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第 44 章/ 45

随机微积分与衍生品(Stochastic Calculus and Derivatives)

Yuxiao Ma · Advanced。 主线:从无套利复制出发,用可用信息与Itô二次变差建立连续定价,再以数值和现金账本核对边界。

1. 本章目标

本章沿一份欧式期权,从离散复制走到连续复制,再用解析式、树与模拟互相核对。读完后,你应能解释Itô二阶项的来源,按给定信息集构造左点积分,区分真实测度与定价测度,并逐行重算一次含股息和融资的离散对冲账本。

验收动作包括:手算一期复制的股票与债券头寸;推导含连续股息的Black–Scholes PDE;给call/put算出同单位Greeks;辨认MC抽样误差、Euler离散偏差与离散对冲误差;用支付折点、无效树概率或未来信息反例说明某种算法何时失效。每个动作都有同章习题与完整答案。所有本章实验标为SIMULATED或CONSTRUCTED。

本章层级为Advanced。先修第4章Taylor与偏导、第6章条件期望与正态/对数正态、第9章约束和维度、第10章合约与支付、第11章价格收益和总收益。第34–36章提供可执行价格与费用边界。普通权益Alpha研究按原路线启动,不需要先学完随机微积分。

2. 为什么 Quant 需要它

投资者预测股票明年涨多少,与交易台报一份欧式call多少钱,面对两个不同任务。预测要估计真实分布;报无套利价格要找一组股票和现金,使其支付与期权一致。若两组组合在所有模型状态都有相同支付,理想市场中的当前价格就必须相同,否则可以买便宜的一组、卖昂贵的一组。

你在离散树里用两个状态解两条方程。连续模型有无穷多路径,每次调整股票数量以抵消即时随机风险,便需要对路径函数求变化。布朗路径不可普通求导,普通链式法则会漏掉一个累积二阶项。这就是从离散复制进入随机微积分的具体原因。

定价模型还提供风险敏感度。做Delta对冲的人需要知道今天持多少股票、下一次何时换仓以及换仓如何影响现金;估计未来涨幅的人需要知道模型的真实漂移和样本证据。把风险中性分布写成未来收益预测,会把定价计算误作交易信号。

3. 直觉:两种状态先解一组复制头寸

教学构造:当前股票100、欧式call行权价100、一年后股价只能是120或80,现金一年增长因子1.05,不付股息。期权支付分别为20和0。持有Δ股和当前金额A的现金,需要同时满足

120Δ+1.05A=20,80Δ+1.05A=0. 120\Delta+1.05A=20,\qquad80\Delta+1.05A=0.

两式相减得到40Δ=20,所以Δ=0.5;代入下状态,A=−40/1.05。负现金表示借款。上状态股票60、债务40,净额20;下状态股票40、债务40,净额0。复制成本等于50−40/1.05。这里不需要知道真实上涨概率。

用一个辅助概率p,使股票的期望增长因子等于1.05,则1.2p+0.8(1−p)=1.05,p=0.625。把期权支付按这个概率加权再除1.05,也得到复制成本。p的角色来自复制和贴现,真实上涨概率可以是0.3或0.8而不改变上述代数。在多期树里你会逐节点重新解复制头寸;连续极限把这种调整变成可预测的动态持仓。

这棵树只允许两种状态、无费和相同借贷率。若多一个独立风险状态却只有股票与债券,可能无法解出同时复制所有支付的头寸;若付股息,需要把股票价格变化与持有人收到的现金合起来。后面的GBM模型保留单一Brownian风险、连续交易与理想融资,再检查离散执行造成的误差。

4. 数学基础、单位与信息契约

固定到期日T,当前日历时间t,剩余期限τ=T−t,三者以年计。S是除息股票价格(Ex-dividend Price),K是行权价,V是每份只对应一股的期权价值,都用同一报价货币。实际合约乘数应在最终金额外乘,本章不默认为100股。r、q是无风险连续年利率与连续股息收益率;σ是年化波动率,量纲为年−1/2\text{年}^{-1/2}。真实测度下μ专指含股息的总收益漂移,因此股价漂移为μ−q。P/Q用P,Q\mathbb P,\mathbb Q,put价格用PputP_{\mathrm{put}}或明确局部P,避免把字母P的价格用途混入概率测度。

布朗增量满足Var⁡(ΔW)=Δt\operatorname{Var}(\Delta W)=\Delta t,所以W的单位是年\sqrt{\text{年}}。正态生成器参数scale是标准差,程序传Δt\sqrt{\Delta t},传Δt会把方差写成Δt²。股票收益σΔW无量纲,rΔt也无量纲,指数函数里的每一项因此可以相加。

市场风险价格λ=(μ−r)/σ\lambda=(\mu-r)/\sigma的单位是年−1/2\text{年}^{-1/2}:μ、r以年⁻¹计,σ以年⁻¹/²计。因此λW与λ²t都是无量纲。Δ是复制每份期权的股数,A是现金金额;ΔS与A才能相加。程序保留参数名T时,价格/Greeks/MC中的 API T=τ,表示从当前估值时点到到期的剩余年数,不是日历到期日。冻结算例当前t=0,故数值上τ=T,不改其输入。

本章先用f∈C1,2f\in C^{1,2}表示对时间一阶、对空间二阶连续可微,再把支付函数不光滑的到期点单独作为边界。call的支付(S−K)+(S-K)^+在S=K有折点;T>t时GBM的高斯积分使价格在S>0内光滑,并不把终值折点变为普通可微点。

所有策略持仓在网格左点tit_i依据当时信息确定,赚取区间(ti,ti+1](t_i,t_{i+1}]的变动。数值对冲在观察SiS_i后按同一SiS_i即时换仓,是理想化模拟执行约定;真实数据应用必须另给available_at、signal_time、发送、撮合与trade_time,不能从一次离线数组计算推断可瞬时成交。滤过与适应性在下一节把“当时信息”变成数学条件。

5. 正式定义:从随机路径到可用信息

5.1 随机游走缩放与布朗运动(Brownian Motion)

把一年分N段,每段Δt=1/N,令独立硬币ξi\xi _i取±1、概率各1/2。缩放路径的单步是Δtξi\sqrt{\Delta t}\xi_i。N步之和均值0、方差NΔt=1N\Delta t=1。若错误地把单步改成Δtξi\Delta t\xi_i,终值方差是1/N,极限退化成0;不缩放单步则方差发散。这组计算解释扩散尺度,CLT只先说明固定终值的分布趋向正态;完整路径弱收敛需要函数型中心极限定理(Functional CLT)和紧性,本章引用其结果,不把有限维CLT当作证明。有限硬币路径也不等于一条Brownian路径。[CH06_DOC_13]

标准Brownian过程满足W0W_0=0、样本路径几乎必然连续、相互不重叠的增量独立且Wt−Ws∼N(0,t−s)W_t-W_s\sim N(0,t-s)。后面用其增量生成路径,连线只是有限观察点的画法。取相容的Brownian滤过时,未来增量还必须独立于当前Fs\mathcal F_s。本章使用完成并右连续化的自然滤过;添加提前泄露未来的信息会破坏这个前提。

差商(Wt+h−Wt)/h∼N(0,1/h)(W_{t+h}-W_t)/h\sim N(0,1/h)。对固定有限M,Pr⁡(∣ΔW/h∣≤M)→0\Pr(|\Delta W/h|\le M)\to0,因此该差商族不紧,不能依概率收敛到有限导数。Brownian几乎必然处处不可普通求导(Nowhere Differentiable)是更强的标准定理,需要同时控制所有时点;方差发散本身不是这个定理的完整证明。你仍可对价格函数V(t,S)求偏导,不能对Brownian样本路径用普通速度dW/dt。

5.2 信息、条件期望与鞅

滤过(Filtration)Fs⊆Ft\mathcal F_s\subseteq\mathcal F_t表示信息随时间增长。适应过程(Adapted Process)要求XtX_t关于Ft\mathcal F_t可测。可测性让你在t只凭已有信息得到XtX_t,而非偷看后来增量。连续时间积分还需要合适的联合可测性,例如渐进可测(Progressively Measurable)或可预测(Predictable)的被积过程;只对每个时刻说“适应”不能自动省掉这些条件。

条件期望(Conditional Expectation)Y=E[X∣Fs]E[X\mid\mathcal F_s]满足Y在s时可测,且对每个A∈FsA\in\mathcal F_s,E[Y1A]=E[X1A]E[Y1_A]=E[X1_A]。有限状态中,它就是在已知状态下重新加权求均值。鞅(Martingale)M要求适应、每时刻E∣Mt∣<∞E|M_t|<\infty,并且E[Mt∣Fs]=MsE[M_t|\mathcal F_s]=M_s(s≤t)。这是一个条件关系,单独E[Mt]E[M_t]不变不够。

把信息具体画成四个等概率终态。ξ先揭晓,η后揭晓,二者独立公平取±1;设M0=0,M1=ξ,M2=ξ+ηM_0=0,M_1=\xi,M_2=\xi+\eta。

终态(ξ,η) 概率 F0\mathcal F_{0}信息组 F1\mathcal F_{1}信息组 F2\mathcal F_{2}信息组 M1M_{1} M2M_{2}
(+1,+1) 1/4 全部四态 ξ=+1的两态 本终态 +1 2
(+1,−1) 1/4 全部四态 ξ=+1的两态 本终态 +1 0
(−1,+1) 1/4 全部四态 ξ=−1的两态 本终态 −1 0
(−1,−1) 1/4 全部四态 ξ=−1的两态 本终态 −1 −2

Ft\mathcal F_{t}严格说是当时可判断事件构成的σ代数;表中的信息组是它的原子。有限状态下,“Ft\mathcal F_{t}可测”就是在每个当时无法再区分的组内取同一个值。M1M_{1}在F1\mathcal F_{1}两组内分别恒为+1和−1,故时刻1可得;M2M_{2}在同组内仍有不同值,不能提前把它当作M1M_{1}。条件期望先在组内重算概率:ξ=+1时两态各1/2,均值(2+0)/2=1;ξ=−1时均值(0−2)/2=−1。因此E[M2∣F1]=ξ=M1E[M_2\mid\mathcal F_1]=\xi=M_1,且F0\mathcal F_{0}下两者均值0,构成鞅。类似地,t<T时WTW_T含未揭晓增量,通常不是Ft\mathcal F_{t}可测;“数值已经存进数组”并不把未来变成当前信息。

有限时域反例:t=0,1,2,ξ取±1且等概率;X0X_0=0、X1X_1=ξ、X2X_2=−ξ。三期均值都0,在时刻1你已知道ξ,故E[X2∣F1]E[X_2\mid\mathcal F_1]=−ξ≠ξ,X不是鞅。若换成M2M_2=ξ+η,其中η是独立公平硬币,E[M2∣F1]E[M_2\mid\mathcal F_1]=ξ=M1M_1,才满足条件。后面左点持仓乘未来独立增量,也依赖这一条件化动作。

5.3 二次变差与Itô积分的定义域

一阶全变差定义为所有有限划分上的sup⁡Π∑i∣Xti+1−Xti∣\sup_\Pi\sum_i|X_{t_{i+1}}-X_{t_i}|。连续可微路径的值是∫∣X′∣dt\int|X'|dt。Brownian的全变差几乎必然无穷大,而平方增量可以累积成有限值。对确定性划分序列、最大步长趋于0,Brownian二次变差(Quadratic Variation)为

QΠ=∑i(ΔWi)2→L2T. Q_\Pi=\sum_i(\Delta W_i)^2\xrightarrow{L^2}T.

