Zagadnienia

5. Model dwumianowy (Coxa-Rossa-Rubinsteina)

Rozważymy teraz prosty, ale bardzo ważny model Coxa-Rossa-Rubinsteina (CRR). Nazywa go się także modelem dwumianowym. Powstał później niż model Blacka-Scholesa. Ma zastosowanie przy konstrukcji metod numerycznych dla obliczania cen różnych skomplikowanych wypłat.

5.1. Model CRR

Na rynku są dwa podstawowe instrumenty, rachunek bankowy z procesem cen:

Bt=1+rt,⁢t=0,…,T

i instrument ryzykowny (np. akcja) z procesem cen zadanym wzorem:

S0=s>0,⁢St+1=St⁢Ut+1,⁢t=0,1,…,T-1, (5.1)

gdzie Ut są niezależnymi zmiennymi losowymi o jednakowym rozkładzie

PUt=1+b=p,⁢PUt=1+a=1-p,⁢p∈0,1,

przy czym -1<a<b. Wielkości a i b są stopami zwrotu z akcji, gdy cena zmienia się odpowiednio na St⁢1+a i St⁢1+b, gdyż

St+1-StSt=Ut+1-1.

Z tej definicji widać, że na model CRR można patrzeć jako na niezależne jednookresowe dwustanowe modele o tej samej stopie zwrotu, gdyż można ten model zrealizować na przestrzeni probabilistycznej Ω,F,P, gdzie Ω=1+a,1+bT, F=2Ω, zaś P jest prawdopodobieństwem produktowym jednoznacznie wyznaczonym przez p. Wtedy

Ut⁢ω1,…,ωT=ωt⁢⁢i⁢⁢Ft=σ⁢S0,S1,…,St=σ⁢U1,…,Ut.

Zbadamy własności tak zdefiniowanego modelu rynku. Rozpatrzymy model ogólniejszy. Niech Ω,F,Ut,St będą określone jak wyżej, natomiast P jest pewnym prawdopodobieństwem na F. Zauważmy, że

P⁢ω1,…,ωT=PU1=ω1,…,UT=ωT, (5.2)

zatem znajomość prawdopodobieństwa P jest równoważna znajomości rozkładu łącznego wektora U1,…,UT.

Do badania własności użyjemy aparatu miar martyngałowych. Dlatego zaczynamy od nastepującego lematu:

Lemat 5.1

St*t∈T jest martyngałem względem rozkładu prawdopodobieństwa P* wtedy i tylko wtedy, gdy

∀t≤T-1EP*(Ut+1|Ft)=1+r.
EP*(St+1*|Ft)=St*⇔EP*(St+1*St*|Ft)=1⇔EP*(Ut+11+r|Ft)=1.
∎
Wniosek 5.1

Jeśli rynek jest wolny od arbitrażu, to r∈a,b.

Gdy rynek jest wolny od arbitrażu, to istnieje miara martyngałowa P* dla St*, więc z lematu 5.1 mamy EP*(Ut+1|Ft)=1+r, czyli EP*(Ut+1)==1+r. Ale Ut+1 przyjmuje z dodatnim prawdopodobieństwem wartości 1+a oraz 1+b, więc średnia należy do wnętrza przedziału, tj. 1+r∈1+a,1+b.

∎

Z lematu 5.1 otrzymujemy natychmiast istnienie miary martyngałowej, będącej miarą produktową, dla rynku CRR, gdy r∈a,b.

Twierdzenie 5.1

Niech r∈a,b. Jeśli P jest produktowym rozkładem prawdopodobieństwa wyznaczonym przez p=r-ab-a, to zdyskontowany proces cen St* jest P-martyngałem.

Z definicji prawdopodobieństwa P i definicji Ut wynika niezależność zmiennych U1,…,UT. Stąd i z postaci rozkładu Ut+1 otrzymujemy

EP(Ut+1|Ft)=EPUt+1=p(1+b)+(1-p)(1+a)=1+r

i lemat 5.1 kończy dowód.

∎

Jedyność miary martyngałowej wynika z kolejnego twierdzenia.

Twierdzenie 5.2

Jeśli rynek CRR jest wolny od arbitrażu, to jest zupełny.

