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2022-05-09
英文标题:
《Symmetry reduction and exact solutions of the non-linear Black--Scholes
  equation》
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作者:
Oleksii Patsiuk, Sergii Kovalenko
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最新提交年份:
2018
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英文摘要:
  In this paper, we investigate the non-linear Black--Scholes equation: $$u_t+ax^2u_{xx}+bx^3u_{xx}^2+c(xu_x-u)=0,\\quad a,b>0,\\ c\\geq0.$$ and show that the one can be reduced to the equation $$u_t+(u_{xx}+u_x)^2=0$$ by an appropriate point transformation of variables. For the resulting equation, we study the group-theoretic properties, namely, we find the maximal algebra of invariance of its in Lie sense, carry out the symmetry reduction and seek for a number of exact group-invariant solutions of the equation. Using the results obtained, we get a number of exact solutions of the Black--Scholes equation under study and apply the ones to resolving several boundary value problems with appropriate from the economic point of view terminal and boundary conditions.
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中文摘要:
本文研究了非线性Black-Scholes方程:$$u_t+ax^2u_{xx}+bx^3u_{xx}^2+c(xu_x-u)=0、\\quad a,b>0、\\c\\geq0.$$并证明了通过适当的变量点变换,这个方程可以简化为$$u_t+(u_{xx}+u_x)^2=0$$。对于得到的方程,我们研究了它的群论性质,即在李意义下找到其不变性的极大代数,进行对称约化,并寻求方程的若干精确群不变解。利用所得结果,我们得到了所研究的Black-Scholes方程的一些精确解,并从经济角度和边界条件出发,将这些精确解应用于解决几个具有适当边界条件的边值问题。
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分类信息:

一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:Mathematical Finance        数学金融学
分类描述:Mathematical and analytical methods of finance, including stochastic, probabilistic and functional analysis, algebraic, geometric and other methods
金融的数学和分析方法,包括随机、概率和泛函分析、代数、几何和其他方法
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2022-5-9 17:05:20
非线性Black-Scholes方程的对称约化和精确解Oleksii Patsiuka,b,*, 乌克兰国家科学院数学研究所Sergii Kovalenkocai,3 Tereshchenkivs\'kaStr。,01601基辅-4,乌克兰私人银行,6 Seryozhnikova街,14006 Chernihiv,乌克兰卡达斯集团公司,77 20 richchya Peremohy街,49127 Dnipro,乌克兰斯特拉特本文研究非线性Black-Scholes方程:ut+axuxx+bxuxx+c(xux- u) =0,a,b>0,c≥ 0.并表明,通过适当的变量点变换,可以将其简化为方程ut+(uxx+ux)=0。对于得到的方程,我们研究了它的群论性质,即,我们找到了它在李意义下不变性的最大代数,进行了对称约化,并寻求了方程的一些精确群不变解。利用所得结果,我们得到了所研究的Black–Scholes方程的一些精确解,并从经济角度和边界条件出发,将这些精确解应用于解决几个边值问题。关键词:布莱克-斯科尔斯方程,对称约化,精确解1。在现代数学金融中,布莱克-斯科尔斯方程(BSE)是期权定价理论中使用的关键方程之一。请注意,标准衍生品定价理论是基于完全流动市场的假设。在这种情况下,使用了经过充分研究的线性BSE[1,2]。但近年来,人们对流动性差的市场给予了极大关注。
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2022-5-9 17:05:25