证明本章需要的收敛:E[Q]=∑iΔti=TE[Q]=\sum_i\Delta t_i=T;独立高斯增量满足Var⁡((ΔWi)2)=2Δti2\operatorname{Var}((\Delta W_i)^2)=2\Delta t_i^2,故Var⁡(Q)≤2T∣Π∣→0\operatorname{Var}(Q)\le2T|\Pi|\to0。因此E[(Q−T)2]→0E[(Q-T)^2]\to0,也推出依概率收敛。定义二次变差过程[W]t=t[W]_t=t,并不声称每个有限网格QV恰等于t;任意随机依赖路径的划分需要另行说明。

先定义左点简单过程:Ht=HiH_t=H_i于(ti,ti+1](t_i,t_{i+1}],HiH_i在tit_i已知,定义积分∑HiΔWi\sum H_i\Delta W_i。对一般渐进可测、E∫0THt2dt<∞E\int_0^T H_t^2dt<\infty的H,用简单过程H(n)H^{(n)}在L2(dt×P)L^2(dt\times\mathbb P)中逼近,再由等距把积分延伸到L²极限。对于本章连续H=W或光滑路径函数,左点取值近似满足所需条件;任意不规则H不能仅凭一个任意左点网格宣称收敛。[CH44_MIT_ITO]

Itô积分(Itô Integral)在上述域中是从0开始的平方可积鞅;特别E[∫HdW]E[\int HdW]=0,且Itô等距(Itô Isometry)为

E[(∫0THtdWt)2]=E∫0THt2dt. E\left[\left(\int_0^T H_t dW_t\right)^2\right]=E\int_0^T H_t^2dt.

5.4 SDE、GBM与定价模型

随机微分方程(Stochastic Differential Equation, SDE)dX=a(t,X)dt+b(t,X)dWdX=a(t,X)dt+b(t,X)dW是积分方程的简写,存在/唯一性不能从这个记号自动推出。局部Lipschitz与线性增长是常见充分条件;本章常系数ABM和GBM可以直接写显式解验证,不求解任意系数SDE。

完整写法是对每个t:

Xt=X0+∫0ta(u,Xu) du+∫0tb(u,Xu) dWu. X_t=X_0+\int_0^t a(u,X_u)\,du+\int_0^t b(u,X_u)\,dW_u.
积分 累积的对象 本章所用条件与单位
时间积分∫a du 漂移乘实际时间长度 路径上局部可积;a为X单位/年
随机积分∫b dW 当前已知系数乘未来Brownian增量的L²极限 渐进可测/可预测且E∫b2 duE\int b^2\,du有限(或定理允许的局部化);b为X单位/√年

第二项不是先求普通dW/du再积分。SDE简写中的dX不能依普通可分离微分规则直接移项积分;下面log变换必须保留Itô二阶项。

欧式期权(European Option)只在固定T支付h(ST)h(S_T),call为(ST−K)+(S_T-K)^+,put为(K−ST)+(K-S_T)^+。后续连续复制假设S>0、常数r/q/σ、σ>0、一个Brownian风险、无交易费用、股票可分割/卖空、同一r借贷、连续可预测交易且策略满足防止翻倍策略等病态的可积/可容许条件。数值代码价格支持T=0与σ=0边界,但测度转换与随机Greeks推导另限于正T/σ。

6. 推导:积分、测度与复制价格

6.1 左点积分为什么带二阶修正

对任何有限数列,a(b−a)=[b2−a2−(b−a)2]/2a(b-a)=[b^2-a^2-(b-a)^2]/2。代入a=WiW_i、b=Wi+1W_{i+1},再将平方端点差裂项相消,W0W_0=0时得到

IΠ=∑iWiΔWi=12(WT2−QΠ). I_\Pi=\sum_iW_i\Delta W_i=\tfrac12\left(W_T^2-Q_\Pi\right).

这是纯代数有限恒等式。将QΠQ_\Pi 按上一节L²结果取极限,得到∫0TWtdWt=(WT2−T)/2\int_0^T W_t dW_t=(W_T^2-T)/2。普通光滑路径从0开始的平方增量和趋0,普通链式法则因此没有−T/2。若改成右点,和是(WT2+QΠ)/2(W_T^2+Q_\Pi)/2,极限多出T;两种采样用到的信息与积分定义不同。

等距的简单过程证明也可逐项展开。E[(∑HiΔWi)2]E[(\sum H_i\Delta W_i)^2]的交叉项i<j在Ftj\mathcal F_{t_j}条件化后为0,因为当时前面的变量都已知,E[ΔWj∣Ftj]E[\Delta W_j\mid\mathcal F_{t_j}]=0;平方项为E[Hi2]ΔtiE[H_i^2]\Delta t_i。相加得到E∑iHi2ΔtiE\sum_i H_i^2\Delta t_i,再通过L²简单过程逼近给一般等距。对H=W,等距右边∫0TE[Wt2]dt=T2/2\int_0^T E[W_t^2]dt=T^2/2,与(WT2−T)/2(W_T^2-T)/2的方差一致。

6.2 Itô公式:Taylor展开后保留哪些累积项

为看清增量,先在有界局部系数、足够光滑函数上作展开,所有偏导在左点计算:

Δf≈ftΔt+fxΔX+12fxx(ΔX)2. \Delta f\approx f_t\Delta t+f_x\Delta X+\tfrac12 f_{xx}(\Delta X)^2.

时间二阶和时间空间交叉项在累积极限消失;空间平方项保留。写ΔX≈aiΔt+biΔW\Delta X\approx a_i\Delta t+b_i\Delta W,其平方展开为ai2Δt2+2aibiΔtΔW+bi2(ΔW)2a_i^2\Delta t^2+2a_ib_i\Delta t\Delta W+b_i^2(\Delta W)^2。前两项在局部有界条件及网格细化下消失,最后一项通过加权二次变差趋向bt2dtb_t^2dt的积分。随机增量尺度写成Op(Δt)O_p(\sqrt{\Delta t}),表示概率意义的尺度,不是每条路径上有统一普通大O上界。

随机左点权重为何仍可换平方增量。 固定确定性划分0=t0<⋯<tn=T0=t_0<\cdots<t_n=T,令CiC_{i}为Fti\mathcal F_{t_{i}}可测且∣Ci∣≤K|C_i|\le K,K为同一确定常数。设εi=(ΔWi)2−Δti\varepsilon_i=(\Delta W_i)^2-\Delta t_i,RΠ=∑iCiεiR_\Pi=\sum_i C_i\varepsilon_i。增量独立于左点信息,正态二阶、四阶矩给

E[εi∣Fti]=0,E[εi2∣Fti]=2(Δti)2. E[\varepsilon_i\mid\mathcal F_{t_i}]=0, \qquad E[\varepsilon_i^2\mid\mathcal F_{t_i}]=2(\Delta t_i)^2.

i<j时,CiεiC_i\varepsilon_i与CjC_{j}在tjt_{j}已知,故条件化在Ftj\mathcal F_{t_{j}}得到E[CiεiCjεj]=0E[C_i\varepsilon_i C_j\varepsilon_j]=0。不是要求各个随机权重彼此独立,而是下一段中心化平方增量对已有信息条件均值为0。于是

E[RΠ2]=2∑iE[Ci2](Δti)2≤2K2∑i(Δti)2≤2K2T∣Π∣⟶0. \begin{aligned} E[R_\Pi^2]&=2\sum_i E[C_i^2](\Delta t_i)^2\\ &\le 2K^2\sum_i(\Delta t_i)^2 \le 2K^2T|\Pi|\longrightarrow0. \end{aligned}

因此∑Ci(ΔWi)2−∑CiΔti→0\sum C_i(\Delta W_i)^2-\sum C_i\Delta t_i\to0于L²。若还要把后一和写成∫Ct dt\int C_t\,dt,仍需对应过程和黎曼和的收敛条件。可用同样条件化说明E[(∑CiΔtiΔWi)2]≤K2∑(Δti)3≤K2T∣Π∣2E[(\sum C_i\Delta t_i\Delta W_i)^2]\le K^2\sum(\Delta t_i)^3\le K^2T|\Pi|^2,而∑(Δti)2≤T∣Π∣\sum(\Delta t_i)^2\le T|\Pi|控制时间平方项。提前使用未来值的权重不满足这一步的条件化前提。

本章光滑函数在停留于紧区域时可将系数/偏导权重限制为有界,再由局部化定理处理离开区域的部分;这说明有界计算怎样连接一般Itô公式,不是用上述短界完成全部余项证明。这里的结论限于确定性划分,不推广到任意路径依赖随机划分。

于是对f∈C1,2f\in C^{1,2}的Itô公式(Itô Formula)是

df(t,Xt)=(ft+afx+12b2fxx)dt+bfxdWt. df(t,X_t)=(f_t+a f_x+\tfrac12 b^2f_{xx})dt+b f_xdW_t.

这个Taylor论证给出二阶项来源;一般C1,2C^{1,2}、局部可积系数的定理还需要逼近与局部化来控制余项。本章没有用单个o(Δt)记号替代这些步骤。记账规则(dW)²=dt、dt dW=0、dt²=0表示相应二次变差项在积分极限中的作用,不是有限随机增量逐点普通代数恒等式。[CH44_MIT_ITO, Lecture17]

具体取f=x²、a=0、b=1,fxf_x=2x、fxxf_{xx}=2,所以d(W²)=2WdW+dt,积分重得上一节的结果。对二个相关Brownian风险的扩展需要交叉二次变差d[W1,W2]=ρdtd[W^1,W^2]=\rho dt,本章实现限于一维。

6.3 ABM与GBM的显式解、矩与离散误差

算术布朗运动(Arithmetic Brownian Motion, ABM)用局部a(X单位/年)、b(X单位/√年)写dX=a dt+b dW,直接积分得Xt=X0+at+bWtX_t=X_0+at+bW_t,均值X0X_0+at、方差b²t。若用它模拟需非负的股票,正态支撑包含负值会违背模型要求;用于某些价差或允许负值的状态变量须另说明对象。

几何布朗运动(Geometric Brownian Motion, GBM)设股价漂移β,dS=βSdt+σSdW。β是股价漂移的局部符号,P下β=μ−q,Q下β=r−q。对f(S)=log S,有f'=1/S、f''=−1/S²,代入Itô式:

dlog⁡S=(β−σ2/2)dt+σdW,St=S0e(β−σ2/2)t+σWt. d\log S=(\beta-\sigma^2/2)dt+\sigma dW, \quad S_t=S_0e^{(\beta-\sigma^2/2)t+\sigma W_t}.

也可从候选显式解反向验证,而不是相信普通分离变量。令F(t,w)=S0exp⁡[(β−σ2/2)t+σw]F(t,w)=S_0\exp[(\beta-\sigma^2/2)t+\sigma w]。其Ft=(β−σ2/2)F,Fw=σF,Fww=σ2FF_t=(\beta-\sigma^2/2)F,F_w=\sigma F,F_{ww}=\sigma^2F。对F(t,Wt)F(t,W_t)应用Itô:

dS=[(β−σ2/2)S+σ2S/2]dt+σS dW=βS dt+σS dW. dS=\big[(\beta-\sigma^2/2)S+\sigma^2S/2\big]dt+\sigma S\,dW =\beta S\,dt+\sigma S\,dW.