Należy udowodnić, że jeśli zdyskontowany proces cen St* jest P-martyngałem, to P jest produktowym rozkładem prawdopodobieństwa wyznaczonym przez p=r-ab-a. Jest to równoważne faktowi, że U1,…,UT są niezależnymi zmiennymi losowymi o jednakowym rozkładzie:

PU1=1+b=r-ab-a=1-PU1=1+a.

Dla dowolnego t z lematu 5.1 otrzymujemy EP(Ut+1|Ft)=1+r, a ponieważ zmienna losowa Ut+1 przyjmuje dwie wartości, więc

(1+a)EP(1{Ut+1=1+a}|Ft)+(1+b)EP(1{Ut+1=1+b}|Ft)=1+r. (5.3)

Ponadto

EP(1{Ut+1=1+a}|Ft)+EP(1{Ut+1=1+b}|Ft)=1.

Stąd oznaczając

Zt=EP(1{Ut+1=1+b}|Ft) (5.4)

mamy z (5.3):

1+a⁢1-Zt+1+b⁢Zt=1+r.

Rozwiązując to równanie otrzymujemy

Zt=r-ab-a,

a więc Zt=Z jest zmienną losową stałą i jest taka sama dla każdego t. Stąd dla dowolnego t

PUt+1=1+b=EP⁢Z=r-ab-a, (5.5)

czyli zmienne losowe Ut mają jednakowy rozkład. Aby wykazać niezależność zmiennych losowych Ut względem miary P wystarczy udowodnić, że dla t=T i dla dowolnych xi∈1+a,1+b zachodzi:

PU1=x1,…,Ut=xt=∏i=1tPUi=xi. (5.6)

Dowodzimy (5.6) używając indukcji matematycznej (ćwiczenie 5.1).

Zatem rozkład U1,…,UT jest produktowym rozkładem prawdopodobieństwa wyznaczonym przez p=r-ab-a; teraz z (5.2) otrzymujemy, że prawdopodobieństwo martyngałowe P jest produktowym rozkładem prawdopodobieństwa wyznaczonym przez p=r-ab-a.

∎
Ćwiczenie 5.1

Udowodnić (5.6).

Rozwiązanie: 

Do dowodu (5.6) dla t=T użyjemy indukcji matematycznej i wykażemy, że (5.6) zachodzi dla dowolnego t∈T, a więc i dla t=T. Z (5.5) wynika, że (5.6) zachodzi dla t=1. Zakładając, że równość (5.6) jest prawdziwa dla t wykażemy, że jest również prawdziwa dla t+1.

P(U1=x1,…,Ut+1=xt+1)=
=P(Ut+1=xt+1|U1=xt+1,…,Ut=xt)P(U1=x1,…,Ut=xt)=
=P(Ut+1=xt+1)∏i=1tP(Ui=xi),

gdzie w ostatniej równości skorzystaliśmy z (5.4), (5.5) i z założenia indukcyjnego.

Z dowodu twierdzenia mamy natychmiast.

Wniosek 5.2

Jeśli rynek CRR jest wolny od arbitrażu, to U1,…,UT są niezależnymi zmiennymi losowymi o jednakowym rozkładzie:

PU1=1+b=r-ab-a=1-PU1=1+a.

Założyliśmy, że stopa procentowa r≥0, więc od tego momentu mówiąc o modelu CRR będziemy zawsze zakładać, że

r∈a,b⁢⁢oraz⁢⁢r≥0.
Twierdzenie 5.3

Cena arbitrażowa wypłaty X w modelu CRR jest dana wzorem

Πt(X)=BtEP*(XBT-1|Ft)dlat∈T,

gdzie miara martyngałowa P* jest wyznaczona przez p=r-ab-a.

Ponieważ model rynku CRR jest wolny od arbitrażu i zupełny, więc teza wynika natychmiast z tw. 4.3.

∎
Wniosek 5.3

Cena arbitrażowa europejskiej opcji kupna z terminem wykonania T i ceną wykonania K na akcję o cenie zadanej przez proces S jest równa:

CT-t=1+r-t⁢∑j=0ttj⁢pj⁢1-pt-j⁢ST-t⁢uj⁢dt-j-K+, (5.7)

gdzie u=1+b, d=1+a.

