二叉树无套利定价模型
使用二叉树是为了用股票和现金的组合来复制期权,使用的理论是无套利定价。
定理1.2.2(多时段期权复制方法)
定义:, 和
为衍生证券在时刻的支付(衍生证券的价格),每个都取决于前次抛硬币的结果,并且可以由下式倒推:
。
则,设且使用满足递归定义资产组合价值,则有:
第一章其实就是分析了具体的几个简单的二叉树例子,由这些例子推出了风险中性概率, , 并且发现的规律,然后由此引出了定理1.2.2,即按照以上发现的规律来构造二叉树模型,则可以通过股票和现金的组合复制期权,从而计算出衍生证券的价格。
抛掷硬币空间上的概率论
第二章由第一章的结论继续推进,首先根据风险中性概率测度推出贴现股票价格是一个鞅,然后推出贴现财富过程是一个鞅。
定理2.2.5 詹森(Jesen)不等式 设X为定义在有限概率空间上的随机变量,为哑变量的凸函数,则有:.
定义2.4.1 考虑二叉树资产定价模型。设为随机变量序列,每个只依赖前次抛掷硬币(为常量)。这样的随机变量序列称为适应随机过程。
若满足,则这个过程为鞅;若,这个过程为上鞅(递减趋势);若,这个过程为下鞅(递增趋势)。
定理2.4.4 考虑一般的二叉树模型,其中,设风险中线概率如下给出:
那么在风险中性测度下,贴现股票价格过程是一个鞅,即式在每个时刻对任意的抛掷硬币结果序列成立。
定理2.4.5 考虑时段的二叉树模型。设为适应过程,为实数,为由式
递归产生的财富过程,那么,贴现财富过程为风险中性测度下的鞅,即:
定理2.4.7 (风险中性定价公式) 考虑时段二叉树资产定价模型,其中,并且存在风险中性概率测度。设是一个随机变量(衍生证券在时刻的支付),它依赖于抛掷硬币的结果。那么,对于0到之间的,衍生证券在时刻的价格由风险中性定价公式(其中的定义和定理1.2.2中的定义一致)给出。进一步,在之下,衍生证券的贴现价格是一个鞅,即:
定理2.4.8 (现金流定价) 考虑时段二叉树资产定价模型,其中,并且存在风险中性概率测度。设为随机变量序列,其中只依赖于。在时刻,相应的支付分别为的衍生证券在时刻的价格为:
价格过程满足:
定义:
其中在0到之间变化。如果我们令,并按时间前向递归定义资产组合价值过程如下:
则对所有和,我们有:
定义2.5.1 马尔可夫过程:考虑二叉树定价模型。设为适应过程,如果对每个到之间的以及每个函数,存在另一个函数(依赖于和),使得:,则是一个马尔可夫(Markov)过程。
定理2.5.8(非路径依赖衍生证券定价) 设为二叉树模型中的风险中性概率测度下的马尔可夫过程。设为一个哑变量的函数,考虑一个在时刻的支付为的衍生证券。那么,对于每个0到之间的,衍生证券的价格为的某个函数,即:
存在一个计算的递归算法,确切的公式依赖于基本的马尔可夫过程。对于多维马尔可夫过程,类似结果也成立。
引入马尔可夫过程,将衍生证券的价格和股票的价格通过函数联系起来,这样做可以计算非路径依赖的衍生证券的价格。
- 资产定价第一基本定理: 如果一个模型中存在一个风险中性测度,那么这个模型中就不存在套利。
状态价格
定理3.1.1 Radon-Nikodym导数性质 设和是有限样本空间上的两个概率测度,对任意的,,,定义随机变量。我们有:
(i)
(ii)
(iii) 对任意的随机变量,有.
定义3.1.3 状态价格密度和状态价格 P57 考虑时段二叉树模型,设真实概率测度为,风险中性概率测度为。表示关于的Radon-Nikodym导数,即:
- Radon-Nikodym导数:有限样本空间两个概率测度, ,则为Radon-Nikodym导数。
-
Radon-Nikodym导数的性质:设和是有限样本空间上的两个概率测度,对任意的, , , 定义随机变量, 有:
- ;
- ;
- 对任意的随机变量Y,有.
第二卷
布朗运动
对称随机游动:接连抛掷一枚均匀的硬币(正面反面概率均为),抛掷结果记为. 是第次抛掷硬币的结果,定义
并且定义以及,则过程是一个对称随机游动。
对称随机游动具有独立增量,即对于非负整数,随机变量是两两独立的。每个随机变量称为随机变量的增量。
每个增量具有期望0和方差.
