f(t,St)=SΦ(ln(St/K)+(r+12σ2)(T−t)σ√T−t)−Ke−r(T−t)Φ(ln(St/K)+(r−12σ2)(T−t)σ√T−t)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), ∀x∈R
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: Ke−r(T−t)Φ′(d2(T−t,x))=xΦ′(d1(T−t,x))
其中
d1(T−t,x)=ln(x/K)+(r+12σ2)(T−t)σ√T−td2(T−t,x)=ln(x/K)+(r−12σ2)(T−t)σ√T−t
Proof
我們證明
Ke−r(T−t)Φ′(d2(T−t,x))−xΦ′(d1(T−t,x))=0由於 Φ(⋅) 為 Standard Normal Cumulative distribution function (CDF) ,故 Φ′(⋅) 即為 Standard Normal density,亦即
{Φ′(d1(T−t,x))=1√2πe−d1(T−t,x)22Φ′(d2(T−t,x))=1√2πe−d2(T−t,x)22現在觀察 d2(T−t,x)=d1(T−t,x)−σ√T−t,故直接計算
Ke−r(T−t)Φ′(d2(T−t,x))−xΦ′(d1(T−t,x))=Ke−r(T−t)1√2πe−d2(T−t,x)22−x1√2πe−d1(T−t,x)22=1√2π[Ke−r(T−t)e−d2(T−t,x)22−xe−d1(T−t,x)22]=1√2π[Ke−r(T−t)e−[d1(T−t,x)−σ√T−t]22−xe−d1(T−t,x)22]=1√2π[Ke−r(T−t)e−d12(T−t,x)−2d1(T−t,x)σ√T−t+σ2(T−t)2−xe−d1(T−t,x)22]=1√2πe−d1(T−t,x)22[Ke−r(T−t)e2d1(T−t,x)σ√T−t2e−σ2(T−t)2−x]=1√2πe−d1(T−t,x)22[Ke−r(T−t)eln(x/K)+(r+12σ2)(T−t)σ√T−tσ√T−te−σ2(T−t)2−x]=1√2πe−d1(T−t,x)22[Ke−r(T−t)(xK)e(r+12σ2)(T−t)e−σ2(T−t)2−x]=1√2πe−d1(T−t,x)22[e−r(T−t)xer(T−t)−x]=0. ◻
步驟2:證明下列Claim:
Claim 2: (Theta of the Option)
ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))−σx2√T−tΦ′(d1(T−t,x))
Proof
直接計算 f(t,x) 的對 t 偏導數
ft(t,x)=∂∂tf(t,x)=∂∂t[xΦ(d1(T−t,x))−Ke−rTertΦ(d2(T−t,x))]⇒ft(t,x)=x∂Φ∂t(d1(T−t,x)) −Ke−r(T)[rer(t)Φ(d2(T−t,x))+er(t)∂Φ∂t(d2(T−t,x))]⇒ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))+x∂Φ(d1(T−t,x))∂t −Ke−r(T−t)∂Φ(d2(T−t,x))∂t (∗)由 Standard Normal CDF Φ(⋅) 定義,我們可以分別計算:
∂Φ(d1(T−t,x))∂t=∂∂t{1√2π∫d1(T−t,x)−∞e−z22dz} =1√2π[e−(d1(T−t,x))22∂∂td1(T−t,x)]∂Φ(d2(T−t,x))∂t=1√2π[e−(d2(T−t,x))22∂∂td2(T−t,x)]=1√2π[e−(d2(T−t,x))22∂∂t[d1(T−t,x)−σ√T−t]]=1√2πe−(d2(T−t,x))22[∂d1(T−t,x)∂t+σ2√T−t]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)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x)) −σ2√T−tKe−r(T−t)1√2πe−(d2(T−t,x))22利用 d1(T−t,x)=d2(T−t,x)−σ√T−t,帶入上式
⇒ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x)) −σ2√T−tKe−r(T−t)1√2πe−(d1(T−t,x)−σ√T−t)22⇒ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))−σ2√T−tKe−r(T−t)1√2πe−d12(T−t,x)2e2σd1(T−t,x)√T−t2e−σ2(T−t)2⇒ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))−σx2√T−tΦ′(d1(T−t,x)) ◻
步驟3:證明下列Claim:
Claim 3: (Delta of the Option)
fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x))
直接計算 f(t,x) 的對 t 偏導數
ft(t,x)=∂∂tf(t,x)=∂∂t[xΦ(d1(T−t,x))−Ke−rTertΦ(d2(T−t,x))]⇒ft(t,x)=x∂Φ∂t(d1(T−t,x)) −Ke−r(T)[rer(t)Φ(d2(T−t,x))+er(t)∂Φ∂t(d2(T−t,x))]⇒ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))+x∂Φ(d1(T−t,x))∂t −Ke−r(T−t)∂Φ(d2(T−t,x))∂t (∗)由 Standard Normal CDF Φ(⋅) 定義,我們可以分別計算:
∂Φ(d1(T−t,x))∂t=∂∂t{1√2π∫d1(T−t,x)−∞e−z22dz} =1√2π[e−(d1(T−t,x))22∂∂td1(T−t,x)]∂Φ(d2(T−t,x))∂t=1√2π[e−(d2(T−t,x))22∂∂td2(T−t,x)]=1√2π[e−(d2(T−t,x))22∂∂t[d1(T−t,x)−σ√T−t]]=1√2πe−(d2(T−t,x))22[∂d1(T−t,x)∂t+σ2√T−t]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)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x)) −σ2√T−tKe−r(T−t)1√2πe−(d2(T−t,x))22利用 d1(T−t,x)=d2(T−t,x)−σ√T−t,帶入上式
⇒ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x)) −σ2√T−tKe−r(T−t)1√2πe−(d1(T−t,x)−σ√T−t)22⇒ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))−σ2√T−tKe−r(T−t)1√2πe−d12(T−t,x)2e2σd1(T−t,x)√T−t2e−σ2(T−t)2⇒ft(t,x)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))−σx2√T−tΦ′(d1(T−t,x)) ◻
