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4/24/2014

[隨機分析] Black-Scholes PDE for European Call option (1)

延續上篇 [隨機分析] Black-Scholes PDE for European Call option (0),這次要來證明 Black-Scholes Formula
f(t,St)=SΦ(ln(St/K)+(r+12σ2)(Tt)σTt)Ker(Tt)Φ(ln(St/K)+(r12σ2)(Tt)σTt)其中 Φ() 為 Standard Normal Cumulative distribution function (CDF)

現在令 x=St,上述的 Black-Scholes Formula 確實為 Black-Scholes PDE 的解,亦即上式為下列PDE的解:
rf(t,x)=ft(t,x)+rxfx(t,x)+12fxx(t,x)σ2x2且滿足終端邊界條件 f(T,x)=h(x), xR


我們將分成下列幾個小步驟逐步完成此證明:


步驟1:首先證明下列等式成立:

Claim 1: Ker(Tt)Φ(d2(Tt,x))=xΦ(d1(Tt,x))
其中
d1(Tt,x)=ln(x/K)+(r+12σ2)(Tt)σTtd2(Tt,x)=ln(x/K)+(r12σ2)(Tt)σTt
Proof
我們證明
Ker(Tt)Φ(d2(Tt,x))xΦ(d1(Tt,x))=0由於 Φ() 為 Standard Normal Cumulative distribution function (CDF) ,故 Φ() 即為 Standard Normal density,亦即
 {Φ(d1(Tt,x))=12πed1(Tt,x)22Φ(d2(Tt,x))=12πed2(Tt,x)22現在觀察 d2(Tt,x)=d1(Tt,x)σTt,故直接計算
Ker(Tt)Φ(d2(Tt,x))xΦ(d1(Tt,x))=Ker(Tt)12πed2(Tt,x)22x12πed1(Tt,x)22=12π[Ker(Tt)ed2(Tt,x)22xed1(Tt,x)22]=12π[Ker(Tt)e[d1(Tt,x)σTt]22xed1(Tt,x)22]=12π[Ker(Tt)ed12(Tt,x)2d1(Tt,x)σTt+σ2(Tt)2xed1(Tt,x)22]=12πed1(Tt,x)22[Ker(Tt)e2d1(Tt,x)σTt2eσ2(Tt)2x]=12πed1(Tt,x)22[Ker(Tt)eln(x/K)+(r+12σ2)(Tt)σTtσTteσ2(Tt)2x]=12πed1(Tt,x)22[Ker(Tt)(xK)e(r+12σ2)(Tt)eσ2(Tt)2x]=12πed1(Tt,x)22[er(Tt)xer(Tt)x]=0.    

步驟2:證明下列Claim:
Claim 2: (Theta of the Option)
ft(t,x)=rKer(Tt)Φ(d2(Tt,x))σx2TtΦ(d1(Tt,x))
Proof
直接計算 f(t,x) 的對 t 偏導數
ft(t,x)=tf(t,x)=t[xΦ(d1(Tt,x))KerTertΦ(d2(Tt,x))]ft(t,x)=xΦt(d1(Tt,x))                   Ker(T)[rer(t)Φ(d2(Tt,x))+er(t)Φt(d2(Tt,x))]ft(t,x)=rKer(Tt)Φ(d2(Tt,x))+xΦ(d1(Tt,x))t                     Ker(Tt)Φ(d2(Tt,x))t    ()由 Standard Normal CDF Φ() 定義,我們可以分別計算:
Φ(d1(Tt,x))t=t{12πd1(Tt,x)ez22dz}                     =12π[e(d1(Tt,x))22td1(Tt,x)]Φ(d2(Tt,x))t=12π[e(d2(Tt,x))22td2(Tt,x)]=12π[e(d2(Tt,x))22t[d1(Tt,x)σTt]]=12πe(d2(Tt,x))22[d1(Tt,x)t+σ2Tt]將上面計算出來的兩項偏導數式子帶回 (),並利用 Claim 1 的結果整理可得
ft(t,x)=rKer(Tt)Φ(d2(Tt,x))                       σ2TtKer(Tt)12πe(d2(Tt,x))22利用 d1(Tt,x)=d2(Tt,x)σTt,帶入上式
ft(t,x)=rKer(Tt)Φ(d2(Tt,x))                        σ2TtKer(Tt)12πe(d1(Tt,x)σTt)22ft(t,x)=rKer(Tt)Φ(d2(Tt,x))σ2TtKer(Tt)12πed12(Tt,x)2e2σd1(Tt,x)Tt2eσ2(Tt)2ft(t,x)=rKer(Tt)Φ(d2(Tt,x))σx2TtΦ(d1(Tt,x))