对称随机游动是鞅。对称随机游动的二次变差:截至时刻的二次变差定义为:
(可以发现,对称随机游动的二次变差等于其方差();但是,如果随机游动非对称,会影响其方差的值,从而导致其二次变差和方差不相等。)按比例缩小型对称随机游动:固定正整数,定义:
其中,为正整数。(后面可以看到,研究该随机过程,主要是为了后面引出布朗运动,因为令,取极限,将得到一个布朗运动)定理3.2.1 (中心极限定理) 固定,按比例缩小型随机游动在时刻取值的分布当时收敛于均值为、方差为的正态分布。(该定理的证明用到了矩母函数的概念)
定理3.2.2 (对数正态分布作为二叉树模型的极限) 时刻t的股价(该式通过定义,和时刻的股价由初始股价以及前次硬币抛掷的结果确定,这三个条件推导而出)。
当时,上式中的分布收敛于(该分布是个对数正态分布)的分布,其中是均值为、方差为的正态随机变量。
个人理解,该定理的意思是,固定,即在每一时刻下,来对和的分布进行研究,即可以将看做是常数。对数正态分布:任何形如(其中是常数,服从正态分布)的随机变量被称为具有对数正态分布。
布朗运动 设是概率空间。对每个,假设存在依赖于的,满足的连续函数。则是一个布朗运动,如果对所有,增量
两两独立,每个增量服从正态分布,并且
.
(这里需要注意的是,布朗运动是连续的函数,但是不可导。)定理3.3.2 (布朗运动的等价刻划)设是概率空间。对每个,假设存在依赖于的,满足的连续函数,则一下三条性质等价:
(i)对所有,增量
两两独立,每个增量服从正态分布,并且均值和方差由式和式给出。
(ii)对所有,为联合正态随机变量,均值为,并且协方差矩阵为xxxx.
(iii)对所有,具有联合矩母函数xxxx.
(这个定理,只证明了(i) (ii),(i) (iii)),至于为什么(ii)(i)和(iii)(i),可能是需要了解协方差矩阵和矩母函数的相关性质。定义3.3.3 设是定义在概率空间上的布朗运动。布朗运动的域流是满足下列条件的一族-代数:
(i) (信息积累)对于中的每一个集合也在中。换言之,在较后时刻所获得的信息至少包括较早时刻已获得的信息.
(ii)(适应性)对每个,在时刻,布朗运动是可测的。换言之,在时刻所获得的信息足以确定布朗运动在该时刻的值。
(iii) (未来增量的独立性)对于,增量独立于,换言之,时刻以后布朗运动的任何增量都与时刻所获得的信息无关。定理3.3.4 布朗运动是鞅。
定义3.4.1(连续函数二次变差的定义) 设是关于有定义的函数。截至时刻,的二次变差为:
其中并且.
(如果f有连续的导数,则其二次变差为0。其证明需要用到微分中值定理。另外,定理里面对于的定义好像有问题吧……)定理3.4.3 设是布朗运动,则对所有,几乎必然成立。
(该定理的证明用到了均方收敛的概念,即布朗运动的二次变差在时,其期望值为,其方差收敛于0,从而无论路径如何,它都收敛于期望值T。)
(随机变量的各种收敛性,之间的差别??)
由该定理可以引出:,,,书里面没有详细的证明,详细的证明应该超纲了,需要查更详细的资料。
由于,因此,布朗运动在单位时间内累积二次变差的速率为1。几何布朗运动 设和是常数,定义几何布朗运动
.
里面的是几何布朗运动的实现波动率,即
定理3.5.1 设, 是布朗运动,是关于该布朗运动的域流,则是马尔可夫过程。
这个定理的证明里面用到了一个转移密度的概念:
布朗运动的转移密度为.定理3.6.1(指数鞅) 设, 是布朗运动,是关于该布朗运动的域流,是常数,则式
中的过程是鞅。
给定常数,相应于的所谓指数鞅即上式中定义的。布朗运动的首达时间 设是实数,定义水平的首达时间为: 这是布朗运动达到水平的第一时间。
定理3.6.2 对于,布朗运动关于水平的首达时间几乎必然有限,并且其分布的拉普拉斯(Laplace)变换为:
为啥又和拉普拉斯变换扯到一起了????没搞明白
3.7 反射原理的东西,暂时用不到(略)
随机分析
伊藤积分的作用,其实就是为了求资产组合的价值,中的是时刻持有资产的头寸,看做每份资产在时刻的价格。
-
伊藤积分 一般地,如果,则:
中的过程就是简单过程(简单过程说白了就是每个时间区间里都是常数的过程)的伊藤积分,记为:
- 定理4.2.1 由上式定义的伊藤积分是一个鞅。
-
定理4.2.2(伊藤等距) 上面定义的伊藤积分满足:
-
定理4.3.1 设是正数,是满足式的适应随机过程。则具有以下性质:
(i) (连续性)作为积分上限的函数,的路径连续。
(ii)(适应性)对每个为-可测。
(iii)(线性性)如果,则;对任意常数。
(iv)(鞅性质) 是鞅。
(v)(伊藤等距) 。
(vi)(二次变差) 。 -
定理4.4.1(关于布朗运动的伊藤-德布林公式) 设函数的偏导数和都有定义并且连续,是布朗运动,则对于每个,有:
(伊藤-德布林公式的证明需要用到泰勒展开。这里需要注意,对于伊藤德布林公式的微分形式,其实并没有数学含义,因为布朗运动是不可导的,故不可微,书里面的微分形式只是为了方便计算和记忆。)