Ponieważ Su=s⁢∏j=1uUj dla u∈T, więc

CT-t=(1+r)-tEP*((ST-K)+|FT-t)=
=(1+r)-tEP*((ST-t⋅∏j=T-t+1TUj-K)+|FT-t).

Korzystając z niezależności ∏j=T-t+1TUj od FT-t i mierzalności ST-t względem FT-t i znanego twierdzenia o obliczaniu takich wartości oczekiwanych mamy tezę.

∎

Cenę Ct europejskiej opcji kupna z terminem wykonania T i ceną wykonania K w chwili t otrzymujemy ze wzoru (5.7) i obserwacji Ct=CT-T-t.

Przykład 5.1

Niech w modelu CRR S0=100; S1d=80; S1u=130; T=2; r=0,1. Wycenić europejskie opcje kupna i sprzedaży z ceną wykonania 90.
Miara martyngałowa jest zadana przez p=3/5. Z (5.7) lub wzoru ogólnego znajdujemy cenę opcji kupna C0=29,06, a z parytetu cenę opcji sprzedaży P0=3,44.

Problem replikacji. Zajmiemy się teraz problemem replikacji wypłaty postaci X=h⁢ST, dla pewnego h:R→R (taką postać wypłaty mają np. opcje). Gdy φ replikuje X, to

X=VT⁢φ=VT-1⁢φ+φT1⁢ST-ST-1+φT0⁢BT-BT-1,

zatem

h⁢ST-1⁢UT=VT-1⁢φ+φT1⁢ST-1⁢UT-1+φT0⁢r⁢BT-1.

Ponieważ UT przyjmuje dwie wartości: 1+a i 1+b, więc na zbiorze UT=1+a, mamy

h⁢ST-1⁢1+a=VT-1⁢φ+φT1⁢ST-1⁢a+φT0⁢r⁢BT-1,

a na zbiorze UT=1+b, to mamy

h⁢ST-1⁢1+b=VT-1⁢φ+φT1⁢ST-1⁢b+φT0⁢r⁢BT-1.

Ponieważ proces φt1 jest prognozowalny, więc φT1 nie zależy od wartości UT. Zatem z powyższych równości otrzymujemy liczbę akcji w chwili T:

φT1=h⁢ST-1⁢1+b-h⁢ST-1⁢1+aST-1⁢b-a=Δ⁢ST-1,

gdzie

Δ⁢x=h⁢x⁢1+b-h⁢x⁢1+ax⁢b-a

oraz liczbę jednostek bankowych w chwili T

φT0=1r⁢BT-1⁢h⁢ST-1⁢1+b-VT-1⁢φ-b⁢h⁢ST-1⁢1+b-h⁢ST-1⁢1+ab-a.

W ten sposób, cofając się, znajdujemy postać portfela replikującego.

Ćwiczenie 5.2

Udowodnić, że portfel replikujący w chwili t ma postać

φt1=f⁢t,St-1⁢1+b-f⁢t,St-1⁢1+aSt-1⁢b-a, (5.8)
φt0=1+b⁢f⁢t,St-1⁢1+a-1+a⁢f⁢t,St-1⁢1+bb-a⁢1+rt. (5.9)
Rozwiązanie: 

Ogólnie, w chwili t musi zachodzić

(1+r)t-TE(h(ST)|Ft)=Vt(φ)=φt0(1+r)t+φt1St. (5.10)

Jak wiemy, ST=St⁢Zt, gdzie Zt=Πj=t+1T⁢Uj, a więc

Vt⁢φ=(1+r)t-TE(h(ST)|Ft)=(1+r)t-TE(h(xZt))|x=St= (5.11)
=f⁢t,St.

Z tego wynika, że wartość w chwili t portfela replikującego wypłatę h⁢ST zależy tylko od obecnej wartości ceny, czyli od St. Z (5.10) i (5.11) otrzymujemy

φt1⁢St-1⁢Ut=f⁢t,St-1⁢Ut-1+rt⁢φt0,

czyli

φt1⁢St-1⁢1+a=f⁢t,St-1⁢1+a-1+rt⁢φt0

i

φt1⁢St-1⁢1+b=f⁢t,St-1⁢1+b-1+rt⁢φt0.

