Zagadnienia

6. Uogólnienia ceny arbitrażowej

Dla wypłat nieosiągalnych nie mamy zdefiniowanej ceny. Teraz spróbujemy rozszerzyć pojęcie ceny, by móc wyceniać wypłaty nieosiągalne.
Na rynku bez możliwości arbitrażu cenę instrumentu osiągalnego można wyliczyć korzystając z pojęcia miary martyngałowej (wzór (4.6)). Tę wielkość chciałoby się przyjąć jako cenę wypłaty nieosiągalnej, choć nie widać sensu ekonomicznego takiego postępowania. Ale dla wypłat nieosiągalnych wielkość EP*YBT zależy od wyboru miary martyngałowej P* (patrz przykł. 4.2a). Dlatego dla wypłat nieosiągalnych musimy postępować inaczej. Będziemy naśladować postępowanie z ćwiczenia 2.15 wprowadzające pojęcie zabezpieczenia doskonałego. Pozwoli to wprowadzić pojęcia ceny kupującego i ceny sprzedającego będące rozszerzeniem ceny arbitrażowej.

6.1. Cena sprzedającego i kupującego

Definicja 6.1

Ceną sprzedającego wypłatę X nazywamy wielkość

Π0sX=infz:φΦV0φ=z,VTφX. (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:φΦV0φ=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:φΦV0φ=-z,VTφ+X0. (6.2)
Lemat 6.1

Równoważne sformułowania ceny kupującego:

Π0bX=-infz:φΦV0φ=z,VTφ-X. (6.3)
Π0bX=-Π0s-X, (6.4)
Π0bX=supz:φΦV0φ=z,VTφX. (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

Π0sXΠ0bX.
Π0sX-Π0bX=infz:φΦV0φ=z,VTφX+
+infy:ψΦV0ψ=y,VTψ-X
infz+y:φ,ψΦV0φ=z,V0ψ=y,VTφX,VTψ-X
inf{z¯:φ¯ΦV0(φ¯)=z¯,VT(φ¯)0}=I,

bo z liniowości przestrzeni portfeli mamy V0φ+ψ=x+y,VTφ+ψ0. Z założenia braku arbitrażu I0 (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

Π0sX=Π0X=Π0bX.

Niech φ replikuje X, czyli VTφ=X, stąd i z (6.5) i (6.1)

Π0bXV0φΠ0sX

i tw. 6.1 daje tezę.

Okazuje się, że ceny Π0sXΠ0bX można znaleźć korzystając z miar martyngałowych.

Twierdzenie 6.3

Niech M będzie rynkiem bez możliwości arbitrażu. Wtedy

Π0bX=infPPMEPXBT, (6.6)
Π0sX=supPPMEPXBT. (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,

Π0X=EPXBT

i teza zachodzi na mocy tw. 6.2. Niech X będzie wypłatą nieosiągalną, a Y osiągalną taką, że YX (takie Y istnieje zawsze, bo zbiór Ω jest skończony, więc XK=const). Wtedy dla każdego PPM zachodzi

EPYBTEPXBT,

a więc

Π0YsupPPMEPXBT. (6.8)

Z (6.8) wobec dowolności Y otrzymujemy

infz:φΦV0φ=z,VTφXsupPPMEPXBT,

czyli

Π0sXsupPPMEPXBT.

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 XY, to

Π0sXΠ0sY,Π0bXΠ0bY.

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

x1+3x2-4x3>0.

Korzystając z (6.6) mamy:

Π0bX=infPPMEPXBT-1=
=infp0,4/556-px1+3x2-4x34+x1+4x25=x2+4x36,

a z (6.8) mamy:

Π0sX=supPPMEPXBT-1=
=supp0,4/556-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

S0k+1=c,STk+1=X

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.

Twierdzenie 6.4
Ξ0X=EPXBT-1:PPM.

Weźmy element xΞ0X. 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 i1,,k+1, czyli

S*it=EQ(S*iT|Ft)t{0,,T},i{1,,k+1}.

Stąd wynika w szczególności, że QPM oraz x=S0k+1=EQST*k+1=EQXB-T. Zatem xEPXBT-1:PPM.

Teraz udowodnimy inkluzję odwrotną. Niech y=EPXBT-1 dla pewnego PPM. 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 yΞ0X.

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

Ξ0X=Π0X.

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:xΞ0X=infPPMEPXBT-1=Π0bX,
supx:xΞ0X=supPPMEPXBT-1=Π0sX.

Zbiór EPXBT-1:PPM 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

supφA-V0φ=-infφAV0φ,

gdzie A=φΦ: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

Π0X=V0φΠ0sX.

Pokażemy, że zachodzi równość. Warunek Π0X>Π0sX pociąga za sobą istnienie strategii ψΦ takiej, że

Π0sXV0ψ<V0φorazVTψX.

Ale wtedy portfel ψ-φ jest arbitrażem, gdyż VTψ-φ0V0ψ-φ<0.

b) Π0bX=Π0X. Niech portfel φ replikuje X. Wtedy VTφ=X, więc z (6.5)

Π0XΠ0bX.

Gdyby Π0X<Π0bX, to istniałoby ψΦ takie, że

VTΨXiΠ0bXV0ψ>V0φ.

Ale wtedy portfel φ-ψ jest arbitrażem, bo V0φ-ψ<0 oraz

VTφ-ψ=X-VTψ0.
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 φΦ, taki że V0φ=z, VTφX 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-Xs-z>0.
Ćwiczenie 6.5

Znaleźć przykład wypłat XY, takich że

a)

Π0sX+YΠ0sY+Π0sX,

b)

Π0bX+YΠ0bY+Π0bX.
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,p1/6,3/8.

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.

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.