6.1. Cena sprzedającego i kupującego
Definicja 6.1
Ceną sprzedającego wypłatę X
nazywamy wielkość
|
Π0sX=infz:∃φ∈ΦV0φ=z,VTφ≥X. |
| (6.1) |
Jest to najmniejsza wielkość kapitału początkowego pozwalającego
sprzedającemu pokryć swoje zobowiązania bez ryzyka, czyli doskonale
zabezpieczyć wypłatę X, gdyż sprzedający mając tę kwotę
i postępując zgodnie ze strategią φ otrzymuje w chwili T
ze swojej inwestycji co najmniej X. Cena sprzedającego
Π0sX jest zawsze skończona, bo wypłata X jest ograniczona
przez pewną stałą K, a stała jest wypłatą osiągalną mającą
skończoną cenę. Korzystając z definicji infimum możemy otrzymać
warunek równoważny z (6.1):
|
Π0sX=supz:∀φ∈ΦV0φ=z,PVTφ<X>0. |
|
Gdy sprzedający weźmie zapłatę mniejszą niż Π0sX, to
z dodatnim prawdopodobieństwem poniesie stratę.
Patrząc z drugiej strony na transakcję mamy cenę kupującego. Jest to
maksymalna cena, jaką kupujący jest gotowy zapłacić za walor X.
Jest to maksymalny kapitał taki, że startując z pożyczki równej temu
kapitałowi kupujący jest w stanie znaleźć strategię φ
generującą kapitał VTφ w chwili T i taką, że wraz
z wypłatą X otrzymywaną w chwili T kupujący osiąga pozycję
nieujemną:
|
Π0bX=supz:∃φ∈ΦV0φ=-z,VTφ+X≥0. |
| (6.2) |
Lemat 6.1
Równoważne sformułowania ceny kupującego:
|
Π0bX | =-infz:∃φ∈ΦV0φ=z,VTφ≥-X. |
| (6.3) |
|
Π0bX | =-Π0s-X, |
| (6.4) |
|
Π0bX | =supz:∃φ∈ΦV0φ=z,VTφ≤X. |
| (6.5) |
Z (6.5) wynika, że cenę kupującego można interpretować
jako cenę najdroższej strategii dającej w chwili T wypłatę
mniejszą lub równą wypłacie X.
Twierdzenie 6.1
Niech M będzie rynkiem bez możliwości
arbitrażu. Wtedy
|
| Π0sX-Π0bX=infz:∃φ∈ΦV0φ=z,VTφ≥X+ |
|
|
| +infy:∃ψ∈ΦV0ψ=y,VTψ≥-X≥ |
|
|
| ≥infz+y:∃φ,ψ∈ΦV0φ=z,V0ψ=y,VTφ≥X,VTψ≥-X |
|
|
| ≥inf{z¯:∃φ¯∈ΦV0(φ¯)=z¯,VT(φ¯)≥0}=I, |
|
bo z liniowości przestrzeni portfeli mamy V0φ+ψ=x+y,VTφ+ψ≥0. Z założenia braku arbitrażu I≥0 (patrz ćw. 6.2).
∎
Dla wypłaty osiągalnej pojęcia ceny kupującego i sprzedającego
pokrywają się z ceną arbitrażową. Zatem są rozszerzeniami ceny
arbitrażowej na wszystkie wypłaty.
Twierdzenie 6.2
Niech M będzie rynkiem bez możliwości
arbitrażu, a X wypłatą osiągalną. Wtedy
Niech φ replikuje X, czyli VTφ=X, stąd i z
(6.5) i (6.1)
i tw. 6.1 daje tezę.
∎
Okazuje się, że ceny Π0sX i Π0bX można znaleźć
korzystając z miar martyngałowych.
Twierdzenie 6.3
Niech M będzie rynkiem bez możliwości arbitrażu. Wtedy
|
Π0bX=infP∈PMEPXBT, |
| (6.6) |
|
Π0sX=supP∈PMEPXBT. |
| (6.7) |
Korzystając z (6.4) wystarczy udowodnić
(6.7) (bo -sup(-xα)==infxα).
Jeśli wypłata X jest osiągalna, to EPXBT nie
zależy od wyboru miary martyngałowej,
i teza zachodzi na mocy tw. 6.2. Niech X będzie wypłatą
nieosiągalną, a Y osiągalną taką, że Y≥X (takie Y
istnieje zawsze, bo zbiór Ω jest skończony, więc X≤K=const). Wtedy dla każdego P∈PM
zachodzi
a więc
|
Π0Y≥supP∈PMEPXBT. |
| (6.8) |
Z (6.8) wobec dowolności Y otrzymujemy
|
infz:∃φ∈ΦV0φ=z,VTφ≥X≥supP∈PMEPXBT, |
|
czyli
Ostatnią część dowodu twierdzenia zostawiamy jako zadanie dla
Czytelnika.