Zatem zachodzi (5.8) i proces φt1 jest prognozowalny. Ponadto

φt0=f⁢t,St-1⁢1+b+f⁢t,St-1⁢1+a-φt1⁢St-1⁢2+a+b2⁢1+rt
=1+b⁢f⁢t,St-1⁢1+a-1+a⁢f⁢t,St-1⁢1+bb-a⁢1+rt.

Na wzór (5.8) można spojrzeć jako na dyskretny analog pochodnej wartości portfela względem możliwej zmiany ceny instrumentu podstawowego. W języku finansów takie strategie nazywa się delta zabezpieczeniem.

Z (5.8) otrzymujemy też

Wniosek 5.4

Gdy h jest funkcją rosnącą, to φt1≥0. Zatem można replikować wypłatę h⁢ST bez korzystania z krótkiej sprzedaży.

W szczególności wynika stąd, że można tak replikować wypłatę z europejskiej opcji kupna.

5.2. Problemu maksymalizacji oczekiwanej użyteczności

Rozważymy teraz na przykładzie modelu CRR problem maksymalizacji oczekiwanej użyteczności. Inwestor ma swoją miarę użyteczności osiągniętego bogactwa, jest to funkcja użyteczności U:0,∞→R. Wartość U⁢x opisuje satysfakcję inwestora posiadającego kapitał x. Wartość inwestycji mierzy się przez oczekiwaną użyteczność (przy mierze subiektywnej P) kapitału osiągniętego na końcu inwestycji, czyli przez EP⁢U⁢VT⁢φ.

Funkcję U:0,∞→R nazywamy funkcją użyteczności, gdy jest niemalejąca, wklęsła, różniczkowalna i ma ciągłą pochodną. Często o U zakłada się, że spełnia tzw. warunki Inady:

limx→0⁡U′⁢x=∞,⁢limx→∞⁡U′⁢x=0.

Najczęściej używane są: logarytmiczna funkcja użyteczności U⁢x=ln⁡x, potęgowa U⁢x=xαα, α∈-∞,0∪0,1 oraz wykładnicza funkcja użyteczności U⁢x=1-exp⁡-b⁢x, b>0.

Naszym celem jest znalezienie, przy danym kapitale początkowym x, strategii samofinansującej się φ* maksymalizującej oczekiwaną użyteczność kapitału osiągniętego na końcu inwestycji, czyli strategii φ* takiej że V0⁢φ*=x i

EP⁢⁢U⁢VT⁢φ*⁢=maxφ∈Φ,⁢V0⁢φ=x⁡EP⁢⁢U⁢VT⁢φ⁢. (5.12)

Rozwiążemy ten problem w przypadku funkcji logarytmicznej U⁢x=ln⁡x, rozszerzając ją na -∞,0 wzorem U⁢x=-∞. Ponieważ

ln⁡VT⁢φ=ln⁡VT*⁢φ+ln⁡BT,

więc problem optymalizacji sprowadza się do znalezienia maksimum

maxφ∈Φ,⁢V0⁢φ=x⁡EP⁢ln⁡VT*⁢φ.

Skorzystamy z faktu, że VT*⁢φ jest P*-martyngałem, gdy P* jest miarą martyngałową, z czego wynika, że EP*⁢VT*⁢φ=V0⁢φ. Niech

d⁢P*=ZT⁢d⁢P,
Yt=EP*(xZT-1|Ft).