指数在有限t和有限Brownian值下严格为正,故S0S_{0}>0给StS_{t}>0。正性既允许对数变换,也由显式解直接验证;在由正初值出发的解上先作停止/局部化的log推导,再验证正解,不能把普通链式法则遗漏的−σ²/2省掉。

σWt\sigma W_t是N(0,σ²t)。用正态指数矩E[euY]=eum+u2v/2E[e^{uY}]=e^{um+u^2v/2},若Y均值m、方差v,得到E[St]=S0eβtE[S_t]=S_0e^{\beta t},E[St2]=S02e(2β+σ2)tE[S_t^2]=S_0^2e^{(2\beta+\sigma^2)t},Var⁡(St)=S02e2βt(eσ2t−1)\operatorname{Var}(S_t)=S_0^2e^{2\beta t}(e^{\sigma^2t}-1)。这给终值分布与模拟均值的解析参照,不等于一条样本路径的复合收益率。

网格精确采样为Si+1=Siexp⁡[(β−σ2/2)Δt+σΔWi]S_{i+1}=S_i\exp[(\beta-\sigma^2/2)\Delta t+\sigma\Delta W_i];Euler–Maruyama近似为Si+1=Si(1+βΔt+σΔWi)S_{i+1}=S_i(1+\beta\Delta t+\sigma\Delta W_i)。后者括号可负,例如β=0、σ=1、dt=1、ΔW=−2,得到负100,精确解仍正。这是诊断负价格风险的构造反例,未改入冻结主模拟参数。

强误差(Strong Error)比较共同噪声的路径,本章估计终值M−1∑(STE−STexact)2\sqrt{M^{-1}\sum(S_T^E-S_T^{exact})^2}。弱误差(Weak Error)比较某个函数的期望,本章只用g(S)=S,报告配对均值差Dˉ\bar D及SE=sD/MSE=s_D/\sqrt M,同时精确与Euler的总体均值分别是S0eβTS_0e^{\beta T}与S0(1+βdt)NS_0(1+\beta dt)^N。Higham(2001)§5用期望绝对误差定义强阶,并给Euler强阶1/2和适当条件下的弱阶1;本章报告的是终值L²的RMSE,不把两个误差估计量的数字混用。[CH44_HIGHAM2001]

这里还可直接推导线性GBM的总体RMSE。令h=T/N,单步Euler因子X=1+βh+σΔW,精确因子Y=exp[(β−σ²/2)h+σΔW]。高斯指数矩和独立增量给

E[X2]=(1+βh)2+σ2h,E[Y2]=e(2β+σ2)h,E[XY]=eβh[1+(β+σ2)h]. \begin{aligned} E[X^2]&=(1+\beta h)^2+\sigma^2h,\\ E[Y^2]&=e^{(2\beta+\sigma^2)h},\\ E[XY]&=e^{\beta h}[1+(\beta+\sigma^2)h]. \end{aligned}

因此终值均方误差为

E[D2]/S02=[(1+βh)2+σ2h]N+e(2β+σ2)T−2eβT[1+(β+σ2)h]N. \begin{aligned} E[D^2]/S_0^2={}&[(1+\beta h)^2+\sigma^2h]^N +e^{(2\beta+\sigma^2)T}\\ &-2e^{\beta T}[1+(\beta+\sigma^2)h]^N. \end{aligned}

对N次幂用N log(1+a h+b h²)展开,各项的一阶h系数合并后得到均方误差的首项为

S02e(2β+σ2)Tσ4Th/2. S_0^2 e^{(2\beta+\sigma^2)T}\sigma^4Th/2.

所以本GBM的总体RMSE为O(√h)。均值差由§6.3两个均值直接展开得O(h)。有限网格图只是抽样估计与这些受限解析参照相容,不能证明任意SDE或支付的收敛阶。

6.4 P到Q:常系数有限时域的测度转换

固定有限T、σ>0,μ为含股息总收益漂移。定义λ=(μ−r)/σ与Zt=e−λWtP−λ2t/2Z_t=e^{-\lambda W_t^{\mathbb P}-\lambda^2t/2}。Z是正密度,E[Zt]E[Z_t]=1可由高斯指数矩直接算出;独立未来增量也给E[Zt∣Fs]E[Z_t\mid\mathcal F_s]=ZsZ_s。Novikov充分条件Eexp⁡[12∫0Tλ2dt]<∞E\exp[\frac12\int_0^T\lambda^2dt]<\infty在常有限λ/T下等于eλ2T/2e^{\lambda^2T/2},满足。这个结论依赖所列条件。[CH44_CMU_RNM]

Girsanov定理给dQ=ZTdPd\mathbb Q=Z_Td\mathbb P、WtQ=WtP+λtW_t^{\mathbb Q}=W_t^{\mathbb P}+\lambda t。常数情形还能看见倾斜后的增量:P下ΔW的密度乘e−λΔW−λ2Δt/2e^{-\lambda\Delta W-\lambda^2\Delta t/2},配方后成为N(−λΔt,Δt),因此ΔWQ=ΔWP+λΔt\Delta W_Q=\Delta W_P+\lambda\Delta t又是N(0,Δt)。密度在不相交增量上分解,保留独立性,连续性由加确定性漂移保留。本章给这一受限验证,不给一般随机λ的完整证明。

将dWP=dWQ−λdtdW_P=dW_Q-\lambda dt代入:

dS=(μ−q)Sdt+σS(dWQ−λdt)=[μ−q−σλ]Sdt+σSdWQ=(r−q)Sdt+σSdWQ. dS=(\mu-q)Sdt+\sigma S(dW_Q-\lambda dt) =[\mu-q-\sigma\lambda]Sdt+\sigma SdW_Q =(r-q)Sdt+\sigma SdW_Q.

q在λ中抵消,因为μ先定义为总收益漂移。这个转换是在同一路径空间重新加权概率,不是把真实投资者预期改成r,也不是证明股票P下回报已知。

6.5 含股息股票的正确鞅

Q下d(e−rtSt)=−qe−rtStdt+σe−rtStdWQd(e^{-rt}S_t)=-qe^{-rt}S_tdt+\sigma e^{-rt}S_tdW_Q。当q≠0,贴现除息股票本身通常不是鞅;EQ[e−rTST∣Ft]=e−rtSte−q(T−t)E_Q[e^{-rT}S_T\mid\mathcal F_t]=e^{-rt}S_t e^{-q(T-t)}。若把现金股息计入贴现收益过程

Gt=e−rtSt+∫0te−ruqSudu,dGt=σe−rtStdWQ, G_t=e^{-rt}S_t+\int_0^t e^{-ru}qS_u du, \quad dG_t=\sigma e^{-rt}S_tdW_Q,

它在本章有限时域GBM二阶矩条件下为真实鞅。另一个选择是将股息持续再投资:持股数ntn_t满足dn=q n dt,n0n_0=1,因此nt=eqtn_t=e^{qt}、财富eqtSte^{qt}S_t,其贴现值e−(r−q)tSte^{-(r-q)t}S_t也为真实鞅。这两种构造现金用途不同;都把股息带入收益,而非只漏看股票价格上的漂移。

6.6 一期复制到多期CRR

q=0时,定义增长R=erΔtR=e^{r\Delta t}、股票乘数u>d>0、下/上支付VdV_d/VuV_u,复制方程为ΔuS+AR=VuV_u、ΔdS+AR=VdV_d。相减得Δ=(Vu−Vd)/[S(u−d)]\Delta=(V_u-V_d)/[S(u-d)],再代入下状态给A=R−1(uVd−dVu)/(u−d)A=R^{-1}(uV_d-dV_u)/(u-d)。因此

V=ΔS+A=e−rΔt[erΔt−du−dVu+u−erΔtu−dVd]. V=\Delta S+A=e^{-r\Delta t}\left[\frac{e^{r\Delta t}-d}{u-d}V_u+\frac{u-e^{r\Delta t}}{u-d}V_d\right].

无套利要求d<R<u,才让两个辅助状态权重均严格正。股票和债券的两列支付线性独立(行列式与u−d相关),所以这个两状态市场能复制任意支付;这说明完备性如何出现在具体方程里。

Cox–Ross–Rubinstein树(CRR Binomial Tree)取u=eσdt,d=1/uu=e^{\sigma\sqrt{dt}},d=1/u。连续股息用再投资总收益资产解释:从左点Δ股起,股息再投资让右点股数Δeqdt\Delta e^{qdt},两状态复制股票支付为ΔeqdtuS\Delta e^{qdt}uS、ΔeqdtdS\Delta e^{qdt}dS。相减后的股票头寸多出e−qdte^{-qdt},初始成本再整理为

a=e(r−q)dt,p=(a−d)/(u−d),Vk,j=e−rdt[pVk+1,j+1+(1−p)Vk+1,j]. a=e^{(r-q)dt},\quad p=(a-d)/(u-d),\quad V_{k,j}=e^{-r dt}[pV_{k+1,j+1}+(1-p)V_{k+1,j}].

这是本树含q远期增长关系的依据;不能把有股息的股票只用价格变化当总收益。终点股票SN,j=S0ujdN−jS_{N,j}=S_0u^jd^{N-j},先算h(SN,j)h(S_{N,j}),再逐层用当前节点的两状态复制倒推。一层有k+1个节点,递推要同时更新整层,不能覆盖后再读取被改的邻点。

若a不严格在(d,u)内,这棵两状态模型不满足严格无套利;改用更细有效网格或显式拒绝。本章不clip概率,σ=0确定性边界另处理。随N增大,支付折点与网格对齐关系会改变,常见奇偶振荡。所选网格误差变小是数值观察,不能声称相邻N单调收敛。

6.7 连续自融资复制与Black–Scholes/Merton PDE

一份欧式期权由Δ股和现金A复制,V=ΔS+A。自融资(Self-financing)表示调整Δ时从A支付,外部不注资,获得的收益由已有头寸产生:

dV=Δ(dS+qSdt)+rAdt=ΔdS+qΔSdt+r(V−ΔS)dt. dV=\Delta(dS+qSdt)+rA dt =\Delta dS+q\Delta Sdt+r(V-\Delta S)dt.

这条收益方程包括股息和融资。对ΔS用乘积法则会有SdΔ和交叉变差,但它们由现金账户的股票再平衡转移匹配;不能只从V=ΔS+A把Δ当常数无限期持有。本章可容许策略和积分条件保证这些随机收益方程有意义。

先看零费、没有区间收益的瞬时调仓:S=100,卖0.1股,则股票市值减少10货币、现金增加10货币;ΔS+A不变。这10是组合内转移,不是额外收益。若本章光滑Delta在到期前为半鞅,乘积公式可明确写为

d(ΔS)=Δ dS+S dΔ+d[Δ,S],dA=rA dt+qΔS dt−S dΔ−d[Δ,S]. \begin{aligned} d(\Delta S)&=\Delta\,dS+S\,d\Delta+d[\Delta,S],\\ dA&=rA\,dt+q\Delta S\,dt-S\,d\Delta-d[\Delta,S]. \end{aligned}

相加抵销换仓项和交叉变差,恰得上述自融资收益式。现金A含借款时也用同一r;连续股息进入现金,不自动再投资为股数。这是本章足够光滑Delta的展开,不能要求每个一般可预测策略都有可求的dΔ;一般自融资定义仍用已有头寸的收益积分式。

P下dS=(μ−q)Sdt+σS dWPdS=(\mu-q)Sdt+\sigma S\,dW_P,Itô给

dV=[Vt+(μ−q)SVS+12σ2S2VSS]dt+σSVSdWP. dV=[V_t+(\mu-q)SV_S+\tfrac12\sigma^2S^2V_{SS}]dt+\sigma SV_SdW_P.

复制收益方程的随机系数是σSΔ,所以σS>0时必须Δ=VSV_S。其漂移项随之是(μ−q)SVS+qSVS+rV−rSVS=μSVS+rV−rSVS(\mu-q)SV_S+qSV_S+rV-rSV_S=\mu SV_S+rV-rSV_S。两边漂移匹配:

Vt+(μ−q)SVS+12σ2S2VSS=μSVS+rV−rSVS. V_t+(\mu-q)SV_S+\tfrac12\sigma^2S^2V_{SS} =\mu SV_S+rV-rSV_S.

左右减μSVS\mu SV_S再整理,得到偏微分方程(Partial Differential Equation, PDE):

Vt+(r−q)SVS+12σ2S2VSS−rV=0,V(T,S)=h(S). V_t+(r-q)SV_S+\tfrac12\sigma^2S^2V_{SS}-rV=0, \qquad V(T,S)=h(S).

