s \ = \ \sum_k b_{k}\,\big(W_{t_{k+1}} - W_{t_k}\big).

On étend ensuite par passage à la limite aux intégrandes généraux, en approchant b par des processus étagés.

Le choix du point d’évaluation

Une somme de Riemann laisse libre le point où l’on évalue l’intégrande dans chaque intervalle. Pour une fonction régulière, ce choix est sans conséquence. Ici, il en a une.

Convention d’Itô

On évalue toujours l’intégrande au point gauche : b_{t_k}, et jamais b_{t_{k+1}} ni b au milieu.

Ce que ce choix veut dire

Une convention qui est un principe économique

b_{t_k} est la position détenue au début de l’intervalle : elle est décidée avant d’observer le mouvement du marché. Le point droit reviendrait à choisir sa position en connaissant déjà la variation à venir. La convention d’Itô est l’interdiction de la clairvoyance — c’est ce qui la rend seule admissible en finance.

Les propriétés

Trois résultats essentiels

Sous des conditions d’intégrabilité usuelles :

  1. Espérance nulle : \mathrm{E}\Big[\displaystyle\int_0^t b_s\,dW_s\Big] = 0.
  2. Isométrie d’Itô : \mathrm{E}\Big[\Big(\displaystyle\int_0^t b_s\,dW_s\Big)^{\!2}\Big] = \mathrm{E}\Big[\displaystyle\int_0^t b_s^2\,ds\Big].
  3. L’intégrale, vue comme processus en t, est une martingale.
Lecture
  1. et (3) découlent du point gauche : b_{t_k} est connu quand W_{t_{k+1}}-W_{t_k} survient, et cet accroissement est centré et indépendant. (2) transforme un calcul de variance stochastique en une intégrale ordinaire — c’est l’outil de travail.

Itô ou Stratonovich

L’autre convention

En évaluant l’intégrande au milieu de chaque intervalle, on obtient l’intégrale de Stratonovich, notée \int b \circ dW. Elle obéit aux règles du calcul classique — mais elle n’est plus une martingale, et elle anticipe.

Pourquoi la finance choisit Itô

La physique préfère souvent Stratonovich, dont les règles sont plus commodes. La finance ne le peut pas : un modèle où l’on décide en connaissant l’avenir autorise des profits sans risque. On accepte donc un calcul plus lourd, contre un modèle honnête.

L’exemple qui doit surprendre

Calculer \int_0^t W_s\,dW_s

Le calcul classique donnerait \tfrac12 W_t^2. Vérifions. Partons de l’identité algébrique

W_{k+1}^2 - W_k^2 = 2\,W_k\big(W_{k+1}-W_k\big) + \big(W_{k+1}-W_k\big)^2 .

En sommant sur toute la subdivision :

W_t^2 = 2\sum_k W_{t_k}\big(W_{t_{k+1}}-W_{t_k}\big) + \sum_k \big(W_{t_{k+1}}-W_{t_k}\big)^2 .

Le terme surprise

La première somme tend vers 2\int_0^t W_s dW_s. La seconde est la variation quadratique : elle tend vers t. D’où :

Résultat

\int_0^t W_s\,dW_s \ = \ \frac{1}{2}W_t^2 \ - \ \frac{1}{2}\,t.

Ce qu’il faut en conclure

Le terme -t/2 n’a aucun équivalent en calcul classique. Il ne vient pas d’une erreur : il vient de ce que la somme des carrés ne s’annule pas. Ce terme est le premier lemme d’Itô rencontré. Le chapitre 6 le généralise.

Vérification par l’espérance

Puisque \mathrm{E}\big[\int W\,dW\big] = 0, la formule impose \mathrm{E}(W_t^2) = t — ce qui est exact.

Le contrôle qui rassure

Si l’on avait gardé la formule classique \tfrac12 W_t^2, son espérance vaudrait t/2 \ne 0 : l’intégrale stochastique ne serait plus centrée, et perdrait sa propriété de martingale. Le terme correcteur n’est pas facultatif.

Synthèse

Ce qu’il faut retenir

L’essentiel du chapitre 5
  • L’intégrale de Riemann-Stieltjes est inutilisable : la variation totale du brownien est infinie.
  • L’intégrale d’Itô se construit dans L^2, à partir des processus étagés.
  • L’intégrande est évalué au point gauche : on décide avant d’observer.
  • Elle est centrée, c’est une martingale, et l’isométrie d’Itô donne sa variance.
  • \int_0^t W\,dW = \tfrac12 W_t^2 - \tfrac12 t : le terme -t/2 annonce le lemme d’Itô.
Vers la partie III

Nous savons intégrer. Il reste à savoir dériver — c’est-à-dire à trouver comment se comporte f(X_t) quand X obéit à une EDS. C’est le lemme d’Itô, et il ouvre immédiatement la voie au prix d’une action.

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Ressources du chapitre

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