Wtedy Yt jest P*-martyngałem i YT=x⁢ZT-1 oraz Y0=x. Udowodnimy, że

  • a) Dla dowolnej strategii samofinansującej się φ, takiej że V0⁢φ=x

    EP⁢ln⁡VT*⁢φ≤EP⁢ln⁡YT. (5.13)
  • b) Istnieje strategia samofinansująca się φ*, taka że

    Yt=Vt*⁢φ*. (5.14)

Dla każdego φ∈Φ takiego, że V0⁢φ=x zachodzi

EP⁢ln⁡VT*⁢φ=EP⁢ln⁡xZT+ln⁡VT*⁢φ-ln⁡xZT≤
≤EP⁢ln⁡xZT+EP⁢ZTx⁢VT*⁢φ-1=
=EP⁢ln⁡xZT+1x⁢EP*⁢VT*⁢φ-1=EP⁢ln⁡YT,

co daje (5.13).
Z zupełności rynku istnieje strategia samofinansująca się φ* spełniająca VT*⁢φ=YT, a ponieważ Y jest P*-martyngałem, to (5.14) zachodzi.
Okazuje się, że jak na rynku skończonym potrafimy znaleźć φ* spełniające (5.12), to na rynku skończonym nie ma arbitrażu.

Ćwiczenie 5.3

Niech U będzie funkcją ściśle monotoniczną. Jeśli istnieje rozwiązanie zagadnienia (5.12), to na rynku nie ma arbitrażu.

Wskazówka: 

Przeprowadzić rozumowanie niewprost.

5.3. Aproksymacje za pomocą modeli dwumianowych

Gdy obserwujemy rynek z czasem ciągłym, czyli gdy czas jest odcinkiem 0,T, to ceny należy opisywać modelem, w którym występują procesy z czasem ciągłym. Ale jak wiadomo, przy opisie rozmaitych zjawisk można modele z czasem ciągłym z powodzeniem aproksymować modelami dyskretnymi. Teraz opiszemy, jak wykorzystuje się model CRR do aproksymacji modelu z czasem ciągłym.

Konstruuje się ciąg przybliżeń, w którym jako n-te przybliżenie bierze się model CRR skonstruowany następująco:

W tym (czyli n-tym) kroku dzielimy odcinek 0,T na n części o długości δn==Tn każda. Zakładamy, że handel odbywa się w chwilach czasu tj=tjn=j⁢δn, j=0,1,…,n. W czasie ciągłym rachunek oszczędnościowy jest opisywany przez równanie Bt=er⁢t (r>0 jest stałą). Chcemy dopasować stopę procentową rn tak, żeby otrzymać równość cen rachunków oszczędnościowych w modelu ciągłym i dyskretnym we wszystkich punktach tj. W tym celu bierzemy rn takie, że

1+rn=er⁢δn.

Wtedy

Btj=er⁢j⁢δn=er⁢δnj=1+rnj.

Teraz dobieramy stałe an i bn spełniające

-1<an<rn<bn (5.15)

(wtedy model CRR jest bez możliwości arbitrażu i zupełny). Warunek (5.15) musi być spełniony, poza tym wyboru an i bn dokonujemy tak, by model graniczny opisywał model z czasem ciągłym. Zrobimy to w taki sposób, by

un⁢dn=1+bn⁢1+an=1.

Taki wybór zakłada pewien rodzaj symetrii ruchu cen. Niech

1+an=e-σ⁢δn,⁢1+bn=eσ⁢δn,

gdzie σ>0 jest ustalona z góry. Łatwo sprawdzić, że nierówność (5.15) zachodzi dla dostatecznie dużych n. Wtedy miara martyngałowa jest zadana przez podanie prawdopodobieństwa wzrostu ceny akcji

pn=er⁢δn-e-σ⁢δneσ⁢δn-e-σ⁢δn.

Zachodzi

Ćwiczenie 5.4

Udowodnić, że pn→1/2, gdy n→∞ .

W ten sposób skonstruowaliśmy n-ty model CRR dla ciągu przybliżeń. Parametry an,bn,pn są ustalone i zależą od parametrów r,σ i liczby kroków n, a więc długości podziału δn. Pozostaje pytanie, jak dobrać parametry n-tego przybliżenia. Stopę procentową bez ryzyka r znamy. Parametr σ wybieramy tak, by wariancja stopy zwrotu z akcji na jednostkę czasu była równa wariancji na jednostkę czasu z modelu ciągłego (modelu Blacka-Scholesa opisanego w §9.1). Liczbę n dobieramy według naszych potrzeb (ten parametr możemy zmieniać), byle n było dostatecznie duże (zad. 5.11).