真实μ消失是因为同源Brownian风险被复制头寸抵消,其漂移由融资与股息约束;不是因为人为假设μ=r。这里若有另一个不可交易的独立风险、跳跃或交易费用,原复制方程可能不再成立。Merton(1973)§7式(44)以剩余期限写−VτV_\tau ,转换到日历t正是本式。[CH44_MERTON1973]

call/put的空间边界分别满足C(t,0)=0、Pput(t,0)=Ke−rτP_{put}(t,0)=Ke^{-r\tau},大S时call趋Se−qτ−Ke−rτSe^{-q\tau}-Ke^{-r\tau}、put趋0;S=0仅用作连续极限边界,公共API要求S>0。增长条件与这些边界排除无经济意义的PDE解,不能只有终值就忽略解空间。

同一支付的定价导航。 固定h(ST)h(S_T)、当前(t,S)、τ=T−t以及相同融资/股息约定,各层完成不同步骤:

层次 对同一支付的任务 所需依据/条件
连续复制→PDE 抵销同源噪声并匹配融资漂移 自融资、可交易风险、光滑价格与允许策略
Q条件期望 将PDE价格表示为贴现支付期望 下节受限Feynman–Kac、真实鞅与到期可积极限
BS高斯积分 常系数GBM下算出该期望 d₂给行权概率,d₁来自股票权重截断积分
CRR树 / Q下MC 分别离散复制 / 抽样计算 有效树概率与网格误差 / 独立配对单位与SE

P路径的离散对冲误差检验给定模型下执行账本,是另一任务。Q不是股票真实上涨的预测分布;共享支付不意味着共享P/Q漂移。下节先用call/put有界Delta保证鞅条件,解析验证见§6.10;反向路线在§6.9先积分,再核PDE。

6.8 Feynman–Kac连接:本章为何能用Q期望

Feynman–Kac表示(Feynman–Kac Representation)把扩散生成元的PDE解与条件期望联系起来。本章限于常r/q/σ、σ>0、正S、有限T、call/put连续且至多线性增长的支付,以及τ>0内C1,2C^{1,2}且具有相应增长/可积性的解。

对u∈[t,T)的Yu=e−r(u−t)V(u,Su)Y_u=e^{-r(u-t)}V(u,S_u)用Q下Itô公式,漂移为贴现后的PDE左侧,恰为0;随机项为e−r(u−t)σSuVSdWQe^{-r(u-t)}\sigma S_uV_SdW_Q。call/put的∣VS∣|V_S|有界于由q/T决定的常数,而有限时域GBM有二阶矩,所以该随机被积项平方可积,Y是可用于条件期望的真实鞅。到T用支付连续性和增长界取可积极限,得到

V(t,St)=EQ[e−r(T−t)h(ST)∣Ft]. V(t,S_t)=E_Q[e^{-r(T-t)}h(S_T)\mid\mathcal F_t].

Q下GBM的Markov性质让条件期望可写成只依赖当前t/S的函数。局部鞅没有自动获得真实鞅的期望守恒,所列矩条件是这一推导的一部分。反方向在本章用下面的显式高斯积分得到光滑价格,再核对PDE;没有对任意不规则支付或退化/不连续系数宣称无条件成立。

6.9 正态积分得到call/put和d1/d2

给定当前S和τ,Q终值为ST=Sexp⁡[m+vZ]S_T=S\exp[m+vZ],m=(r−q−σ²/2)τ、v=σ√τ、Z~N(0,1)。行权条件Z>−d2,其中d2=[log⁡(S/K)+m]/vd2=[\log(S/K)+m]/v。因此行权概率Φ(d2),支付中的K项期望是KΦ(d2)。

股票项需要带指数权重的截断正态积分。令φ为标准正态密度,配方恒等式evzϕ(z)=ev2/2ϕ(z−v)e^{vz}\phi(z)=e^{v^2/2}\phi(z-v),所以

EQ[ST1ST>K]=Sem∫−d2∞evzϕ(z)dz=Sem+v2/2Φ(d2+v). E_Q[S_T1_{S_T>K}] =Se^m\int_{-d2}^{\infty}e^{vz}\phi(z)dz =Se^{m+v^2/2}\Phi(d2+v).

定义d1=d2+v,m+v²/2=(r−q)τ。贴现股票项和行权价项给Black–Scholes/Merton解析式(Black–Scholes/Merton Formula):

C=Se−qτΦ(d1)−Ke−rτΦ(d2),Pput=Ke−rτΦ(−d2)−Se−qτΦ(−d1),d1=log⁡(S/K)+(r−q+σ2/2)τστ,d2=d1−στ. \begin{aligned} C&=Se^{-q\tau}\Phi(d1)-Ke^{-r\tau}\Phi(d2),\\ P_{put}&=Ke^{-r\tau}\Phi(-d2)-Se^{-q\tau}\Phi(-d1),\\ d1&=\frac{\log(S/K)+(r-q+\sigma^2/2)\tau}{\sigma\sqrt\tau}, \quad d2=d1-\sigma\sqrt\tau. \end{aligned}

d2对应Q行权概率;d1来自股票支付的指数加权,Φ(d1)不是同一Q下未经加权的行权概率。Delta将是e−qτΦ(d1)e^{-q\tau}\Phi(d1)。从call与put终值差ST−KS_T-K,或用Φ(x)+Φ(−x)=1,得到看涨看跌平价(Put-call Parity):C−Pput=Se−qτ−Ke−rτC-P_{put}=Se^{-q\tau}-Ke^{-r\tau}。r可负,前述贴现关系仍成立。

6.10 Greeks:先约定导数,再消去重复项

Greeks是局部风险敏感度,求偏导时其他合约参数固定。Δ=VS\Delta=V_S(复制股/份),Γ=VSS\Gamma=V_{SS}(Delta每单位S的变化),V=Vσ\mathcal V=V_\sigma(货币/单位年化波动参数),Θ=Vt=−Vτ\Theta=V_t=-V_\tau(货币/年),ρ=Vr\rho=V_r(货币/单位连续年率)。小参数变化的一阶金额近似为导数乘变化量,Δσ=.01和Δr=.01才分别表示1个百分点;这种导数不是一次完整大幅冲击的精确价格差。

解析求导先用Se−qτϕ(d1)=Ke−rτϕ(d2)Se^{-q\tau}\phi(d1)=Ke^{-r\tau}\phi(d2)。证明它只需把d1=d2+σ√τ代入两个高斯密度的比:log⁡[ϕ(d1)/ϕ(d2)]=−d2στ−σ2τ/2\log[\phi(d1)/\phi(d2)]=-d2\sigma\sqrt\tau-\sigma^2\tau/2。再代入d2,结果为−log⁡(S/K)−(r−q)τ-\log(S/K)-(r-q)\tau。因此对S求导时,d1/d2的链式项相消,剩Δcall=e−qτΦ(d1)\Delta_{\mathrm{call}}=e^{-q\tau}\Phi(d1),put可由平价减e−qτe^{-q\tau}。再对S求导,∂d1∂S=1Sστ\frac{\partial d1}{\partial S}=\frac1{S\sigma\sqrt\tau},得到Gamma。

对σ求导时,价格中的两个CDF链式项变成同一密度系数乘(d1σ−d2σ)=τ(d1_\sigma-d2_\sigma)=\sqrt\tau,所以V=Se−qτϕ(d1)τ\mathcal V=Se^{-q\tau}\phi(d1)\sqrt\tau。对r求导,∂d1∂r=∂d2∂r=τσ\frac{\partial d1}{\partial r}=\frac{\partial d2}{\partial r}=\frac{\sqrt\tau}{\sigma},链式项相消,剩行权价贴现项的导数;Theta可由已知Delta/Gamma代回PDE求−VτV_\tau ,亦可直接对期限求导。最终为

ΔC=e−qτΦ(d1),ΔP=−e−qτΦ(−d1),ΓC=ΓP=e−qτϕ(d1)Sστ,VC=VP=Se−qτϕ(d1)τ,ρC=Kτe−rτΦ(d2),ρP=−Kτe−rτΦ(−d2). \begin{aligned} \Delta_C&=e^{-q\tau}\Phi(d1),&\Delta_P&=-e^{-q\tau}\Phi(-d1),\\ \Gamma_C=\Gamma_P&=\frac{e^{-q\tau}\phi(d1)}{S\sigma\sqrt\tau}, &\mathcal V_C=\mathcal V_P&=Se^{-q\tau}\phi(d1)\sqrt\tau,\\ \rho_C&=K\tau e^{-r\tau}\Phi(d2),&\rho_P&=-K\tau e^{-r\tau}\Phi(-d2). \end{aligned}
ΘC=−Se−qτϕ(d1)σ2τ+qSe−qτΦ(d1)−rKe−rτΦ(d2),ΘP=−Se−qτϕ(d1)σ2τ−qSe−qτΦ(−d1)+rKe−rτΦ(−d2). \begin{aligned} \Theta_C&=-\frac{Se^{-q\tau}\phi(d1)\sigma}{2\sqrt\tau} +qSe^{-q\tau}\Phi(d1)-rKe^{-r\tau}\Phi(d2),\\ \Theta_P&=-\frac{Se^{-q\tau}\phi(d1)\sigma}{2\sqrt\tau} -qSe^{-q\tau}\Phi(-d1)+rKe^{-r\tau}\Phi(-d2). \end{aligned}

PDE给逐情景核对Θ+(r−q)SΔ+σ2S2Γ/2−rV=0\Theta+(r-q)S\Delta+\sigma^2S^2\Gamma/2-rV=0。put与call的Theta可以有不同符号,不能把时间损耗理解成一切参数下必负。中心差分用(V(x+h)−V(x−h))/(2h),Gamma用二阶差分/h²;日历Theta要对期限差分取负。有限步长有截断误差,太小则相消放大舍入。到期折点左右导数不同;本API全部T=0/σ=0 Greeks拒绝,文档也说明非折点的确定性导数未实现。

6.11 Q下Monte Carlo与对偶变量

本段把当前估值时点平移为0;段内T记平移后的剩余期限,即原时标的τ=T到期T_{\text{到期}}−t当前t_{\text{当前}}。下式终值下标T同属这一平移时标,API参数T也等于τ。任意当前t不能把未减t的日历到期日直接传给MC。

蒙特卡洛(Monte Carlo, MC)取独立ZiZ_i,用Q精确终值ST(i)=Sexp⁡[(r−q−σ2/2)T+σTZi]S_T^{(i)}=S\exp[(r-q-\sigma^2/2)T+\sigma\sqrt T Z_i],贴现支付Yi=e−rTh(ST(i))Y_i=e^{-rT}h(S_T^{(i)})。欧式仅依赖终值,精确采样消除了Euler时间离散偏差;有限随机样本仍有抽样误差。价格估计mean(Y)、SE=sY/MSE=s_Y/\sqrt M,在本章有限方差及足够M下用正态近似95%CI=mean(Y)±1.95996398454SE;不是精确有限样本覆盖声明。

对偶变量(Antithetic Variates)让每个独立ZiZ_i同时生成ZiZ_i与−ZiZ_i两条路径,Xi=(Yi++Yi−)/2X_i=(Y_i^++Y_i^-)/2。M个XiX_i彼此独立;同对两支付相关。正确SE=sX/Ms_X/\sqrt M,Var⁡(X)=[Var⁡(Y+)+Var⁡(Y−)+2Cov⁡]/4\operatorname{Var}(X)=[\operatorname{Var}(Y^+)+\operatorname{Var}(Y^-)+2\operatorname{Cov}]/4。本章单调香草支付的反偶相关通常有利于减少方差,但不把这个数值结论推广到任意支付。相同独立样本数下反偶使用两倍终值支付计算,比较计算成本时要写清。

样本数趋大时SE的典型尺度为M−1/2M^{-1/2},某一批实际价格误差不需要单调。一次解析价格落入CI只是该次随机结果,算法正确性由解析/金融恒等式、独立公式复算和边界拒绝共同核验。随机样本M=1不能估s²;确定性σ=0/T=0才可直接返回SE=0与单点区间。

6.12 离散Delta对冲账本:每个区间谁收到现金

模拟P股价漂移μ−q,初始资本V0V_0等于Q模型价格。买Δ0\Delta _0股,现金A0=V0−Δ0S0−fee∣Δ0∣S0A_0=V_0-\Delta_0S_0-\mathrm{fee}|\Delta_0|S_0。这样初始购买费用已在资金里扣除,并不暗中追加资本。

设dt=T/N,上一个换仓后的股数Δi−1\Delta _{i-1}和现金Ai−1A_{i-1}固定。区间末换仓之前,现金按协议近似递推:

Aipre=Ai−1erdt+Δi−1Si−1(eqdt−1). A_i^{pre}=A_{i-1}e^{r dt} +\Delta_{i-1}S_{i-1}(e^{q dt}-1).

