从本章开始,我们讨论连续时间金融数学中的模型。考虑概率空间
图 11.1 资产定价过程(应用于数学金融)
图中横轴表示时间,纵轴表示价格;曲线是一条连续但不光滑、不断上下波动的价格路径。
图 11.2 跳跃过程(应用于精算数学,有点类似灾害赔偿)
图中横轴表示时间,纵轴表示累计量;样本路径呈阶梯状,在若干随机时刻向上跳跃。
为方便起见,我们这里只考虑价格过程连续的情形。至于带有跳跃的价格过程,本课程不予讨论。
11.1 市场、投资组合与套利
考虑完备概率空间
一个金融市场包含一种无风险资产(债券),其
其中
股票价格
其中,
这是通过求解随机微分方程得到的。
注:原页第一项随机积分的下限印作
,但按该随机微分方程的解及上下文应为 ,此处据此还原。
注记 11.1
(1)特殊情形:若利率
(2)多维情形:假设有
并且
写成矩阵形式即
或简写为
其中左端按分量理解。
注记 11.2 为什么采用几何布朗运动?
我们在离散时间模型中一直没有谈到股票价格应满足哪些方程。一方面是因为我们没有把模型讨论得太深入;另一方面,在单期模型中这似乎不太重要,而多期模型又没有讲得太多。那么,为什么在连续时间模型中要采用几何布朗运动这一假设呢?一方面是为了便于计算;更重要的是,它来自离散时间模型的某些性质。第 8 章曾经稍作说明,这里用另一种思路再看一次。
考虑一个离散时间模型,其价值(财富)过程为
因此,
假设
于是
考虑时间间隔
(先前我们取的是
当且仅当
此外,由独立性,
它收敛当且仅当
价格应如何理解?如果只有一只股票,可以令
我们有如下结果。
定理 11.3 若
并且当
的分布。
注:原页条件中写作
,而极限过程使用 ;此处保留原式中的符号差异。
定义 11.4
(1)策略
(2)策略
现在来看如何定义自融资。在离散时间中,
这意味着
在连续时间模型中,我们沿用离散时间模型中的定义。不过,为使有关积分存在,还要加入可积性条件。
¹ 在多维情形中,考虑
定义 11.5 自融资策略
以及
的策略。这些条件是为了保证积分存在。
注记 11.6
(1)若
因为
因此,自融资条件等价于
这与离散时间的自融资条件相对应。
(2)若
记号 11.7 风险资产的贴现价格定义为
贴现财富过程定义为
定理 11.8 假设交易策略
证明 “
由于
且
故
“
所以
在连续时间模型中,与离散时间情形一样,还需要“可容许性”条件。
定义 11.9 若存在
则称自融资策略
可容许性是一个自然且合理的要求:它意味着借款或负财富必须有一个有限下界;同时,它排除了“翻倍策略”。下面将说明翻倍策略在这里如何出现。
定义 11.10 若一个可容许策略
; , -几乎必然; ,
则称
定义 11.11 不允许套利机会的市场模型称为无套利市场。
以上定义与离散时间中的定义相同。
注记 11.12 “可容许策略”这一条件非常重要,因为它排除了“翻倍策略”(或称“倍增策略”)。离散时间情形已在注记 4.19 中讨论。连续时间情形中,考虑如下市场:对
考虑随机过程
它是一个鞅。于是存在布朗运动
其中
注意,当
由对数律等结论可以看出,
假设初始财富
²
于是
因此,
11.2 等价局部鞅测度
定义 11.13 若概率测度
注意:下面的定理与离散时间情形略有不同。
定理 11.14 若在
反过来一般并不成立。实际处理连续时间市场模型时,通常直接假定等价局部鞅测度存在。事实上,还存在刻画得更好的等价结果,但有关概念与证明都相当困难。这里先给出几个定义。在这一节中,我们只考虑简单形式的交易策略。
定义 11.15
(1)若交易策略的贴现收益过程
一致有下界,则称该策略为温和策略(tame strategy)。
此外,由上一页脚注中的自融资等式,
因此,
(2)若存在一个零初始成本的自融资交易策略,它具有非零、非负的终端价值
收敛于
在
注:原页在极限项中写作
,而其余终端价值均使用 ;此处保留原页写法。
(3)如果不存在这样的交易策略,就称价格系统满足无风险消失的免费午餐条件(NFLVR)。
定理 11.16 假设
- 存在等价局部鞅测度
; 满足无风险消失的免费午餐条件。
这个定理给出了一个等价结果,但该条件较难验证。因此,一般仍使用定理 11.14。在连续时间模型中,我们通常假定等价局部鞅测度存在。那么,如何求出它呢?
问题: 在给定模型中,等价局部鞅测度是什么?
考虑 Black–Scholes 模型。假设市场中有一种债券和一种股票:
其中
这意味着
在哪个概率测度下,
猜想: 在新的概率测度下,
是一个布朗运动。
由 Girsanov 定理,我们大致可以“猜出”所需的等价局部鞅测度。令
定义
以及
那么,在概率测度
是布朗运动,并且贴现股票价格满足
也就是说,
此外,股票价格
换言之,在等价局部鞅测度下,
那么,一般模型中的情形如何?
