Liczba godzin 6.
Zakres materiału:
Funkcja użyteczności. Kryterium oczekiwanej użyteczności. Dominacja stochastyczna. Podstawowe miary ryzyka.
W tym wykładzie analizie poddane zostaną inwestycje jednookresowe.
W momencie
Pytanie.
Jaką metodę (strategię) ma zastosować inwestor, aby
wybrać najlepszą z wielu możliwych inwestycji?
Odpowiedź matematyka jest następująca:
Inwestor powinien wprowadzić na zbiorze wszystkich możliwych (dopuszczalnych) inwestycji
relację określającą, które z nich są ,,lepsze”, a które ,,gorsze”.
W poniższym podrozdziale omówimy własności takich relacji, a w kolejnych zajmiemy się ich konstrukcją.
Zastosowanie standardowych relacji porządkujących (patrz [35] rozdział IX) wymaga od inwestora informacji niejednokrotnie niemożliwych do uzyskania dlatego znacznie bardziej praktyczne jest wprowadzenie relacji quasi-porządkujących.
Relację
a) zwrotna
b) przechodnia
Z każdą relacją quasi-porządku
Zauważmy, że dla dwóch różnych elementów
Założenia:
1. Inwestor zna rozkłady prawdopodobieństwa ewentualnych inwestycji.
2. Inwestor postępuje w sposób racjonalny.
Inwestorowi przyporządkowuje się funkcję użyteczności (satysfakcji) ([30, 12])
Inwestor postępuje w sposób racjonalny, jeśli wybiera inwestycję o największej oczekiwanej użyteczności wypłaty
Do wyznaczania oczekiwanej użyteczności wykorzystuje się uogólnioną wartość oczekiwaną
([26] §1.1.3), która może przyjmować wartości zarówno skończone, jak i nieskończone (
Przypomnijmy, że dla dowolnej liczby rzeczywistej
Zauważmy, że tylko w przypadku, gdy
Na funkcję użyteczności
1.
2.
Uwaga. Funkcja
jest wypukły. Jest to równoważne następującemu warunkowi:
dla dowolnych nieujemnych wag
(Więcej informacji czytelnik znajdzie w książce [38], która jest
znakomitym kompendium wiedzy o funkcjach wypukłych.)
Wklęsłość uzasadnia się tym, że tłumaczy ona pewne stylizowane fakty. Otóż każda funkcja wklęsła i niemalejąca spełnia następujące oszacowania:
Możemy je zinterpretować w następujący sposób:
,,Ta sama kwota zysku bardziej cieszy, gdy mamy mniej.”
,,Taka sama strata bardziej boli, gdy mamy mniej.”
,,Strata bardziej boli, niż zysk cieszy.”
Zauważmy, że sformułowane powyżej kryterium
oznacza, że z każdą funkcją użyteczności
Wypłata, dla której oczekiwana użyteczność jest nieokreślona, tzn.
jest nieporównywalna z innymi wypłatami. Natomiast każde dwie wypłaty o określonej oczekiwanej użyteczności (skończonej lub nieskończonej) są porównywalne.
Jeżeli dla ustalonej funkcji użyteczności
Przez
Niech
Ponieważ funkcja
i. zbiorem pustym (
ii. całą prostą rzeczywistą (
iii. półprostą otwartą (
iv. półprostą domkniętą (
Przypadek i.
(
Przypadek ii.
Przypadek iii.
Ciągłe
jest obcięcie
Przypadek iv.
Będziemy wówczas przedstawiać funkcję
gdzie
Funkcje wklęsłe, ciągłe na swojej dziedzinie efektywnej, można scharakteryzować za pomocą funkcji liniowych.
Jeśli funkcja wklęsła
Dowód – [23] lemat 5.2.1.
Zauważmy, że gdy zmienna losowa
Oznacza to, że inwestor z góry odrzuca możliwość wyboru inwestycji (strategii) o takiej wypłacie.
Omówimy teraz podstawowe własności oczekiwanej użyteczności. Szczególną uwagę zwrócimy na kryteria
pozwalające stwierdzić, czy dla danej zmiennej losowej
Jeśli prawie na pewno
Jeśli ponadto
Dowód.
Ponieważ
Zatem zmienna losowa
Ponieważ
Gdy
Zatem
Ponieważ
oczekiwana użyteczność
Przeformułujemy teraz powyższe twierdzenie w terminach quasi-porządku.
Jeżeli oczekiwane użyteczności
Ponadto, jeśli
Zauważmy, że z powyższego twierdzenia wynika prosty warunek dostateczny istnienia oczekiwanej użyteczności.
Jeżeli prawie na pewno
Dowód.