连续模型的现金股息是∫qΔSu du\int q\Delta S_u\,du;本式用左点价和固定旧持股的区间股息近似,并把区间现金流统一在右端记账,未计每笔期内股息不同融资时点。它和连续公式有离散偏差,不能因为S终值精确采样就说整个对冲账本精确连续复制。

现在观察SiS_i,用剩余期限T−tiT-t_i算新Delta(只用于随后区间),换股δΔ=Δi−Δi−1\delta\Delta=\Delta_i-\Delta_{i-1},现金

Ai=Aipre−δΔSi−fee∣δΔ∣Si,Viportfolio=Ai+ΔiSi. A_i=A_i^{pre}-\delta\Delta S_i-fee|\delta\Delta|S_i, \quad V_i^{portfolio}=A_i+\Delta_iS_i.

到期强制ΔN\Delta _N=0,清仓费也扣除,最终误差AN−h(SN)A_N-h(S_N)。现金与股数必须同时对账;借款A负时同一个r表达融资成本,本模拟没有真实借贷利差。费用总额∑fee∣δΔ∣S\sum\mathrm{fee}|\delta\Delta|S只是名义现金费加总;费用带来的到期资金差还包括融资机会成本,因此不能把两个频率误差均值之差机械等同费用均值。

7. 金融解释:价格、概率与对冲资金

股票价格变化与股票总收益必须分开。持有Δ股会收到ΔqSdt股息;借款余额按r计息。若从复制账本漏掉股息,PDE里的股票项会从r−q写错为r,call和put的价格与Delta也会随之错配。相同支付、相同融资和相同现金流归属才允许比较两个定价算法。

Q\mathbb Q是与模型无套利相容的测度。在本章一个Brownian风险、股票加现金、σ>0、允许连续交易且策略有适当可积性的完备模型内,可复制的欧式支付有唯一模型价格。完备性强调每个允许的支付能用可交易资产复制;只有无套利而不完备时,一般未必唯一。σ=0是确定性边界,不能直接把市场风险价格λ=(μ−r)/σ的转换公式套进去。

MC在Q下求期望来算价格;离散对冲实验在P下设定含股息μ=.08来检验给定模型路径中的误差。这两个实验共享r、q、σ和支付,但任务、测度与漂移不同。对冲误差定义为清仓后现金减期权支付,正值表示复制组合多余资金,负值表示复制短缺;这不是持有一份期权的投资收益率。

无费用连续复制给一个模型基准。离散换仓会留下Gamma风险,股息与现金区间近似也有误差,增加换仓次数还会增加费用。费用10bp是构造参数,既没有盘口验证,也没有市场冲击估计。对冲图与真实盈利能力之间仍缺报价、延迟、借贷、跳跃风险与数据许可的验证环节。

8. Numerical Example:冻结的欧式定价与对冲实验

全部为SIMULATED / CONSTRUCTED,每份支付对应一股;输入S0S_0=K=100、T=1年、r=.05、q=.02、σ=.20。首轮运行前固定协议,历史输出原位于build/batches/A9-A/r1/runs/experiment_output_02,现已归档;原运行身份见归档索引。下面沿用历史根独立运行并已接受的数值;现存独立根结果见results.json。现存根结果与归档作者运行保留各自身份,本双语批次未重新运行或提取归档。所有金额为每股同币种教学金额。

8.1 手算与解析价格的中间值

无股息单期树的复制股数.5、现金−38.0952380952,价格11.9047619048,上状态20、下状态0、辅助p=.625,与§3方程对应。它的乘数1.2/.8和增长1.05与主案例的CRR网格不同,不能把两个价格差称算法误差。

主案例log(S/K)=0,(r−q+σ²/2)T=.05,σ√T=.2,因此d1=.25、d2=.05。股票贴现金额100e−.02=98.0198673307100e^{-.02}=98.0198673307,行权价贴现金额100e−.05=95.1229424501100e^{-.05}=95.1229424501;乘上各自CDF再相减得到call 9.2270055082,put 6.3300806275。平价差2.8969248806,计算残差在双精度范围内为0;该恒等式比一次模拟区间覆盖更直接检查股息/贴现。

8.2 CRR与解析式对照

步数 call put call−BS
10 9.03532574 6.13840086 -0.19167977
25 9.30117882 6.40425394 +0.07417331
50 9.18822483 6.29129994 -0.03878068
51 9.26328514 6.36636025 +0.03627963
100 9.20758997 6.31066509 -0.01941554
101 9.24530483 6.34837995 +0.01829933
200 9.21729155 6.32036667 -0.00971396
400 9.22214700 6.32522212 -0.00485851

25/50/51与100/101展示奇偶与支付网格对齐影响。call/put误差因本模型的平价关系在图中重叠。有效概率随步长重新检查,图中的连线只用于读相邻选择;没有声称单调收敛。

SIMULATED CRR minus BS:横轴步数,纵轴每股价格误差;看奇偶对齐与误差尺度。

8.3 Q下精确终值MC

seed4401,反偶的独立单位是配对均值。每行M个独立配对、2M终值支付计算,95%区间是正态近似。

类型 独立配对M 价格 SE 95%近似CI
call 1000 8.970967 0.226342 [8.527344, 9.414590]
put 1000 6.168817 0.144720 [5.885170, 6.452464]
call 5000 9.221358 0.103914 [9.017691, 9.425026]
put 5000 6.322140 0.066202 [6.192386, 6.451894]
call 25000 9.210317 0.045884 [9.120386, 9.300248]
put 25000 6.322468 0.029532 [6.264586, 6.380350]
call 50000 9.208583 0.032531 [9.144823, 9.272343]
put 50000 6.318800 0.020913 [6.277811, 6.359790]

50000个普通独立路径的call SE=0.061862;同样50000独立配对的SE=0.032531。支付计算次数不同,不能称同计算成本比较。一次覆盖不证明算法正确,误差也不会随每次增加M单调缩小。

SIMULATED Q call MC:横轴独立配对数对数刻度,纵轴价格/95%正态近似区间,灰线解析价格。

8.4 Brownian的有限QV与极限

seed4402,1024条1024步细增量,再聚合成嵌套网格;T=1。

步数 QV样本均值 QV样本SD 有限恒等式最大残差 相对Itô极限RMSE
16 1.013915 0.355776 6.66e-16 0.177937
64 1.002018 0.174564 4.44e-16 0.087245
256 1.000527 0.089581 8.88e-16 0.044769
1024 0.999746 0.045050 8.88e-16 0.022514

每一行有限恒等式都使用该行实际QV;最后一列才把QV换成理论极限T。样本均值/SD与理论E[QV]E[QV]=1、Var(QV)=2/N参照。seed/网格的数值趋势不是所有划分/路径的一般证明。

SIMULATED Brownian paths:横轴年,纵轴sqrt(年)的W,展示四条有限采样路径;连线不赋予普通导数。

SIMULATED QV:横轴步数对数刻度,纵轴1024路径平均平方增量和(年);灰线T=1。

8.5 P下GBM精确与Euler共用增量

seed4403,4096条细路径,含股息μ=.08、股价漂移.06。强误差使用同一Brownian路径的终值差D,弱差是有符号mean(D),并报告paired SE。

步数 强RMSE 配对弱均值差 配对SE 总体均值差
16 0.770766 -0.024165 0.012039 -0.011915
64 0.374745 -0.002197 0.005856 -0.002985
256 0.186236 -0.000825 0.002910 -0.000746
1024 0.097747 -0.002740 0.001527 -0.000187

细网格强误差量级与Euler强阶1/2相容;弱样本差在1024步反而比256步大,配对SE解释了不能要求它单调。精确模型E[S1]E[S_1]=106.183655,矩与终值分布来自§6.3。上述网格Euler未观察负值,只说明本次抽样;额外构造dW=−2的例子仍能使Euler负价。

SIMULATED P GBM terminal distribution:横轴每股除息价,纵轴4096路径计数,输入漂移.06/波动.2/一年。

SIMULATED common-noise Euler error:横轴步数,纵轴终值强RMSE每股金额,双对数刻度;仅观察本次网格量级。

8.6 Greeks与步长

Vega/Rho按单位参数,Theta按日历年。S80/100/120固定其他输入,call/put都核对中心差分;最大绝对误差跨不同单位仅作逐项容差的执行摘要,不能把它称统一经济距离。

S/类型 Delta Gamma Vega Theta Rho
80/call 0.189494 0.016802 21.506484 -2.528897 13.628799
80/put -0.790704 0.016802 21.506484 0.658932 -81.494143
100/call 0.586851 0.018951 37.901158 -5.089319 49.458109
100/put -0.393348 0.018951 37.901158 -2.293569 -45.664833
120/call 0.859931 0.008299 23.900201 -4.282714 79.130557
120/put -0.120268 0.008299 23.900201 -1.879044 -15.992386

逐情景/逐指标中心差分绝对误差均小于2.2e−6(按各自单位),h=.0001、股价步长hS=S⋅hh_S=S\cdot h。call基础Vega=37.9011575100,所以1pp波动冲击一阶近似.3790115751;S80的put Theta为正,不能给所有期权统一“时间一定损耗”的符号断言。

h比例 Gamma差分 Gamma误差
1e-02 0.0189477855 -2.79e-06
1e-04 0.0189505786 -1.20e-10
1e-06 0.0189515958 +1.02e-06
1e-08 0.0355271368 +1.66e-02

极小h=1e−8已经失真;源代码保留这个负面诊断。

SIMULATED Delta:横轴S每股金额,纵轴复制股数每期权,call/put两线,固定T/r/q/σ;图不表示交易信号。

8.7 P下离散Delta对冲和费用

seed4404,256条共同3276步Brownian细路径,聚合12/52/252步;P股价漂移μ−q=.06,与Q定价的.03分开。fee=.001是单边10bp,含初始/清仓,金额单位每股。

步数/费率 误差均值 SD 5%分位 95%分位 平均现金费用
12/0.0 -0.100174 1.982914 -3.299152 +2.940812 0.000000
12/0.001 -0.332425 2.000768 -3.551955 +2.751658 0.226679
52/0.0 -0.053391 0.952187 -1.694724 +1.431930 0.000000
52/0.001 -0.404548 0.977735 -2.202883 +1.122840 0.342607
252/0.0 -0.042639 0.432230 -0.786323 +0.580357 0.000000
252/0.001 -0.669815 0.476814 -1.561916 -0.039341 0.611734

无费提高频率降低了本次误差SD;有费高频的均值更负、平均费用增大,252步95%分位也负。这个比较保留复制短缺与费用,不给一种频率的实盘盈利保证。误差均值之差含费用的融资拖累;总费用只是名义加总。

