A tükrözési elv és az első elérési idők
Ez a lecke kiszámítja a Brown-mozgás futó maximumának eloszlását, valamint annak az időpontnak az eloszlását, amikor a folyamat először elér egy adott szintet. Az eszköz a tükrözési elv, amely a „A Brown-mozgás tulajdonságai” című lecke erős Markov-tulajdonságán és a „Filtrációk, adaptált folyamatok és megállási idők” című lecke megállásiidő-fogalmán alapul. Az eredmények pontos, zárt alakú képletek, és ezekre épül a korlátos (barrier) opciók árazása.
Futó maximum és első elérési idő
Legyen standard Brown-mozgás természetes filtrációval, és rögzítsünk egy szintet. A futó maximum és az első elérési idő
A maximum létezik, mert a pálya a kompakt intervallumon folytonos. Mivel és a pályák folytonosak, a Bolzano-tétel az alábbi eseményazonosságot adja:
megállási idő. A folytonosság miatt pontosan akkor teljesül, ha minden -hez van olyan racionális , amelyre , ezért
vagyis megszámlálható sok, egyenként a időpontban ismert esemény kombinációja. A rekurrencia miatt majdnem biztosan; ez az alábbi képletből is következik.
A tükrözési érvelés
Definiáljuk a tükrözött pályát: kövessük -t addig, amíg először eléri -t, utána tükrözzük az egyenesre:
Állítás: ismét standard Brown-mozgás. Itt lép be az erős Markov-tulajdonság. A megállási időben alkalmazva azt mondja, hogy a , folyamat -tól független Brown-mozgás, így speciálisan független a megállított pályától. A szimmetria miatt is -tól független Brown-mozgás. Ezért a (megállított pálya, ) és a (megállított pálya, ) párok együttes eloszlása azonos. az első párból úgy áll elő, hogy a megállított pályához -ban hozzáragasztjuk -t, pedig a második párból ugyanezzel a ragasztó leképezéssel, tehát és eloszlása megegyezik.
Mindkét feltétel lényeges. Rögzített időpontban elég volna a közönséges Markov-tulajdonság, de véletlen. Előretekintő véletlen időpontra pedig az érvelés megbukna: ha például a -en vett maximum elérésének időpontjában állnánk meg, utána a pálya kénytelen a maximuma alatt maradni, tehát nem friss Brown-mozgás.
Most számoljuk meg a pályákat. ugyanabban a időpontban éri el -t, mint , és a eseményen , így pontosan akkor, ha . Felhasználva, hogy eloszlása -éval egyezik, és hogy ,
Mivel , az eseményt előjele szerint kettébontva kapjuk a tételt.
Tükrözési elv: és esetén . Speciálisan eloszlása megegyezik eloszlásával.
Az utolsó állítás azért igaz, mert esetén . Jó kép erre egy magasságban elhelyezett tükör: minden pályának, amely megérinti -t és alatta végez, van egy ugyanolyan valószínű tükörképe, amely fölötte végez, így az érintő pályák egyenlően oszlanak meg a két oldal között. A pénzfeldobásos bolyongásra ugyanez az érvelés -es lépésekkel pontos, és ez André klasszikus megoldása a szavazási problémára.
Számpélda
Legyen , . Ekkor , és
Körülbelül minden harmadik pálya eléri az 1-es szintet egységnyi idő alatt, pedig csak minden hatodik végez fölötte. Mivel , a maximum várható értéke .
Alkalmazás: modellezzük a logárfolyamot drift nélkül, , ahol és . Annak valószínűsége, hogy a részvény egy éven belül megérinti a 120-at, megegyezik annak valószínűségével, hogy a időpontig eléri az szintet:
Ha a logárfolyamnak driftje van, , a tükrözési elv közvetlenül nem alkalmazható, mert a driftes folyamat nem szimmetrikus. A „Mértékcsere és a Girsanov-tétel” című leckében a drift eltávolításával kapott eredmény
esetén ez -re egyszerűsödik. mellett (nulla várható részvényhozam) a fenti érintési valószínűség körülbelül .
Az ábra rögzíti a értéket, az szint pedig 0,2 és 2,5 között állítható (alapérték 1). Egy olyan mintapályát rajzol, amely eléri -t (addig sorsol újra, amíg ilyet nem talál), az egyenest, valamint szaggatott vonallal a pálya utáni tükörképét; az „Új pálya” gomb újat sorsol. A kijelzők 20 000, egyenként 500 lépéses szimulált pályából számolnak: azon pályák aránya, amelyek maximuma legalább , a pontos érték, és azon pályák aránya, amelyekre . Az első közel kétszerese a harmadiknak. Kissé el is marad a pontos értéktől, mert a szimulált maximumot csak az 500 rácspontban vesszük, így a rácspontok közötti átlépések rejtve maradnak; esetén helyett nagyjából jön ki. „A Brown-híd” című lecke kiszámítja egy ilyen rejtett átlépés valószínűségét.
- max ≥ a aránya (20 000 pálya)
- 30.98%
- 2·P(W₁ ≥ a)
- 31.73%
- W₁ ≥ a aránya
- 16.05%
Az első elérési idő eloszlása
Mivel , a tükrözési elv megadja eloszlásfüggvényét, szerint deriválva pedig (felhasználva, hogy ) a sűrűségfüggvényét:
Ez a Lévy-eloszlás. Két tény következik belőle:
- : minden szintet majdnem biztosan elér.
- : nagy -re , ami az intervallumon nem integrálható.
A szint elérése biztos, a várható várakozási idő mégis végtelen. A medián véges: , ha , azaz . Az szorzó a skálázás következménye: eloszlása megegyezik eloszlásával. Ez megvilágít egy pontot a „Feltételes várható érték és martingálok” című leckéből is: martingál kezdőértékkel, mégis . A -ban való megállás csak azért teszi a fair játékot biztos nyereséggé, mert nem korlátos és várható értéke végtelen, így az opcionális megállási tétel nem alkalmazható.
A maximum és a végpont együttes eloszlása
Ugyanez a tükrözés többet is ad. Ha és , akkor a eseményen a feltétel ekvivalens a feltétellel, és maga után vonja, hogy . Ezért
és szerint deriválva kapjuk az együttes sűrűségfüggvényt:
Például annak valószínűsége, hogy a pálya az 1-es időpontig eléri az 1-et, de legfeljebb 0-ban végez, .
A korlátos opciókhoz éppen erre az együttes eloszlásra van szükség. Egy felfelé kiütő (up-and-out) vételi opció csak akkor fizet összeget, ha az árfolyam a teljes időszakban a korlát alatt marad. A Black–Scholes-modellben a logárfolyam driftes Brown-mozgás, az opció ára pedig a kifizetés diszkontált integrálja a maximum és a végpont együttes sűrűségfüggvénye szerint, a fenti módon driftre korrigálva. A gyakorlatban használt zárt alakú korlátos opciós árak pontosan ebből a számításból származnak.
Összefoglalás
- megállási idő, és .
- A -beli erős Markov-tulajdonság miatt a után tükrözött pálya is Brown-mozgás; ebből és .
- sűrűségfüggvénye az Lévy-sűrűség: majdnem biztosan véges, de várható értéke végtelen.
- esetén ; ezzel az együttes eloszlással árazhatók a korlátos opciók.
- Diszkrét időrácson a szimulált maximum lefelé torzít, mert a rácspontok közötti átlépések kimaradnak.