∎
Wniosek 6.1
Monotoniczność cen Gdy rynek jest
wolny od arbitrażu oraz wypłaty X,Y spełniają X≥Y, to
|
Π0sX≥Π0sY,Π0bX≥Π0bY. |
|
Wniosek jest konsekwencją wzorów (6.6) i (6.7)
oraz własności wartości oczekiwanej.
∎
Warto zauważyć, że w przeciwieństwie do ceny arbitrażowej ceny
kupującego i sprzedającego nie są operatorami liniowymi (patrz ćw.
6.5), czyli rozszerzenia nie zachowują własności liniowości
na całej dziedzinie, choć są liniowe na przestrzeni wypłat
osiągalnych.
Przykład 6.1
Wróćmy znowu do rynku z przykł. 4.2a. Jak widzieliśmy,
istnieje na nim wiele miar martyngałowych. Postać wypłat osiągalnych
znaleźliśmy w przykł. 4.3. Wypłata X=x1,x2,x3 jest
osiągalna, gdy x1+3x2-4x3=0.
Znajdziemy teraz cenę kupującego i sprzedającego wypłaty
nieosiągalnej. Załóżmy, że
Korzystając
z (6.6) mamy:
|
Π0bX | = | infP∈PMEPXBT-1= |
|
|
| = | infp∈0,4/556-px1+3x2-4x34+x1+4x25=x2+4x36, |
|
a z (6.8) mamy:
|
Π0sX | = | supP∈PMEPXBT-1= |
|
|
| = | supp∈0,4/556-px1+3x2-4x34+x1+4x25=x1+4x26. |
|
Przypadek x1+3x2-4x3<0 rozpatrujemy podobnie.
Gdy cena przekracza Π0sX, to sprzedający ma możliwość
uzyskania zysku bez ryzyka, a gdy cena jest mniejsza niż
Π0bX, to kupujący ma możliwość arbitrażu (patrz ćw.
6.4).
6.2. Uogólniona cena arbitrażowa
Możemy na problem wyceny instrumentów
nieosiągalnych spojrzeć jeszcze inaczej. Uogólnimy pojęcie ceny
arbitrażowej na dowolną wypłatę w następujący sposób:
Definicja 6.2
Liczbę c nazywamy uogólnioną ceną
arbitrażową wypłaty X na rynku M=S0,…,Sk,Φ wolnym od arbitrażu, gdy istnieje proces adaptowany
Sk+1 taki, że
i rynek rozszerzony o instrument o cenie Sk+1 jest rynkiem bez
możliwości arbitrażu.
Zatem c jest uogólnioną ceną arbitrażową wypłaty X, gdy
sprzedaż wypłaty X po cenie c nie wprowadza na rynku
możliwości arbitrażu (por. z wnioskiem 4.5). Wtedy proces
Sk+1 jest procesem ceny wypłaty X o uogólnionej cenie
arbitrażowej c. Z tej definicji wynika, że uogólnionych cen
arbitrażowych wypłaty X może być wiele. Przez Ξ0X będziemy
oznaczać zbiór uogólnionych cen arbitrażowych wypłaty X.
Weźmy element x∈Ξ0X. Z pierwszego podstawowego
twierdzenia matematyki finansowej (tw. 4.2)
wynika, że istnieje miara martyngałowa Q dla rynku rozszerzonego,
a mianowicie taka miara probabilistyczna Q, że S*i jest
Q-martyngałem dla i∈1,…,k+1, czyli
|
S*it=EQ(S*iT|Ft)∀t∈{0,…,T},i∈{1,…,k+1}. |
|
Stąd wynika w szczególności, że Q∈PM oraz
x=S0k+1=EQST*k+1=EQXB-T. Zatem x∈EPXBT-1:P∈PM.
Teraz udowodnimy inkluzję odwrotną. Niech y=EPXBT-1
dla pewnego P∈PM. Definiujemy proces
Sk+1 wzorem Sk+1t=BtEP(XB-1T|Ft). Na
mocy definicji y=S0k+1, STk+1=X oraz proces S*k+1 jest P-martyngałem, więc rynek rozszerzony o instrument
o cenie Sk+1 jest rynkiem bez możliwości arbitrażu. Stąd y∈Ξ0X.
∎
Z tego twierdzenia wynika, że
Wniosek 6.2
Jeśli M jest rynkiem bez możliwości arbitrażu, X jest
wypłatą osiągalną, to Ξ0X jest zbiorem jednoelementowym i
Zatem dla wypłaty osiągalnej jej cena otrzymana z def.
6.2 jest równa cenie arbitrażowej, co uzasadnia nazywanie
ceny z def. 6.2 uogólnioną ceną arbitrażową.