Skoro
Jeżeli zmienna losowa
i. oczekiwana użyteczność
ii.
iii. dla dowolnego
Ponadto, jeśli
Uwagi.
1. Funkcja wklęsła jest ściśle wklęsła, gdy na żadnym przedziale nie jest liniowa,
tzn. gdy prosta styczna do wykresu ma z nim tylko jeden punkt wspólny.
2. Punkt iii. oznacza, że jeśli uśrednimy wypłatę, to
jej oczekiwana
użyteczność nie zmaleje.
Dowód.
Ad ii. oraz i.
Jeżeli
Niech
bedzie równaniem prostej stycznej do wykresu
Zatem zmienna losowa
Ale jak łatwo zauważyć,
Z tego wynika, że istnieje oczekiwana użyteczność
Gdy
albo
Ad iii.
Dowód punktu iii. jest trochę bardziej skomplikowany.
Zatem jej oczekiwana użyteczność jest określona i nie większa niż
Następnie korzystamy z twierdzenia o iterowaniu wartości oczekiwanej i otrzymujemy następującą nierówność
Co kończy dowód iii.
Gdy
Ponadto rozkład
zatem
A z tego wynika, że dla
Przeformułujemy powyższe twierdzenie w terminach quasi-porządku.
Jeżeli
Ponadto, jeśli
Z powyższego twierdzenia wynika również następująca charakteryzacja niechęci (awersji) do ryzyka.
Inwestor, który planuje inwestycje w oparciu o ściśle wklęsłą funkcję użyteczności,
mając do wyboru inwestycję pewną o znanej z góry wypłacie
Natomiast z punktu iii. twierdzenia 13.2 wynika warunkowa monotoniczność oczekiwanej użyteczności.
Jeżeli para
oraz
Dowód.
Z twierdzenia 13.2 wynika, że oczekiwana użyteczność
Natomiast z twierdzenia 13.1 otrzymujemy istnienie
Co kończy dowód.
Z twierdzenia 13.2 wynika tylko górne ograniczenie na oczekiwaną użyteczność. Dolne ograniczenie
może nie istnieć. Okazuje się, że skończona wartość oczekiwana wypłaty
Na zakończenie pokażemy, że oczekiwana użyteczność jest wklęsła.
Jeżeli zmienne losowe
i. zmienna losowa
ii.
Ponadto, jeśli
Dowód.
Zatem zmienna losowa
Gdy
Zatem nieujemna zmienna losowa
Jeżeli istotnie różne zmienne losowe
Dowód.
Niech
Zatem kombinacja wypukła
Z powyższego wniosku wynika następująca zasada dywersyfikacji portfela.
Inwestor, który planuje inwestycje w oparciu o ściśle wklęsłą funkcję użyteczności,
mając do wyboru trzy inwestycje wymagające takich samych nakładów, o tym samym czasie życia
i o istotnie różnych wypłatach
Niech
a
Rozwiązanie.
Dla zmiennej losowej zero-jedynkowej oczekiwana użyteczność wynosi
Niech
a
Rozwiązanie.
Zatem z równości oczekiwanych użyteczności otrzymujemy
Wyznaczyć oczekiwaną użyteczność
Rozwiązanie.
Odpowiedź.
Oczekiwana użyteczność
Inwestor podejmuje decyzje w oparciu o logarytmiczną funkcję użyteczności
Może zainwestować 1000 zł w dwie inwestycje, o tym samym czasie życia. Wypłata z pierwszej ma rozkład
960 | 980 | 1000 | 1030 | 1050 | |
---|---|---|---|---|---|
prawdopodobieństwo [%] | 20 | 10 | 15 | 25 | 30 |
a z drugiej
960 | 970 | 990 | 1000 | 1010 | 1040 | 1050 | 1060 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
prawd. [%] | 15 | 5 | 5 | 15 | 5 | 25 | 20 | 10 |
Którą z inwestycji wybierze?
Rozwiązanie. Wyznaczamy oczekiwane użyteczności:
Jak widać, oczekiwana użyteczność drugiej wypłaty jest trochę większa.
Odpowiedź.
Inwestor wybierze drugą inwestycję.
Wyznaczyć oczekiwaną użyteczność dla wypłaty
i dla funkcji użyteczności
Porównać ją z użytecznością wartości oczekiwanej
Rozwiązanie. Gęstość prawdopodobieństwa rozkładu jednostajnego na przedziale o długości 2 jest równa 0,5 wewnątrz tego przedziału i 0 poza nim. Zatem
Z drugiej strony wartość oczekiwana
Odpowiedź.
Oczekiwana użyteczność dla wypłaty
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.