Możemy też bez straty ogólności założyć, że wszystkie modele (a więc i procesy z nimi związane) są skonstruowane na wspólnej przestrzeni probabilistycznej Ω,F,P. Zakładamy też, że cena początkowa aktywa w każdym przybliżeniu jest taka sama. Jak wiemy, cena Sn aktywa ryzykownego w n-tym modelu spełnia

Stn=s⁢∏j=1tUjn,

gdzie PUjn=1+bn=pn, PUjn=1+an=1-pn, S0n=s i zmienne losowe U1n, …, Unn są niezależne, o tym samym rozkładzie. Zapiszmy to dla t=T inaczej:

STn=s⁢eσ⁢δn⁢∑j=1nVjn,

gdzie Vjn=ln⁡Ujnσ⁢δn, zatem Vjn są niezależnymi zmiennymi losowymi o jednakowym rozkładzie

PVjn=1=pn=1-PVjn=-1.

Z centralnego twierdzenia granicznego otrzymujemy po przekształceniach

σ⁢Tn⁢∑j=1nVjn⁢⟶n→∞d⁢N⁢r-σ22⁢T,σ2⁢T. (5.16)

Stąd, gdy n→∞, to

ln⁡STn⁢⟶n→∞d⁢ln⁡s+r-σ22⁢T+σ⁢T⁢Z, (5.17)

gdzie Z∼N⁢0,1, czyli

ST=S0⁢exp⁡r-σ22⁢T+σ⁢T⁢Z.

Zatem cena w chwili T otrzymana w granicy ma rozkład lognormalny (ten sam rezultat otrzymujemy dla dowolnego t).

Każdy z modeli CRR użyty w tej aproksymacji był bez możliwości arbitrażu i zupełny, więc wiemy, że cena arbitrażowa europejskiej opcji kupna CTn jest zadana wzorem (5.7) z p=pn. W granicy otrzymujemy

Twierdzenie 5.4
limn→∞⁡CTn=s⁢N⁢d1⁢s,T-K⁢e-r⁢T⁢N⁢d2⁢s,T, (5.18)

gdzie N oznacza dystrybuantę standardowego rozkładu gaussowskiego oraz

d1⁢x,t=ln⁡xK+r+σ22⁢tσ⁢t, (5.19)
d2⁢x,t=d1⁢x,t-σ⁢t=ln⁡xK+r-σ22⁢tσ⁢t. (5.20)

Dowód tego faktu pozostawiamy jako zadanie.

Podsumowując, powyższe rozważania o aproksymacji sugerują, że w ,,rozsądnym” modelu rynku cena aktywa powinna mieć rozkład lognormalny, a cena arbitrażowa europejskiej opcji kupna powinna być zadana wzorem BlackaS̄cholesa (5.18). Wzór (5.17) dowodzi że STn zbiega do ST według rozkładu, a więc gdy wypłata jest funkcją wartości końcowej ceny, tj. Xn=f⁢STn, to przy odpowiednich założeniach o funkcji f otrzymujemy

Π0⁢f⁢ST=limn→∞⁡Π0⁢f⁢STn. (5.21)

Gdy f jest ograniczona, to (5.21) zachodzi i w szczególności otrzymujemy formułę wyceny dla opcji sprzedaży (a stąd korzystając z parytetu można w inny sposób otrzymać (5.18)).

Okazuje się, że można udowodnić znacznie więcej o zbieżności aproksymacji. Rozpatrzmy proces S⌃tn z czasem ciągłym otrzymany z procesu Stn przez interpolację liniową, tj. S⌃tjn=Stjn dla tj=j⁢Tn i S⌃tn jest liniowy pomiędzy punktami postaci tj. Korzystając z tw. Donskera można udowodnić, że proces S⌃n zbiega słabo w C⁢0,T do procesu S, takiego że

St=S0⁢exp⁡r-σ22⁢t+σ⁢Wt,

gdzie Wt jest procesem Wienera. Stąd otrzymujemy, że ceny pewnych wypłat, które zależą od całej trajektorii procesu cen można otrzymać jako granicę odpowiednich wyrażeń obliczanych dla modelu CRR. Ten fakt wykorzystujemy w modelu z czasem ciągłym do liczenia cen wypłat dla których nie istnieją jawne wzory. Model CRR jest modelem opisującym rynek w sposób rekurencyjny, więc w tym modelu znacznie łatwiej liczyć całki numerycznie niż w modelu z czasem ciągłym.