步驟3:證明下列Claim:
Claim 3: (Delta of the Option)
fx(t,x)=Φ(d1(Tt,x))
Proof
想法同Claim 2,直接計算對 x 偏導數
fx(t,x)=xf(t,x)=x[xΦ(d1(Tt,x))Ker(Tt)Φ(d2(Tt,x))]=Φ(d1(Tt,x))+xxΦ(d1(Tt,x))Ker(Tt)xΦ(d2(Tt,x))    ()分別計算
Φ(d1(Tt,x))x=x{12πd1(Tt,x)ez22dz}=12π[e(d1(Tt,x))22xd1(Tt,x)]Φ(d2(Tt,x))x=12π[e(d2(Tt,x))22xd2(Tt,x)]=12π[e(d2(Tt,x))22x[d1(Tt,x)σTt]]=12πe(d2(Tt,x))22[d1(Tt,x)x]帶回偏導式 () 可得
fx(t,x)=Φ(d1(Tt,x))+12π[xe(d1(Tt,x))22xd1(Tt,x)]Ker(Tt)12πe(d2(Tt,x))22[d1(Tt,x)x]fx(t,x)=Φ(d1(Tt,x))+12π{xe(d1(Tt,x))22Ker(Tt)e(d2(Tt,x))22}[d1(Tt,x)x]利用Claim 1的結果,我們可知
fx(t,x)=Φ(d1(Tt,x))    

現在,由上述 Claim 2 的結果: fx(t,x)=Φ(d1(Tt,x)) 我們可立刻求得 fx(t,x)x 的二階偏導數 (Gamma of the Option):
fxx(t,x)=Φ(d1(Tt,x))x=12π[e(d1(Tt,x))22xd1(Tt,x)]由於
x[ln(x/K)+(r+12σ2)(Tt)σTt]=1σTt1x
fxx(t,x)=12π[e(d1(Tt,x))221σxTt]

步驟4:證明下列 Claim:
Claim 4: Black-Scholes Formula satisfies Black-Scholes PDE

Proof
回憶 Black-Scholes PDE:
rf(t,x)=ft(t,x)+rxfx(t,x)+12fxx(t,x)σ2x2現在將 Claim 2, 3 計算出來的結果 ft(t,x),fx(t,x) 與 二階偏導數 fxx(t,x) 帶入PDE中
rf(t,x)=ft(t,x)+rxfx(t,x)+12fxx(t,x)σ2x2,我們得到
rf(t,x)=rKer(Tt)Φ(d2(Tt,x))σx2TtΦ(d1(Tt,x))                +rxΦ(d1(Tt,x))+1212π[e(d1(Tt,x))221σxTt]σ2x2f(t,x)=xΦ(d1(Tt,x))Ker(Tt)Φ(d2(Tt,x))


步驟5:證明符合 Terminal condition:
Claim 5: f(T,x)=h(x)

Proof
考慮 x>K,我們得到
limtTd1(Tt,x)=+limtTd2(Tt,x)=+
f(T,x)=SK    (1)

考慮 0<x<K
limtTd1(Tt,x)=limtTd2(Tt,x)=
f(T,x)=0    (2) 合併 (1)+(2) 得到Terminal condition:
f(T,x)=(xK)+=h(x) 

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