SIMULATED P hedge errors:横轴清仓组合减支付每股金额,纵轴256路径计数;三组频率/费率比较风险与费用。

8.8 一条完整账本的现金与股数核对

路径0,12步、fee=.001,时间i/12年。以下表分开列旧头寸现金流与当前换仓,现存独立根运行的未舍入值见ledger_n12_cost0.001.json,归档作者载荷另按上述索引查阅;读者用第18节代码对实际浮点值对账,不用六位显示精度要求1e−10。

i S 新股数 区间利息 区间股息 换仓价款
0 100.000000 0.586851 0.000000 0.000000 -58.685115
1 93.634880 0.450214 -0.206750 0.097890 12.793965
2 92.185735 0.407093 -0.153839 0.070318 3.975204
3 96.449460 0.495617 -0.137606 0.062599 -8.538091
4 98.288381 0.532052 -0.173605 0.079736 -3.581155
5 100.746167 0.587785 -0.188964 0.087230 -5.614901
6 108.452054 0.765829 -0.212857 0.098777 -19.309250
7 119.086899 0.927286 -0.294037 0.138542 -19.227440
8 119.499826 0.947869 -0.375048 0.184200 -2.459650
9 118.440463 0.960607 -0.386125 0.188941 -1.508684
10 130.009165 0.996218 -0.393254 0.189783 -4.629671
11 152.859291 0.998335 -0.413453 0.216042 -0.323635
12 149.238140 0.000000 -0.415630 0.254553 148.989617
i 费用 新现金 股票市值 组合价值 期权值/终值支付
0 0.058685 -49.516794 58.685115 9.168320 9.227006
1 0.012794 -36.844483 42.155771 5.311288 5.497746
2 0.003975 -32.956775 37.528141 4.571366 4.476903
3 0.008538 -41.578412 47.801964 6.223552 5.969667
4 0.003581 -45.257016 52.294519 7.037502 6.436110
5 0.005615 -50.979266 59.217090 8.237823 7.293182
6 0.019309 -70.421905 83.055745 12.633839 11.978397
7 0.019227 -89.824067 110.427659 20.603591 20.615407
8 0.002460 -92.477026 113.270211 20.793186 20.628805
9 0.001509 -94.184402 113.774758 19.590356 19.258906
10 0.004630 -99.022174 129.517407 30.495233 30.407686
11 0.000324 -99.543544 152.604737 53.061194 53.020537
12 0.148990 49.136007 0.000000 49.136007 49.238140

期初现金=模型价−股价款−初始费;每个区间由上行股数领取股息。末行股数0且股票市值0,清仓现金减支付就是该路径误差。现金费和融资成本会降低复制资金,即使终值股票路径相同。

9. Python Implementation

本节所有公共定价参数名T均表示剩余期限τ(年);例如日历t=.25、到期T到期T_{\text{到期}}=1,传API T=.75。Greeks的Theta仍是日历时间导数−VτV_\tau ,不因API名字叫T而改号。

核心计算位于src/quant_course/stochastic_calculus.py与derivatives_pricing.py,CLI和Notebook复用它们。CLI以课程根为工作目录,使用已存在的.venv,所有价格按每股货币计;新输出目录必须不存在,失败目录保留后换新路径继续。

.venv/bin/python code/ch44_stochastic_derivatives.py \
  --output-dir runs/reader_01
.venv/bin/python -m pytest \
  tests/test_stochastic_calculus.py tests/test_derivatives_pricing.py \
  tests/test_ch44_root.py -q

CLI记录固定种子、Q下MC与P下对冲、解析/树误差、Greeks差分、共同Brownian增量、每个网格的误差估计量、图与一条完整现金账本。Notebook从干净kernel按首单元顺序运行,调用核心函数,现场生成PNG;它的较小演算不代替CLI的完整冻结实验。

公共价格函数拒绝NaN、无穷大、非正S/K、负σ/T和无效call/put类型;r可为负。树无效概率拒绝,不截断到0或1。到期和零波动价格按确定性支付处理。Greeks API的支持域为T>0、σ>0;到期或零波动输入明确拒绝,其中支付折点没有普通唯一导数,而非折点可有某些确定性导数,但此API不提供它们。极端参数导致浮点范围不足时应明确报错,不返回看似有效的NaN。

左点积分函数检查维数、形状和有限数值,不能从一块数值数组推断其信息来源。被积过程适应性的证明属于调用方。GBM函数的drift直接是股价漂移:P下传μ−q=.06,Q下传r−q=.03,函数不再次扣q。

10. Visualization

本章八张实际生成图已放在第8节对应数值旁,避免把读图与计算拆开。输入、单位、随机种子与样本数跟随各图解释;SIMULATED标签在图上。Brownian连线不代表光滑路径,QV灰线是总体极限,树误差连线不表示单调,MC误差棒是抽样区间,Delta曲线是局部模型敏感度,对冲直方图来自P而非Q。

图可由独立CLI在一个新目录重建,输出结果与PNG同时保留。

11. Real Market Example:模型提出的可检验问题

本章没有下载真实期权链,也没有报告真实市场报价与模型价格差。因此模型内三种定价方法相符,只验证数值实现和条件模型的关系。你可以向具备许可的供应商提出一个实际检验:同一标的、到期、行权价、币种、时间戳、买卖报价和股息曲线下,求每个有效报价对应的隐含波动率(Implied Volatility),检查它是否能由一个常数σ解释。

波动率微笑(Volatility Smile)或偏斜(Skew)指隐含波动率随行权价等合约变量变化。它是由价格反解出的模型参数图案,不是观察到的真实测度收益分布,也不能直接解释成某个交易Alpha。用中间价反解之前,应检查bid/ask范围、支付约定和股息;常数σ模型若在许多行权价出现系统差异,可能需要随机波动、局部波动或跳跃模型,同时仍需验证其对冲表现。

原Black–Scholes论文假设无股息和无交易费用;Merton的股息扩展支持本章q项。两篇论文的理论来源不等同于本章进行了它们的市场实证复现。真实案例状态为待许可数据验证,缺口包括行情URL/许可、下载日期与版本、样本期间、同步报价与撮合延迟、币种一致的利率/股息、哈希及可复现清洗。本章不生成虚构波动率曲面或市场价格来填这张证据表。

12. Common Mistakes:用可运行反例诊断

错误一把Brownian路径当普通光滑路径,以∫WdW=WT2/2\int WdW=W_T^2/2计算,漏掉二次变差的一半。有限网格正确值为(WT2−∑ΔW2)/2(W_T^2-\sum\Delta W^2)/2,极限是(WT2−T)/2(W_T^2-T)/2。44-P01的错误/修复代码会给出两者差值,而非只用文字说“注意随机性”。

错误二把终值WTW_T复制到每个左点作为被积值。程序能相乘,但这个被积过程提前使用未来信息;其终值是WT2W_T^2,期望T,与适应平方可积Itô积分的零期望不同。形状合格不能修复前视;未来后缀扰动的检查只提供某条代码信息依赖的负面证据,不能从有限测试证明一切输入都适应。

错误三把Q下r−q替成P下μ−q再按r贴现。这样算的是一个P下折现期望,通常不能复制欧式支付。44-P03同时计算正确Q模型与错误漂移构造,比较价格;σ>0、完备无套利的模型条件决定Q的角色。

错误四对相关反偶路径按2M个独立样本算SE。44-P04从同一z生成两边支付,再先配对平均;正确SE来自M个配对平均的样本方差。错误的SE方向取决于支付相关性,本章示例不能被写成对任意支付都缩小SE的定理。

错误五把Vega写成“一个百分点价格变化”等于原解析导数,或把Theta剩余期限导数当日历时间导数。44-P04给同单位中心差分及1pp换算。步长过小会因相消使Gamma失真,步长过大带来截断误差;更多有效小数位不保证更准确。

错误六在对冲账本只记股票换仓、忘记原现金计息和原持仓的股息,或按新Delta追溯领取过去股息。44-P05逐行重算旧持仓的区间现金流、当前换仓、初始与清仓费用,错误账本与正确结果的偏差另展示。使用未来Delta或漏费都会改变金融任务。

13. Quant Research Application:从模型检查到数据实验

研究问题可以是“提高离散对冲频率是否降低费用后的复制损失风险”。先固定标的/支付与误差符号,把无费连续模型作为基准,再冻结候选频率、单边费用、P下路径参数、样本数与种子。本章先做模型内敏感性,保留均值、SD、分位数与费用;一次种子下误差更小不证明另一种市场环境也更好。

进入真实数据时,先按时间顺序划分用于估计波动/股息/费用的训练段和只评估一次的后段,保证每次对冲只用当时已知信息。记录每次bid/ask和成交资格、现金利率与借贷差异,按固定支付结算,并与不对冲、固定Delta、低频Delta等简单基准比较。价格误差、对冲风险与交易策略净收益分开报告。

反证条件是预先指定的:常数σ无法解释报价范围、跳跃/尾部复制短缺超过风险限额、增加频率后的费用抵消误差改善、同步/许可数据不足以复现。任一情形都可推动模型或执行假设修订,但看过后段后更改参数须标记事后探索,不能回写为预注册。本章结果只交付上述模拟教学候选,没有完整真实衍生品项目验收。

14. Chapter Summary

两个状态的复制方程给风险中性概率;信息集限制可用的动态持仓;Brownian二次变差解释Itô二阶项;GBM把这些条件组合成正价格路径。连续自融资复制消去真实漂移,留下含r、q、σ的PDE,条件风险中性期望连接解析式与数值方法。

实际使用时,先核对支付和单位,再看模型与信息条件,然后选择解析、树或MC。用差分查Greeks、以独立样本单位算SE、以完整现金账本查对冲误差。数值一致性支持实现;真实报价、费用和跳跃仍决定模型应用边界。

15. Exercises

44-E01:尺度与证明范围

给一年N步公平硬币随机游走,单步分别取ξ/√N与ξ/N,求终值方差。Brownian差商服从什么分布?解释为什么这排除固定时点有限的依概率导数,以及为何不能仅凭此证明几乎必然处处不可导。对确定性网格推导QV期望与方差界。

44-E02:无条件均值不等于鞅

ξ为公平±1,X0X_0=0、X1X_1=ξ、X2X_2=−ξ。写出三期均值和E[X2∣F1]E[X_2\mid \mathcal F_1],判断鞅。把X2X_2改为ξ+η(η独立公平±1)再判断。说明连续Itô被积过程除了逐时刻适应还需要什么可测/可积条件。

44-E03:有限网格与极限

构造路径W=[0,.2,.1,.4],计算平方增量和、左点和与右点和。用裂项求和推导两种和的一般式。设Brownian的T=1,解释将QV换成1时哪个等号只在极限成立。

44-E04:GBM与共同噪声

在P下μ=.08、q=.02、σ=.2、S0S_0=100,求股价漂移、log价格漂移、E[ST]E[S_T]、Var(STS_T)及T=1的表达式。推导Euler递推,给负价格构造反例。写强终值RMSE与弱g(S)=S的配对估计量;弱误差是否必须逐网格单调?

44-E05:测度与股息鞅

同一参数且r=.05,求λ、ZtZ_t、WQW_Q及Q股价漂移。证明有限时域Novikov满足,并分别写贴现除息价、计入现金股息的贴现收益过程、股息再投资财富的漂移。说明σ=0时为何不能用λ式。

44-E06:单期复制

用S0S_0=K=100、SuS_u=120、SdS_d=80、银行增长1.05、q=0,求复制股数、初始现金/债券头寸、call价格及辅助风险中性概率,核对两个状态。真实上涨概率改为.3时复制价格如何变化?