Uwaga 6.1
Zachodzą równości:
|
infx:x∈Ξ0X | = | infP∈PMEPXBT-1=Π0bX, |
|
|
supx:x∈Ξ0X | = | supP∈PMEPXBT-1=Π0sX. |
|
Zbiór EPXBT-1:P∈PM jest pusty (gdy na rynku jest arbitraż) lub jest odcinkiem,
gdyż zbiór miar martyngałowych PM jest zbiorem
wypukłym. Można udowodnić, że gdy rynek jest wolny od arbitrażu, ale
nie jest zupełny, to jest to przedział otwarty.
Odcinek o końcach Π0bX i Π0sX nazywamy przedziałem
braku arbitrażu.
Przedział Π0bX,Π0sX jest przedziałem cen
akceptowanych przez obie strony kontraktu. Stąd potencjalny zysk
(gdyż ceny są losowe) jest traktowany jako wynagrodzenie za zgodę na
ryzyko.
Z rozważań przeprowadzonych w tym paragrafie wiemy, że cena
akceptowana przez obie strony kontraktu należy do przedziału
Π0bX,Π0sX. Celem dalszych badań, których nie
będziemy tu opisywać, jest znalezienie najlepszej ceny z tego
przedziału, czyli należy znaleźć miarę martyngałową Q, zwaną miarą
wyceniającą, dającą cenę za pomocą wzoru EQXBT-1. Są
różne metody wyboru takiej miary martyngałowej Q. Zależą one od
subiektywnie przyjętych kryteriów.
6.3. Zagadnienia i zadania na ćwiczenia
Ćwiczenie 6.1
Udowodnić lemat 6.1.
Rozwiązanie:
(6.3) wynika natychmiast z tego, że
|
supφ∈A-V0φ=-infφ∈AV0φ, |
|
gdzie A=φ∈Φ:VTφ≥-X.
Ćwiczenie 6.2
Udowodnić tw. 6.1.
Ćwiczenie 6.3
Udowodnić tw. 6.2 bez korzystania z tw. 6.1.
Rozwiązanie:
a) Π0sX=Π0X. Niech φ replikuje X, tj.
VTφ=X, stąd
Pokażemy, że zachodzi równość. Warunek Π0X>Π0sX
pociąga za sobą istnienie strategii ψ∈Φ takiej, że
|
Π0sX≤V0ψ<V0φorazVTψ≥X. |
|
Ale wtedy portfel ψ-φ jest arbitrażem, gdyż
VTψ-φ≥0 i V0ψ-φ<0.
b) Π0bX=Π0X. Niech portfel φ replikuje X.
Wtedy VTφ=X, więc z (6.5)
Gdyby Π0X<Π0bX, to istniałoby ψ∈Φ takie, że
|
VTΨ≤XiΠ0bX≥V0ψ>V0φ. |
|
Ale wtedy portfel φ-ψ jest arbitrażem, bo
V0φ-ψ<0 oraz
Ćwiczenie 6.4
a) Podać przykład strategii dającej zysk bez ryzyka,
gdy kontrakt X został sprzedany za cenę s>Π0sX.
b) Załóżmy, że kupujący nabył wypłatę X za cenę s<Π0bX.
Jak powinien postępować, by osiągnąć zysk bez ryzyka?
Rozwiązanie:
Ponieważ Π0sX<s, więc istnieje portfel φ∈Φ,
taki że V0φ=z, VTφ≥X oraz Π0sX<z<s. Sprzedawca kontraktu konstruuje za kwotę z portfel
φ i ze sprzedaży kontraktu i nabycia portfela φ ma
dodatni zysk w chwili T:
|
s-X+VTφ-z=s-z+VTφ-X≥s-z>0. |
|
Ćwiczenie 6.5
Znaleźć przykład wypłat X i Y, takich że
a)
b)
Rozwiązanie:
Rozpatrzmy rynek z przykł. 4.2. Niech Y=1/2,1/2,1,
X=-Y. Wtedy
|
Π0sX+Y | = | 0,Π0sY+Π0sX=34-512=13>0, |
|
|
Π0bX+Y | = | 0,Π0bY+Π0bX=512-34=-13<0. |
|
Ćwiczenie 6.6
Rozpatrzmy rynek jednookresowy z trzema możliwymi zdarzeniami
losowymi. Inwestor uważa, że są one jednakowo prawdopodobne. Na
rynku stopa procentowa bez ryzyka wynosi 5% i jest jedna akcja
mająca proces cen postaci:
|
S01=10,S11ω1=8,S11ω2=11,S11ω3=12. |
|
Wycenić wypłaty:
|
X=1,1,1,Y=2,3,1,Z=1,0,0. |
|
Rozwiązanie:
Wypłata X jest osiągalna i Π0X=1/1,05=0,95. Wypłaty
Y,Z nie są osiągalne. Znajdujemy ogólną postać miary
martyngałowej P*:
|
P*ω1=p,P*ω2=1,5-4p,P*ω3=3p-1/2,p∈1/6,3/8. |
|
Zatem EP*Y=4-7p, EP*Z=p, a stąd Π0sY=2,70, Π0bY=1,31, Π0sZ=38,4=0,36, Π0bZ=16,3=0,16.