假设市场中有一种债券和
类似地,定义
定理 11.17
(1)若市场模型无套利,则存在一个渐进可测过程
称为风险市场价格过程(或相对风险过程),使得
(2)反过来,如果存在这样的过程
以及
则市场模型无套利。此外,定义
那么等价局部鞅测度由下式给出:
注:原页右端写作
,使该定义出现自指;按照通常的测度变换公式一般应为 。此处保留原页公式并说明这一不一致。
11.3 完备性
定义 11.18
(1)若存在一个可容许策略
则称或有索赔
(2)如果每一个或有索赔都是可达到的,则称金融市场是完备的;否则称其为不完备的。
注:原页复制条件写在
时刻;在通常的终端索赔定义中,这里往往写作 。
定理 11.19 在注记 “??(2)” 的设定下,市场模型完备,当且仅当:
;- 对几乎所有
, 非奇异。
注:原页交叉引用本身印作 “Remark ??(2)”。
注记 11.20 由定理 11.19,如果市场模型完备,则只有唯一一个过程
即
其中
定理 11.21(元定理) 设
- 模型无套利,当且仅当
; - 模型完备,当且仅当
; - 模型既完备又无套利,当且仅当
。因此,模型不完备,当且仅当 $m
定理 11.22(资产定价第二基本定理) 考虑一个具有风险中性概率测度的市场模型。该市场模型完备,当且仅当风险中性概率测度唯一。
最典型的例子是 Black–Scholes 模型。考虑广义 Black–Scholes 模型:市场中有一种债券和一种股票。债券价格满足
股票价格满足
其中,对所有
定理 11.23 广义 Black–Scholes 模型是完备的。
这个定理很难证明。对于一般或有索赔,上述定理的证明并不容易。下面只考察
11.4 可达到或有索赔的定价
考虑概率空间
这意味着
注记 11.24 假设金融市场模型中存在一个等价鞅测度
于是
即
这就是连续时间模型中的风险中性定价公式。
命题 11.25 在 Black–Scholes 模型中,每一个可交易资产的价格过程
在等价鞅测度
注记 11.26 由贴现 Feynman–Kac 公式(定理 10.15),或有索赔
在
终端条件为
注记 11.27 在不完备市场模型中,所有无套利价格构成的集合为
其中
11.5 Black–Scholes–Merton 公式
考虑具有一种债券和一种股票的模型,它们满足
在等价鞅测度
其中
定理 11.28(Black–Scholes(–Merton)公式) 欧式看涨期权
其中
并且
注:本页指数与
中印作 ,而后文推导和标准公式均使用 。此处保留本页原式,并标明这一符号不一致。
在证明上述定理之前,先介绍对数正态分布。
定义 11.29 若
注记 11.30 假设
使得
(1)矩。 令
因此,
且
(2)概率密度函数。 对
因此,
(3)对
原页写道:
注:上述不等号方向与随后从
积分到 的推导不一致;按代数关系应为 。此处保留并说明原页的印刷问题。
因此,
定理 11.28 的证明 这里只证明
在注记 11.30(3)中取
其中使用了
证毕。
注:原页倒数第二组公式把对数项写作
,但按上一行变号及定理中 的定义应为 ;此处保留原页公式并指出这一不一致。
11.6 希腊字母
设
其中
其中
图 11.3
横轴为股票价格
- $x
:平价(at the money); :价内(in the money)。
期权价格与内在价值之间的竖直差距是时间价值;在价内区域,总价值分为内在价值和时间价值两部分。
由 Jensen 不等式可得
- Delta:
图 11.4 时间价值
横轴为
由于
并且
所以
又因为
得到
这说明
- Gamma:
这说明
图 11.5 Delta
横轴为
图 11.6 Gamma
横轴为剩余期限
- Theta:
这说明看涨期权的价格随
因为
图 11.7 Theta
横轴为
- Vega:
这说明期权价格随波动率
- Rho:
这说明期权价格随利率
11.7 平价关系
考虑标准 Black–Scholes 模型。
记号 11.31 假设
将
例 11.32 考虑如下几个基本合约函数:
相应的价格为
定理 11.33 设
的合约函数。则对任意
推论 11.34 若
则可以按下式为
例 11.35 考虑执行价为
由于
即
所以
由推论 11.32,得到
注:原页交叉引用写作“推论 11.32”,但本章相应的推论编号为 11.34;此处保留原页所写编号。
公式 (11.2) 称为看跌—看涨平价关系。看跌期权的收益函数
有些书会把时间价值总是画成正值,大致有三个原因:
- 利率
; - 讨论的是美式看跌期权;
- 图形并非从原点开始画。
图 11.8 看跌期权的价格
横轴表示标的资产价格。紫色折线从纵轴上的正值出发,线性下降至横轴后保持为零,表示看跌期权的到期收益;图中标签印作
附近开始,平滑下降并趋近于零。在较小的
注:看跌期权的收益函数在正文中定义为
,而图中的紫色标签印作 ,两者不一致。
图 11.9 时间价值
横轴表示标的资产价格,在