44-E07:自融资与PDE

从V=ΔS+A、dA中的股息融资流及Itô dV出发,逐项推导含q的PDE;指出为何对ΔS直接用普通乘积法则会错把换仓当外部注资。写欧式call/put终值及σ>0域和借贷/交易假设。

44-E08:d1/d2与条件定价

从Q下log终值正态,分别积分EQ[1{ST>K}]E_{\mathbb Q}[1_{\{S_T>K\}}]与EQ[ST1{ST>K}]E_{\mathbb Q}[S_T1_{\{S_T>K\}}],说明d2和d1的不同角色。写put-call parity与受限Feynman–Kac连接的条件,并说明同一公式不能直接换P漂移。

44-E09:Greeks单位

给Delta/Gamma/Vega/Theta/Rho定义,Theta以日历时间、Vega与Rho以单位参数计。写call/put含q解析关系;1pp波动率冲击如何换算?到期S=K的普通Delta是否唯一?极小中心差分步长为什么会失真?

44-E10:对偶MC的SE

有M个独立ziz_i与相关反偶支付Yi+Y_i^+、Yi−Y_i^-。写价格、配对均值方差、SE与95%正态近似CI。说明为什么2M路径不能当2M独立观察;一次解析价格落入CI能证明什么?

44-E11:信息组与加权二次变差(新增)

沿§5.2四终态表填M2M_{2}及两组F1\mathcal F_{1}条件均值,说明M2M_{2}为何不在F1\mathcal F_{1}可测而其条件期望可测。固定确定性划分,CiC_{i}为左点可测且∣Ci∣≤K|C_i|\le K,补出i<j交叉项消失的条件化步骤与E[RΠ2]E[R_\Pi ^2]上界。T=1、四个等步长、K=2时上界是多少?这是否证明任意随机划分结论或一般Itô全部余项?

44-E12:现金转移、显式解与时标(新增)

S=100、零费零区间收益,持股从.6变.5、原现金A=−50,逐项算换仓前后总价值。写本章光滑Delta的现金抵销式。对指数GBM解写FtF_t、FwF_w、FwwF_{ww}并核SDE,说明正性。日历t=.25、到期1年时定价API T应传什么?给λ的单位。

16. Programming Exercises

44-P01:有限积分与信息诊断

生成seed4402的16条1024步Brownian路径;核对有限恒等式最大残差、T极限差以及未来后缀改动不影响前半积分。再计算H=WTW_T的前视和,展示其非零均值理论参照与等距失效,不给这个过程贴合格Itô积分标签。空数组与NaN必须被拒绝。

44-P02:嵌套共同增量

按冻结协议4096条1024步细增量聚合成16/64/256/1024步,计算GBM精确与Euler终值强RMSE、配对弱均值差和SE。比较解析Euler均值与精确均值;错误地用独立噪声比较时,指出差值估计的对象如何变化。不要用弱样本均值单调性作为验收断言。

44-P03:三种价格与拒绝边界

核对基础call/put、parity、多网格CRR、MC的Q漂移;构造错误地用μ−q=.06的贴现期望,用同z比较金额。测试无效树概率必须拒绝、负利率可以使用、到期/零波动价格正确。

44-P04:Greeks与相关样本SE

对S=80/100/120的call/put做同单位中心差分,扫描h=.01/.0001/.000001/.00000001的Gamma误差。用1000个seed4401独立z复算反偶配对SE和错误的展平SE,报告二者。T=0/σ=0的Greeks API明确拒绝;随机MC一个独立样本无法估SE,应拒绝。

44-P05:逐行对冲账本

对路径[100,110,105,90]的一年三步call按r=.05、q=.02、σ=.2、K=100、fee=.001复算每行:旧现金融资、旧持股股息、换仓数量/价款、单边费用、新现金、股票市值、最终清仓和支付差。核对现金与股数,展示漏掉股息的错误结果差。改变未来后缀不应影响已完成的账本前缀。

17. Challenge Problems

44-C01:前视与模型边界

额外先修:正态四阶矩。固定Ht=WTH_t=W_T,求离散和的极限、均值与平方期望,比较E∫H2 dtE\int H^2\,dt。说明为何不能借此宣称现实套利。评分:代数结果3分,四阶矩/等距3分,信息与金融边界4分。

44-C02:对冲频率与费用的反证

在冻结P路径结果中比较12/52/252步、有费与无费的误差SD、负尾部分位数与平均费用。提出一个带训练/评估分离的真实报价检验计划及两个推翻“高频更好”的条件。评分:误差/成本和单位3分,可复现时间/许可计划3分,负面结果和事后探索边界4分。开放题不能以一种频率的均值最高为唯一正确答案。

18. Solutions / Solution Hints

44-E01

第一种终值方差N/N=1,第二种N/N²=1/N。Brownian差商N(0,1/h),固定M时落入[−M,M]的概率趋0,排除向有限随机变量的依概率收敛;处处不可导定理仍需控制所有时点。独立平方增量给E[QV]=TE[QV]=T,Var⁡(QV)=2∑iΔti2≤2T∣Π∣\operatorname{Var}(QV)=2\sum_i\Delta t_i^2\le2T|\Pi|,所以L²收敛。CLT给终值/有限维分布,路径弱收敛另需函数型CLT与紧性。

44-E02

均值均0;F1\mathcal F_1已知ξ,所以条件期望−ξ不等于ξ,不是鞅。改成ξ+η后条件均值ξ,因为独立η均值0;t=0的条件关系也成立。Itô需要例如渐进可测/可预测及E∫H2 dtE\int H^2\,dt有限,连续适应过程满足相应可测性,仍须另行满足前述平方可积条件;“数组左列”不证明信息条件。

44-E03

增量[.2,−.1,.3],QV=.04+.01+.09=.14;左和0·.2+.2·(−.1)+.1·.3=.01;右和.2·.2+.1·(−.1)+.4·.3=.15。一般左和(WT2−W02−QV)/2(W_T^2-W_0^2-QV)/2,右和(WT2−W02+QV)/2(W_T^2-W_0^2+QV)/2,两者差QV。Brownian从0出发时QV→T=1才让左和趋(WT2−1)/2(W_T^2-1)/2。本构造数列的终值.4和QV.14没有被宣称为Brownian的必然值。

44-E04

β=μ−q=.06,log漂移β−σ²/2=.04。E[S1]=100e.06E[S_1]=100e^{.06};Var⁡(S1)=10000e.12(e.04−1)\operatorname{Var}(S_1)=10000e^{.12}(e^{.04}-1)。Itô对log的一阶项β、二阶项−σ²/2给显式解,再用正态指数矩得到价格矩。Euler为Si+1=Si(1+βdt+σdWi)S_{i+1}=S_i(1+\beta dt+\sigma dW_i),β=0、σ=1、dt=1、dW=−2给−100,是额外构造边界反例。Dm=STE−STexactD_m=S_T^E-S_T^{exact}使用同噪声,强RMSE=√mean(D²),弱均值差mean(D),SE=std(D,ddof=1)/√M。抽样误差可使弱估计不单调;总体均值偏差可直接由100(1+.06/N)N−100e.06100(1+.06/N)^N-100e^{.06}计算。

44-E05

λ=(.08−.05)/.2=.15,Zt=exp⁡(−.15WP(t)−.01125t)Z_t=\exp(-.15W_P(t)-.01125t),WQ=WP+.15tW_Q=W_P+.15t。Novikov期望exp(.01125T)对固定有限T有限;常数增量密度配方给N(−λdt,dt),平移后是Brownian。P股价漂移.06减σλ=.03得到Q漂移r−q=.03。贴现除息价漂移−qe−rtS-qe^{-rt}S;现金股息计入的G漂移0;再投资股数exp(qt),贴现财富exp(−(r−q)t)S漂移0,在有限时域GBM矩条件下为真实鞅。σ=0分母为0,不能从λ式定义该转换,确定性价格须单独处理。

44-E06

相减得Δ=.5。下状态.5·80+1.05A=0,因此A=−40/1.05;若B0B_0=1,债券单位头寸也为A。上状态60−40=20,下状态40−40=0,初始价格50−40/1.05。p=(1.05−.8)/(1.2−.8)=.625,贴现期望(.625·20+.375·0)/1.05与复制相同。真实上涨概率.3不改变复制支付或成本;若两状态/融资等假设变了则另算。

44-E07

自融资收益方程dV=Δ(dS+qSdt)+r(V−ΔS)dtdV=\Delta(dS+qSdt)+r(V-\Delta S)dt,把Δ=VS\Delta=V_S代入。与§6.7的Itô展开匹配,消去两边μSVS\mu SV_S,得到含q的PDE。恒等式V=ΔS+A并不允许把dV写成只有ΔdS而漏掉现金或把SdΔ当外部财富;自融资要求股票再平衡由现金账户同时转移,收益方程才是复制条件。call终值(S−K)+(S-K)^+,put(K−S)+(K-S)^+,S>0内、τ>0、σ>0使用随机PDE;终值折点按支付处理。无费、连续交易、同率融资、可容许策略等模型条件列于§5.4。

44-E08

Q下log⁡(ST/S)=(r−q−σ2/2)τ+στZ\log(S_T/S)=(r-q-\sigma^2/2)\tau+\sigma\sqrt\tau Z,行权条件Z>−d2Z>-d2,所以Q(ST>K)=Φ(d2)Q(S_T>K)=\Phi(d2)。截断股票期望完成正态平方配方后,指数权重把阈值从−d2平移σ√τ,给Se(r−q)τΦ(d1)Se^{(r-q)\tau}\Phi(d1),d1=d2+σ√τ。分别贴现这两项得到call;put-call差Se−qτ−Ke−rτSe^{-q\tau}-Ke^{-r\tau}可由支付差ST−KS_T-K直接得。对于本章正S、常系数GBM、有限T、call/put线性增长终值和τ>0的C1,2C^{1,2}解,Itô与可积鞅条件连接PDE和Q条件期望;未声明任意不规则系数/支付无条件成立。P漂移一般保留风险溢价,不能替换Q定价任务。

44-E09

Delta=dVdS\frac{dV}{dS}(股/份),Gamma=d2VdS2\frac{d^2V}{dS^2}(每单位S的Delta变化),Vega=dVdσ\frac{dV}{d\sigma}(货币/单位年化波动参数),Theta=dVdt=−dVdτ\frac{dV}{dt}=-\frac{dV}{d\tau}(货币/年),Rho=dVdr\frac{dV}{dr}(货币/单位连续年率)。解析式与推导在§6的Greeks小节,两种期权Gamma/Vega相同,Δcall−Δput=e−qτ\Delta_{\mathrm{call}}-\Delta_{\mathrm{put}}=e^{-q\tau},Theta与Rho含q和r项符号需随call/put支付区别。Δσ=.01用.01·Vega近似金额,不是整个Vega。到期S=K的call左右Delta分别0与1,无普通唯一值;API全部T=0/σ=0 Greeks拒绝是明确实现域,非宣称所有非折点导数都不存在。中心差分相减接近数会放大舍入;Gamma再除hS2h_S^2,过小步长尤其敏感。

44-E10

Xi=(Yi++Yi−)/2X_i=(Y_i^++Y_i^-)/2,价格mean(X),sX2=∑i(Xi−mean⁡(X))2/(M−1)s_X^2=\sum_i(X_i-\operatorname{mean}(X))^2/(M-1),SE=sX/Ms_X/\sqrt M,95%正态近似区间mean(X)±1.95996398454SE。Var⁡(X)=[Var⁡(Y+)+Var⁡(Y−)+2Cov⁡(Y+,Y−)]/4\operatorname{Var}(X)=[\operatorname{Var}(Y^+)+\operatorname{Var}(Y^-)+2\operatorname{Cov}(Y^+,Y^-)]/4,路径之间相关使2M独立公式遗漏Cov。正态近似要求独立配对、足够样本及有限方差;单个随机观察不能估样本方差。某次覆盖符合区间的随机解释,不能证明算法正确,算法需金融恒等式、独立复算与边界检查。

44-E11(新增完整答案)

