Az Itô-lemma
A „Véletlen bolyongás és Brown-mozgás” című lecke megmutatta, hogy a Brown-pályáknak sehol sincs meredekségük, ezért a szokásos analízis közvetlenül nem alkalmazható rájuk. Ez a lecke a helyettesítőjét mutatja be, az Itô-lemmát, vagyis a véletlen folyamatok függvényeire vonatkozó láncszabályt. Kulcsa egy meglepő tény a Brown-mozgás növekményeinek négyzetéről.
Növekmények folytonos időben
Jelölje egy Brown-mozgás (Wiener-folyamat) növekményét egy rövid időszak alatt. A Brown-mozgás definíciója szerint ez normális eloszlású, várható értéke nulla, varianciája :
A Brown-mozgás hajtotta folyamatokat szintén a növekményükkel írjuk le. Az általános Itô-folyamatnak van egy driftje és egy volatilitása, amelyek függhetnek az időtől és a pillanatnyi értéktől:
Olvassuk egyetlen kis lépés receptjeként: egy determinisztikus elmozdulás, plusz egy véletlen elmozdulás, amelynek jellemző mérete . Kis esetén a véletlen rész sokkal nagyobb a drift résznél, hiszen sokkal nagyobb -nél.
Kvadratikus variáció
A szokásos analízisben a kis növekmények négyzete elhanyagolható: ha kicsi, még sokkal kisebb, és a határátmenetben eltűnik. A Brown-mozgásnál ez nem így van. Osszuk fel a intervallumot darab hosszú lépésre, és adjuk össze a növekmények négyzetét:
Minden négyzetes növekmény várható értéke , így minden -re . Mindegyik varianciája (ez a normális eloszlás egy tulajdonsága), a növekmények pedig függetlenek, ezért
Az összeg megtartja a várható értéket, a véletlensége viszont eltűnik: a határértékben pontosan . Ez a határérték a Brown-mozgás kvadratikus variációja. Példa: a intervallumon szórása , ami esetén , esetén , esetén .
Egy sima pályára ugyanez az összeg nullához tart, mert minden négyzetes növekmény nagyságrendű. A Brown-mozgás annyira egyenetlen, hogy a négyzetes növekményei véges összeget adnak.
Az abszolút növekmények összege egészen másképp viselkedik. Minden várható értéke , így a intervallumon a teljes variáció várható értéke : esetén kb. , esetén , esetén . Ez minden határon túl nő. A Brown-pálya által megtett út végtelen hosszú, a lépések négyzetének összege mégis az eltelt időhöz tart.
Az ábra négy Brown-pályát rajzol a intervallumon, mindegyiket darab normális növekményből, és mindegyikre a futó összeget ábrázolja függvényében, a egyenessel együtt. Válts az , és között, és nyomd meg néhányszor az „Új pályák” gombot. A futó összegek növelésével egyre szorosabban követik az egyenest. A 2000 pályán, -nél számolt kijelzők szerint a átlaga 1 közelében marad, szórása -ként csökken, a átlaga pedig -ként nő.
- Σ(ΔW)² átlaga t = 1-ben (2000 pálya)
- 1.000
- Σ(ΔW)² szórása
- 0.141 (√(2/n) = 0.141)
- Σ|ΔW| átlaga
- 7.98 (√(2n/π) = 7.98)
Az eredményt a kis növekmények szorzási szabályaiként szokás felírni:
Kvadratikus variáció: a Brown-mozgás négyzetes növekményei a intervallumon -t adnak összegként. Röviden: .
Az Itô-lemma
Legyen sima függvény, pedig a fenti Itô-folyamat. Az folyamat növekményét keressük. Fejtsük -et másodrendig Taylor-sorba:
A szokásos analízisben a harmadik tagot elhagynánk. Itt meg kell tartani. Emeljük négyzetre a növekményt a szorzási szabályokkal: a és tagok eltűnnek, csak marad meg:
A magasabb rendű tagok vagy kisebb nagyságrendűek, és eltűnnek. Behelyettesítve kapjuk az Itô-lemmát:
A szokásos láncszabályhoz képest egyetlen új drifttag jelenik meg, a . Ez a Brown-pályák egyenetlenségének ára: görbülete véletlen ingadozásait szisztematikus driftjévé alakítja.
A Brown-mozgás négyzete
Legyen (tehát , ) és , ahol és . Az Itô-lemma szerint
A szokásos analízis csak a tagot adná. A véletlen tag várható értéke nulla, így a felhalmozott növekmények várható értékét véve marad, összhangban a tulajdonsággal. Az extra nélkül a várható érték tévesen nulla maradna.
A részvényár logaritmusa
A „Geometriai Brown-mozgás” lecke modellje , vagyis egy Itô-folyamat és együtthatókkal. Alkalmazzuk az Itô-lemmát az függvényre, ahol és :
A jobb oldal együtthatói állandók, így a intervallumon közvetlenül összegezhető:
Ez a „Geometriai Brown-mozgás” leckében idézett megoldás, és a korrekció pontosan az Itô-féle extra tag. A naiv analízis log-driftet jósolt volna.
Példa: , , . A logár évente ütemben sodródik, nem -cal. év alatt a logár középpontja , ami medián árnak felel meg. A naiv egyenes -re mutatna, ami a várható ár, nem pedig az, ahol egy tipikus pálya végződik.
A korrekció nagysága
Vegyünk egy napot, , mellett. A hozam véletlen része, , jellemzően kb. . Ennek négyzete kb. , ugyanolyan nagyságrendű, mint a napi drift. Az ilyen négyzetek napról napra összeadva nem átlagolódnak ki, mert sosem negatívak. Ezért változtatja meg a másodrendű tag a driftet, és ezért nem hagyható el.
Összefoglalás
- Egy Itô-folyamat szerint mozog: egy drift lépés plusz egy kb. méretű véletlen lépés.
- A Brown-növekmények négyzete az eltelt időt adja összegként: , míg és eltűnik.
- Itô-lemma: . A tag a szokásos analízishez képest új.
- GBM esetén -re alkalmazva adódik.
A következő lecke, a „Mértékcsere és a Girsanov-tétel”, megmutatja, hogyan lép árazáskor a megoldásban szereplő drift helyére; ezután a „Monte Carlo-opcióárazás” az így kapott képlettel sorsol végső részvényárakat, és átlagolással becsül opciós árakat.