如[3]所述(另见[4]),提供欧式期权价格的最全面的方程是以下非线性BSE:ut+~σ(S,uS,uSS)SuSS+r(SuS- u) =0,r≥ 0, (1)*通讯作者。电子邮件地址:patsyuck@yahoo.com(Oleksii Patsiuk),kovalenko@imath.kiev.ua(Sergii Kovalenko)提交给《非线性科学与数值模拟通讯》的预印本2018年3月15日,其中u是研究中的欧式期权的价格,S是标的股票的价格,r是无风险利率,σ是波动函数。对于非流动性市场的建模,可以使用[4]:1)交易成本模型,其波动率函数的形式为:△σ=σ(1+2ρSuSS);2) 波动率函数∧σ=σ(1)的简化形式随机微分方程(SDE)模型- ρSuSS);3) 波动率函数∑=σ(1)的平衡(反应函数)模型- ρuS)(1- ρuS- ρSuSS)。在所有这些公式中,σ是恒定(历史)波动率,ρ是所研究市场流动性的参数模型。由于ρ通常被认为很小,我们可以在最后两个公式中,用ρ=0附近的一阶泰勒近似来代替∑。因此,对于ρ的较小值,我们可以通过交易成本模型来限制我们的考虑,并且只研究形式为ut+σSuSS(1+2ρSuSS)+r(SuS)的BSE- u) =0,σ,ρ>0,r≥ 0.(2)形式为σ(1+2ρSuSS)的非线性BSE在金融数学中被广泛使用。注意,等式(2)是[7]和[8]中分别考虑的等式(1.1)和(28)的部分情况。[3,4,6,9]中也研究了r=0的方程式(2)。
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2022-5-9 17:05:28
特别是,利用李群论的方法,Bobrov[9]找到了一的最大不变性代数,进行了对称约化,并给出了精确不变解的例子。使用符号a=σ、b=ρσ、c=r和x=S,我们以更方便的形式重写(2):ut+axuxx+bxuxx+cxux- cu=0,a,b>0,c≥ 0.(3)在下文中,我们只考虑域R+×R+中自变量t,x的值(这是由于这些变量的经济意义)。为了避免Bobrov在C=0的情况下进行繁琐的计算,我们使用变量的点变换将(3)简化为更简单的形式。该模型由C,etin、Jarrow和Protter[5]提出。注意,在[4]中,考虑了其他几种具有不同波动率函数的交易成本模型。对于ρ=0,市场是完全流动的(我们有线性BSE),而对于ρ大,交易对交易价格有很大影响。对于美国大公司的股票,ρ是一个小参数(约为10)-4) [6,第186页]。对得到的方程进行了群分析,并建立了它的一些精确不变解,我们利用变量的逆变换将它们转化为方程(3)的解。本文的结构如下。在第2节中,使用变量的简化点变换,我们将非线性BSE(3)简化为偏微分方程(PDE),这是著名手册[10]中方程的特例。在第三节中,我们给出了该方程的最大不变代数(MAI)的一维子代数的最优系统,进行了对称约化,得到了该方程的若干精确群不变解。回到BSE(3),我们在第4节中得到了它的一些精确解。
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2022-5-9 17:05:31
接下来,我们应用第4节中的解,用控制方程(3)求解几个BVP。最后,在第6节中,我们简要总结了本文的结果。2.使用变量ST=t,x=logxb,u=bux+alogxb的点变换简化变量的点变换-at(c=0);(4) t=ct,x=logcxb- ct,u=bucx+a2clogcxb-A.1+a2ct(c>0),(5)我们可以将方程(3)简化为方程ut+(ux+uxx)=0(6)(为了方便起见,下文省略上划线)。我们得到一个形式为ut=F(ux,uxx)的方程。已知(见[10,Subs.12.1.1,No.2])得到的方程允许行波解u(t,x)=u(ξ),ξ=kx+λt,(7),其中函数u(ξ)由自治常微分方程(ODE)F(kuξ,kuξ)确定- λuξ=0,以及公式u(t,x)=c+ct+ξ(ξ),ξ=kx+λt(8)的一个更复杂的解,其中函数u(ξ)由自治的ODEF(k洎ξ,k洎ξ)确定- λφξ- c=0。在第3节中,我们找到了方程(6)的许多其他解。利用LIE[11]程序对方程(6)进行对称约化和精确解,我们得到方程(6)的MAI基可以如下选择:X=-x、 x=-E-十、u、 X=t、 X=u、 X=tT- Uu、 这个算子的非零交换子是:[X,X]=X,[X,X]=-十、 [X,X]=X[X,X]=-因此,我们的MAIA可以写成一维代数和四维理想的半直和:A={X}A{X,X,X,X}。理想的是A2型。2.⊕2A(此处我们使用[12]中使用的符号)。利用这些事实,并执行著名的分类算法[13,第1450页],我们得到以下断言。提议1。
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2022-5-9 17:05:35
MAIof方程(6)的一维子代数的最优系统由以下子代数组成:hXi,hXi,hXi,hXi,hXi,hX+εXi,hX+εXi,hX+εXi,hX+εXi,hX+εXi,hX+y(εX+εX)i,hX+sin(εX+εX)i,hX+zXi,hX-X+εXi,其中ε=±1,ε=±1,ε=±1,y>0,z 6=0,-1和0<η<π。首先,注意代数hXi、hXi和hX+εX |ε=±1i不满足非退化不变量解存在的必要条件。此外,我们基于命题1中的所有其他代数,对不变解进行了详细的分析。我们的调查结果见表1和表2。表1由子代数生成的ANZATSE和相应的简化方程组成,精确解(或一阶常微分方程,如果我们找不到它们的解)如表2所示。备注1。只有当ε=-1.备注2。在表2:1)中,解决方案1无关紧要,可以包含在解决方案2中;2) 解3是行波解,可以从(7)得到,如果我们把k=1,λ=ε;3) 如果我们把c=0,那么可以从溶液3中得到溶液4;4) 解7的形式是(8),如果我们把k=1,λ=k,c=ε;表1:等式(6)的对称性约化。
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