四态M2M_{2}为2、0、0、−2;F1\mathcal F_{1}两组条件均值为1、−1。M2M_{2}同组不同值,尚不可测;条件期望同组恒定,故可测。令εi=(ΔWi)2−Δti\varepsilon_i=(\Delta W_i)^2-\Delta t_i,则条件均值0、条件二阶矩2(Δti)22(\Delta t_i)^2。i<j时CiεiCjC_i\varepsilon_iC_j为Ftj\mathcal F_{t_{j}}可测,故交叉期望=E[CiεiCjE(εj∣Ftj)]=0E[C_i\varepsilon_i C_j E(\varepsilon_j\mid\mathcal F_{t_j})]=0。得到E[RΠ2]=2∑iE[Ci2](Δti)2≤2K2T∣Π∣E[R_\Pi^2]=2\sum_i E[C_i^2](\Delta t_i)^2\le2K^2T|\Pi|。给定数字是2·4·1·.25=2;这是平方误差期望的上界,不是每条路径误差的上限,也不要求达到。网格细化才得L²趋0;不覆盖任意随机划分,仍需一般Itô的逼近、余项和局部化条件。

44-E12(新增完整答案)

原股票市值60、现金−50、总价值10;卖.1股收10,股票市值50、现金−40、总价值仍10。光滑半鞅Delta下dA=rA dt+qΔSdt−S dΔ−d[Δ,S],与乘积式相加给dV=ΔdS+qΔSdt+rA dt。指数F的三偏导分别(β−σ²/2)F、σF、σ²F;Itô漂移加上σ²F/2后回到βF,随机项σF,初值S0S_{0}且严格正。API T=1−.25=.75年;λ为年⁻¹/²,使λW与λ²t无量纲。

44-P01 参考实现

import numpy as np
from quant_course.stochastic_calculus import brownian_increments, ito_left, quadratic_variation
dw = brownian_increments(16, 1024, 1., 4402)
w = np.column_stack([np.zeros(16), np.cumsum(dw, axis=1)])
qv = quadratic_variation(w)
i = ito_left(w, w[:, :-1])
ordinary = .5 * w[:, -1] ** 2
print("ordinary minus Ito first path", ordinary[0] - i[0])
assert np.allclose(ordinary - i, .5 * qv)
assert np.max(abs(i - .5 * (w[:, -1] ** 2 - qv))) < 1e-12
print("finite/limit RMSE", np.sqrt(np.mean((i - .5 * (w[:, -1] ** 2 - 1)) ** 2)))
future = w.copy()
future[:, 513:] += 3
assert np.array_equal(ito_left(w[:, :513], w[:, :512]), ito_left(future[:, :513], future[:, :512]))
lookahead = np.repeat(w[:, -1, None], 1024, axis=1)
wrong = ito_left(w, lookahead)
assert np.allclose(wrong, w[:, -1] ** 2)
print("anticipating first path", wrong[0])
for invalid in [np.empty((0, 2)), np.array([[0., np.nan]])]:
    try:
        quadratic_variation(invalid)
    except ValueError:
        pass
    else:
        raise AssertionError("invalid input accepted")

正确有限代数差只受舍入影响;普通链式法则会比左和多QV/2。前视和理论E[WT2]E[W_T^2]=T而非0,其平方期望3T²,等距右侧T²。16路径的样本均值不必精确为T。

44-P02 参考实现

import math
import numpy as np
from quant_course.stochastic_calculus import brownian_increments, gbm_exact, gbm_euler
dw = brownian_increments(4096, 1024, 1., 4403)
for n in [16, 64, 256, 1024]:
    d = dw.reshape(4096, n, 1024 // n).sum(axis=2)
    ex = gbm_exact(100., .06, .2, 1/n, d)
    eu = gbm_euler(100., .06, .2, 1/n, d)
    error = eu[:, -1] - ex[:, -1]
    rmse = np.sqrt(np.mean(error**2))
    mean = error.mean()
    se = error.std(ddof=1) / np.sqrt(4096)
    population = 100 * ((1 + .06/n)**n - math.exp(.06))
    print(n, rmse, mean, se, population)

独立重抽噪声后差值仍可无偏估计两个均值之差,但SE变大,且其路径RMSE不是同一噪声下的强离散误差。此题需共同细增量聚合及非单调弱样本结果,而不要求四行mean严格单调。

44-P03 参考实现

import numpy as np
from quant_course.derivatives_pricing import bs_price, crr_price, mc_price
p = dict(S=100., K=100., T=1., r=.05, q=.02, sigma=.2)
c, put = bs_price(**p), bs_price(**p, kind="put")
assert abs(c - put - 100*np.exp(-.02) + 100*np.exp(-.05)) < 1e-10
print("BS", c, put)
for n in [10, 25, 50, 51, 100, 101, 200, 400]:
    print(n, crr_price(**p, steps=n) - c)
z = np.random.default_rng(4401).standard_normal(50000)
correct = np.exp(-.05) * np.maximum(100*np.exp(.01+.2*z)-100, 0)
wrong = np.exp(-.05) * np.maximum(100*np.exp(.04+.2*z)-100, 0)
print("wrong drift minus Q plain estimate", wrong.mean() - correct.mean())
assert bs_price(**dict(p, T=0)) == 0
assert bs_price(**dict(p, r=-.01)) >= 0
assert mc_price(**dict(p, sigma=0))["se"] == 0
try:
    crr_price(**dict(p, r=1., sigma=.01), steps=1)
except ValueError:
    pass
else:
    raise AssertionError("invalid probability clipped")

44-P04 参考实现

import numpy as np
from quant_course.derivatives_pricing import bs_price, bs_greeks, mc_price
p = dict(S=100., K=100., T=1., r=.05, q=.02, sigma=.2)
for spot in [80., 100., 120.]:
    for kind in ["call", "put"]:
        a = dict(p, S=spot)
        g = bs_greeks(**a, kind=kind)
        h, hs = .0001, .01
        def v(key, bump):
            inputs = dict(a)
            inputs[key] += bump
            return bs_price(**inputs, kind=kind)
        fd = {
            "delta": (v("S", hs)-v("S", -hs))/(2*hs),
            "gamma": (v("S", hs)-2*bs_price(**a, kind=kind)+v("S", -hs))/hs**2,
            "vega": (v("sigma", h)-v("sigma", -h))/(2*h),
            "theta": -(v("T", h)-v("T", -h))/(2*h),
            "rho": (v("r", h)-v("r", -h))/(2*h),
        }
        for key in g:
            assert abs(fd[key]-g[key]) < 2e-5
        print(spot, kind, "Vega per 1pp", .01*g["vega"])
for h in [.01, .0001, .000001, .00000001]:
    hs = 100*h
    gamma = (bs_price(**dict(p, S=100+hs))-2*bs_price(**p)+bs_price(**dict(p, S=100-hs)))/hs**2
    print("h/Gamma error", h, gamma-bs_greeks(**p)["gamma"])
z = np.random.default_rng(4401).standard_normal(1000)
y = np.exp(-.05)*np.maximum(100*np.exp(.01+.2*z)-100, 0)
ya = np.exp(-.05)*np.maximum(100*np.exp(.01-.2*z)-100, 0)
x = (y+ya)/2
se = x.std(ddof=1)/np.sqrt(1000)
assert np.isclose(se, mc_price(**p, pairs=1000)["se"])
print("paired SE / wrong flat SE", se, np.r_[y, ya].std(ddof=1)/np.sqrt(2000))
for a in [dict(p, T=0), dict(p, sigma=0)]:
    try:
        bs_greeks(**a)
    except ValueError:
        pass
    else:
        raise AssertionError("unsupported boundary Greek accepted")
try:
    mc_price(**p, pairs=1)
except ValueError:
    pass
else:
    raise AssertionError("one random observation reported SE zero")

参考程序逐项核对五个Greeks,并给出Vega换算、Gamma步长及MC相关样本的诊断。核心测试和CLI使用相同单位契约。

44-P05 参考实现

import math
import numpy as np
from quant_course.derivatives_pricing import bs_price, bs_greeks, delta_hedge
path = np.array([100., 110., 105., 90.])
r, q, sigma, fee, dt = .05, .02, .2, .001, 1/3
result = delta_hedge(path, 1., r, q, sigma, 100., cost_rate=fee)
cash = bs_price(100., 100., 1., r, q, sigma)
shares, total, cash_no_dividend = 0., 0., cash
for i, row in enumerate(result["ledger"]):
    if i:
        cash = cash*math.exp(r*dt) + shares*path[i-1]*math.expm1(q*dt)
        cash_no_dividend *= math.exp(r*dt)
    target = 0. if i == 3 else bs_greeks(path[i], 100., 1-i*dt, r, q, sigma)["delta"]
    change = target-shares
    cost = fee*abs(change)*path[i]
    cash -= change*path[i]+cost
    cash_no_dividend -= change*path[i]+cost
    shares = target
    total += cost
    assert abs(cash-row["cash"]) < 1e-10
    assert abs(shares-row["delta"]) < 1e-12
    assert abs(cash+shares*path[i]-row["portfolio_value"]) < 1e-10
assert abs(total-result["total_cost"]) < 1e-12
assert abs(cash-max(path[-1]-100, 0)-result["error"]) < 1e-10
print("missing dividend cash error", cash_no_dividend-cash)
changed = path.copy()
changed[-1] = 150.
prefix = delta_hedge(changed, 1., r, q, sigma, 100., cost_rate=fee)["ledger"]
assert prefix[:-1] == result["ledger"][:-1]

股息按旧shares与区间左点价格近似,融资先作用旧cash,再用当前价换仓;最后target=0包含清仓费用。错误cash_no_dividend追踪相同已给定股数,漏计股息会产生金额差,不能只比较总股票收益。

44-C01 参考论证

离散和WT∑iΔWi=WT2W_T\sum_i\Delta W_i=W_T^2,因为W0W_0=0。均值T,平方期望E[WT4]=3T2E[W_T^4]=3T^2,而E∫H2 dtE\int H^2\,dt=T²,故不能套Itô等距。H在t<T不是Ft\mathcal F_t可测,所造头寸预知终值,不是本章允许策略。真实套利要求可取得信息、可交易资产、自融资及可容许策略,本反例不满足第一条。提到更一般的非适应积分可以作为延伸,但不需要Malliavin等额外理论得分。

44-C02 参考论证与评分

读取第8节冻结结果,列相同256路径上的误差SD/5%分位数和现金费用。增加频率在模型内可能降低无费误差,但有费尾部与均值需要实际比较,不能保证同时改善。先在训练段估波动、费率与股息,用固定报价/时间/执行约定只在评估段比较;给数据URL、许可、版本/hash、时区与下一可成交时点。若高频费用使复制短缺尾部扩大,或跳跃下全部频率均超风险限额,便反证“高频必更好”;也允许数据无法同步而结论未决。参数改变标事后,负结果保留。本章模拟不替代真实项目完成。

19. Further Reading

Must Know:重做第4章Taylor/中心差分、第6章条件期望、第10/11章支付与总收益;本章单期复制、Itô二阶项、含q自融资、P/Q及MC配对SE。

Should Know:MIT15.070J Lecture15–17的Itô积分/公式以及Lecture19的自融资,用于核对左点和平方可积前提;Black–Scholes(1973)无股息模型假设与Merton(1973)§7股息扩展,按实际核读位置阅读。

Advanced:CMU Risk Neutral Measures的Girsanov/Novikov与风险中性定价;完整测度论、鞅表示、Feynman–Kac一般条件和美式自由边界需额外先修,本章没有提供这些一般定理的完整证明。

Optional:Hull《Options, Futures, and Other Derivatives》、Shreve《Stochastic Calculus for Finance I/II》可用于系统课程。未核读确定版本授权书页,不提供臆造页码。进入局部/随机波动与跳跃专题前,应先能独立复算本章现金账本。

20. References

本章关键来源键与实际读取位置见source_notes.md,全局来源台账见references/sources.json。原论文来源支持理论命题;本章模拟的输入、输出、代码hash与运行记录是另一层证据。

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