Considere
X
{\displaystyle X}
a difusão de Itō com valor em
R
n
{\displaystyle \mathbf {R} ^{n}}
que resolve a equação diferencial estocástica
d
X
t
=
b
(
X
t
)
d
t
+
σ
(
X
t
)
d
B
t
.
{\displaystyle \mathrm {d} X_{t}=b(X_{t})\,\mathrm {d} t+\sigma (X_{t})\,\mathrm {d} B_{t}.\ }
Para um ponto
x
∈
{\displaystyle x\in }
R
n
{\displaystyle \mathbf {R} ^{n}}
, considere que
P
x
{\displaystyle \mathbf {P} ^{x}}
denota a lei de
X
{\displaystyle X}
, sendo o dado inicial
X
0
=
x
{\displaystyle X_{0}=x}
, e que
E
x
{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}}
denota o valor esperado em relação a
P
x
{\displaystyle \mathbf {P} ^{x}}
.
Considere
A
{\displaystyle A}
o gerador infinitesimal de
X
{\displaystyle X}
, definido por sua ação em funções
C
2
{\displaystyle C^{2}}
compactamente suportadas (duplamente diferenciáveis com segunda derivada contínua)
f
:
R
n
→
R
{\displaystyle f:\mathbf {R} ^{n}\rightarrow \mathbf {R} }
, conforme
A
f
(
x
)
=
lim
t
↓
0
E
x
[
f
(
X
t
)
]
−
f
(
x
)
t
{\displaystyle Af(x)=\lim _{t\downarrow 0}{\frac {\mathbf {E} ^{x}[f(X_{t})]-f(x)}{t}}\ }
ou, equivalentemente,
A
f
(
x
)
=
∑
i
b
i
(
x
)
∂
f
∂
x
i
(
x
)
+
1
2
∑
i
,
j
(
σ
σ
⊤
)
i
,
j
(
x
)
∂
2
f
∂
x
i
∂
x
j
(
x
)
.
{\displaystyle Af(x)=\sum _{i}b_{i}(x){\frac {\partial f}{\partial x_{i}}}(x)+{\frac {1}{2}}\sum _{i,j}{\big (}\sigma \sigma ^{\top }{\big )}_{i,j}(x){\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{i}\,\partial x_{j}}}(x).\ }
Considere que
τ
{\displaystyle \tau }
é um tempo de parada com
E
x
[
τ
]
<
+
∞
{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}[\tau ]<+\infty }
e
f
{\displaystyle f}
é
C
2
{\displaystyle C^{2}}
com suporte compacto. Então, a fórmula de Dynkin afirma que:[ 1]
E
x
[
f
(
X
τ
)
]
=
f
(
x
)
+
E
x
[
∫
0
τ
A
f
(
X
s
)
d
s
]
.
{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}[f(X_{\tau })]=f(x)+\mathbf {E} ^{x}\left[\int _{0}^{\tau }Af(X_{s})\,\mathrm {d} s\right].\ }
Na verdade, se
τ
{\displaystyle \tau }
for o primeiro tempo de saída para um conjunto limitado
B
⊂
R
n
{\displaystyle B\subset \mathbf {R} ^{n}}
com
E
x
[
τ
]
<
+
∞
{\displaystyle \mathbf {E} ^{x}[\tau ]<+\infty }
, então, a fórmula de Dynkin se aplica para todas as funções
f
{\displaystyle f}
C
2
{\displaystyle C^{2}}
, sem o pressuposto do suporte compacto.
A fórmula de Dynkin pode ser usada para encontrar o primeiro tempo de saída esperado
t
K
{\displaystyle t_{K}}
do movimento browniano
B
{\displaystyle B}
da bola fechada
K
=
K
R
=
{
x
∈
R
n
|
|
x
|
≤
R
}
,
{\displaystyle K=K_{R}=\{x\in \mathbf {R} ^{n}|\,|x|\leq R\},}
que, quando
B
{\displaystyle B}
começa em um ponto
a
{\displaystyle a}
no interior de
K
{\displaystyle K}
, é dado por
E
a
[
τ
K
]
=
1
n
(
R
2
−
|
a
|
2
)
.
{\displaystyle \mathbf {E} ^{a}[\tau _{K}]={\frac {1}{n}}{\big (}R^{2}-|a|^{2}{\big )}.}
Escolha um número inteiro
j
{\displaystyle j}
. A estratégia é aplicar a fórmula de Dynkin com
X
=
B
{\displaystyle X=B}
,
τ
=
σ
j
=
min
(
j
,
τ
K
)
{\displaystyle \tau =\sigma j=\min(j,\tau _{K})}
e uma função
f
{\displaystyle f}
C
2
{\displaystyle C^{2}}
com
f
(
x
)
=
|
x
|
2
{\displaystyle f(x)=\left\vert x\right\vert ^{2}}
em
K
{\displaystyle K}
. O gerador do movimento browniano é
Δ
2
{\displaystyle {\frac {\Delta }{2}}}
, em que
Δ
{\displaystyle \Delta }
denota o operador de Laplace . Por isso, pela fórmula de Dynkin,
E
a
[
f
(
B
σ
j
)
]
{\displaystyle \mathbf {E} ^{a}\left[f{\big (}B_{\sigma _{j}}{\big )}\right]}
=
f
(
a
)
+
E
a
[
∫
0
σ
j
1
2
Δ
f
(
B
s
)
d
s
]
{\displaystyle =f(a)+\mathbf {E} ^{a}\left[\int _{0}^{\sigma _{j}}{\frac {1}{2}}\Delta f(B_{s})\,\mathrm {d} s\right]}
=
|
a
|
2
+
E
a
[
∫
0
σ
j
n
d
s
]
{\displaystyle =|a|^{2}+\mathbf {E} ^{a}\left[\int _{0}^{\sigma _{j}}n\,\mathrm {d} s\right]}
=
|
a
|
2
+
n
E
a
[
σ
j
]
.
{\displaystyle =|a|^{2}+n\mathbf {E} ^{a}[\sigma _{j}].}
Assim, para qualquer
j
{\displaystyle j}
,
E
a
[
σ
j
]
≤
1
n
(
R
2
−
|
a
|
2
)
.
{\displaystyle \mathbf {E} ^{a}[\sigma _{j}]\leq {\frac {1}{n}}{\big (}R^{2}-|a|^{2}{\big )}.}
Agora, considere
j
→
+
∞
{\displaystyle j\rightarrow +\infty }
para concluir que
τ
K
=
lim
j
→
+
∞
σ
j
<
+
∞
{\displaystyle \tau _{K}=\lim _{j\rightarrow +\infty }\sigma j<+\infty }
quase certamente e
E
a
[
τ
K
]
=
1
n
(
R
2
−
|
a
|
2
)
,
{\displaystyle \mathbf {E} ^{a}[\tau _{K}]={\frac {1}{n}}{\big (}R^{2}-|a|^{2}{\big )},}
como afirmado.[ 2]