5.4. Zagadnienia i zadania na ćwiczenia

Ćwiczenie 5.5

Znaleźć cenę arbitrażową europejskiej opcji sprzedaży w modelu CRR.

Rozwiązanie: 

Powtórzyć rozumowanie prowadzące do wzoru (5.7) lub skorzystać z parytetu kupno-sprzedaż.

PT-t=1+r-t⁢∑j=0ttj⁢pj⁢1-pt-j⁢K-ST-t⁢uj⁢dt-j+.
Ćwiczenie 5.6

Niech w modelu CRR S0=100;S1u=120;S1d=90;T=3;r=0,05. Wycenić opcję europejską o wypłacie X=100⁢RT-0,10+, gdzie RT=ST-S0S0 jest stopą zwrotu z akcji w czasie od 0 do T.

Ćwiczenie 5.7

Rozpatrzmy model CRR, dla którego S0=100; u=1+b=1,2;d=1+a=0,7;T=2.

a) Dla jakich wartości stopy procentowej r model jest wolny od arbitrażu? Wyznaczyć dla tych wartości miarę martyngałową.

b) Niech r=10⁢%. Znaleźć cenę arbitrażową europejskich wypłat:

X=min⁡S1,S2-90+,
Y=S2-S1-10+.
Rozwiązanie: 

a) r∈0;0,2. Miara martyngałowa P* jest zadana przez p=2⁢r+0,6.

b) p=0,8; Π0⁢X=15,87; Π0⁢Y=7,93.

Ćwiczenie 5.8

Niech w modelu CRR S0=80;u=1,3;T=2;r=0,2.

a) Dla jakich d model jest wolny od arbitrażu?

b) Dla d=1,1 wycenić opcję europejską o wypłacie X=S0+S1+S23-85+. Znaleźć strategię replikującą.

Rozwiązanie: 

a) 0<d<1,2; b) Miara martyngałowa P* jest zadana przez p=0,5, Π0⁢X=8,38.

Ćwiczenie 5.9

Udowodnić, że w modelu CRR cena wypłaty postaci X=g⁢ST, gdzie g∈C2, g⁢0=0 jest równa

Π0⁢X=S0⁢g′⁢0+∫0∞C0⁢y⁢g′′⁢y⁢d⁢y, (5.22)

gdzie C0⁢y jest ceną arbitrażową w chwili 0 europejskiej opcji kupna akcji o cenie S z terminem wykonania T i z ceną wykonania y.

Rozwiązanie: 

Wzór Taylora z resztą w postaci całkowej ma postać

g⁢x=g⁢0+g′⁢0⁢x+∫0∞x-y+⁢g′′⁢y⁢d⁢y,

a stąd wynika wzór (5.22).

Ćwiczenie 5.10

a) Znaleźć wariancję stopy zwrotu w n-tym modelu CRR.

b) Znaleźć σ znając wariancję stopy zwrotu (tj. przyjmując D2⁢Ut=A, gdzie A jest wariancją teoretyczną z modelu ciągłego Blacka-Scholesa lub A jest wariancją wyestymowaną z rynku.

c) Znaleźć σ, gdy wybierzemy inny (ogólniejszy) n-ty model CRR, czyli taki, że un⁢dn=γ, gdzie γ jest stałą dodatnią (dla γ=1 rozwiązanie otrzymaliśmy w punkcie b)).

Rozwiązanie: 

a) D2⁢Ut=er⁢δn⁢eσ⁢δn+e-σ⁢δn-1-e2⁢r⁢δn.

b) Przyjmując y=eσ⁢δn, B=er⁢δn otrzymujemy równanie kwadratowe

y2-2⁢C⁢y+1=0.

Stąd wyliczamy y, a następnie σ.

Ćwiczenie 5.11

Udowodnić, że nierówność (5.15) zachodzi dla n>r2⁢Tσ2

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.