步驟3:證明下列Claim:
Claim 3: (Delta of the Option)
fx(t,x)=Φ(d1(T−t,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(T−t,x))−Ke−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))]=Φ(d1(T−t,x))+x∂∂xΦ(d1(T−t,x))−Ke−r(T−t)∂∂xΦ(d2(T−t,x)) (∗∗)分別計算
∂Φ(d1(T−t,x))∂x=∂∂x{1√2π∫d1(T−t,x)−∞e−z22dz}=1√2π[e−(d1(T−t,x))22∂∂xd1(T−t,x)]∂Φ(d2(T−t,x))∂x=1√2π[e−(d2(T−t,x))22∂∂xd2(T−t,x)]=1√2π[e−(d2(T−t,x))22∂∂x[d1(T−t,x)−σ√T−t]]=1√2πe−(d2(T−t,x))22[∂d1(T−t,x)∂x]帶回偏導式 (∗∗) 可得
fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x))+1√2π[xe−(d1(T−t,x))22∂∂xd1(T−t,x)]−Ke−r(T−t)1√2πe−(d2(T−t,x))22[∂d1(T−t,x)∂x]⇒fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x))+1√2π{xe−(d1(T−t,x))22−Ke−r(T−t)e−(d2(T−t,x))22}[∂d1(T−t,x)∂x]利用Claim 1的結果,我們可知
fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x)) ◻。
現在,由上述 Claim 2 的結果: fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x)) 我們可立刻求得 fx(t,x) 對 x 的二階偏導數 (Gamma of the Option):
fxx(t,x)=∂Φ(d1(T−t,x))∂x=1√2π[e−(d1(T−t,x))22∂∂xd1(T−t,x)]由於
∂∂x[ln(x/K)+(r+12σ2)(T−t)σ√T−t]=1σ√T−t1x故
fxx(t,x)=1√2π[e−(d1(T−t,x))221σx√T−t]
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)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))−σx2√T−tΦ′(d1(T−t,x)) +rxΦ(d1(T−t,x))+121√2π[e−(d1(T−t,x))221σx√T−t]σ2x2⇒f(t,x)=xΦ(d1(T−t,x))−Ke−r(T−t)Φ(d2(T−t,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
limt→Td1(T−t,x)=+∞⇒limt→Td2(T−t,x)=+∞故
⇒f(T,x)=S−K (1)
考慮 0<x<K,
limt→Td1(T−t,x)=−∞⇒limt→Td2(T−t,x)=−∞故
⇒f(T,x)=0 (2) 合併 (1)+(2) 得到Terminal condition:
f(T,x)=(x−K)+=h(x)
想法同Claim 2,直接計算對 x 偏導數
fx(t,x)=∂∂xf(t,x)=∂∂x[xΦ(d1(T−t,x))−Ke−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))]=Φ(d1(T−t,x))+x∂∂xΦ(d1(T−t,x))−Ke−r(T−t)∂∂xΦ(d2(T−t,x)) (∗∗)分別計算
∂Φ(d1(T−t,x))∂x=∂∂x{1√2π∫d1(T−t,x)−∞e−z22dz}=1√2π[e−(d1(T−t,x))22∂∂xd1(T−t,x)]∂Φ(d2(T−t,x))∂x=1√2π[e−(d2(T−t,x))22∂∂xd2(T−t,x)]=1√2π[e−(d2(T−t,x))22∂∂x[d1(T−t,x)−σ√T−t]]=1√2πe−(d2(T−t,x))22[∂d1(T−t,x)∂x]帶回偏導式 (∗∗) 可得
fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x))+1√2π[xe−(d1(T−t,x))22∂∂xd1(T−t,x)]−Ke−r(T−t)1√2πe−(d2(T−t,x))22[∂d1(T−t,x)∂x]⇒fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x))+1√2π{xe−(d1(T−t,x))22−Ke−r(T−t)e−(d2(T−t,x))22}[∂d1(T−t,x)∂x]利用Claim 1的結果,我們可知
fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x)) ◻。
現在,由上述 Claim 2 的結果: fx(t,x)=Φ(d1(T−t,x)) 我們可立刻求得 fx(t,x) 對 x 的二階偏導數 (Gamma of the Option):
fxx(t,x)=∂Φ(d1(T−t,x))∂x=1√2π[e−(d1(T−t,x))22∂∂xd1(T−t,x)]由於
∂∂x[ln(x/K)+(r+12σ2)(T−t)σ√T−t]=1σ√T−t1x故
fxx(t,x)=1√2π[e−(d1(T−t,x))221σx√T−t]
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)=−rKe−r(T−t)Φ(d2(T−t,x))−σx2√T−tΦ′(d1(T−t,x)) +rxΦ(d1(T−t,x))+121√2π[e−(d1(T−t,x))221σx√T−t]σ2x2⇒f(t,x)=xΦ(d1(T−t,x))−Ke−r(T−t)Φ(d2(T−t,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
limt→Td1(T−t,x)=+∞⇒limt→Td2(T−t,x)=+∞故
⇒f(T,x)=S−K (1)
考慮 0<x<K,
limt→Td1(T−t,x)=−∞⇒limt→Td2(T−t,x)=−∞故
⇒f(T,x)=0 (2) 合併 (1)+(2) 得到Terminal condition:
f(T,x)=(x−K)+=h(x)
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