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2022-06-01
英文标题:
《Local Volatility Calibration by Optimal Transport》
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作者:
Ivan Guo, Gr\\\'egoire Loeper, Shiyi Wang
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最新提交年份:
2018
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英文摘要:
  The calibration of volatility models from observable option prices is a fundamental problem in quantitative finance. The most common approach among industry practitioners is based on the celebrated Dupire\'s formula [6], which requires the knowledge of vanilla option prices for a continuum of strikes and maturities that can only be obtained via some form of price interpolation. In this paper, we propose a new local volatility calibration technique using the theory of optimal transport. We formulate a time continuous martingale optimal transport problem, which seeks a martingale diffusion process that matches the known densities of an asset price at two different dates, while minimizing a chosen cost function. Inspired by the seminal work of Benamou and Brenier [1], we formulate the problem as a convex optimization problem, derive its dual formulation, and solve it numerically via an augmented Lagrangian method and the alternative direction method of multipliers (ADMM) algorithm. The solution effectively reconstructs the dynamic of the asset price between the two dates by recovering the optimal local volatility function, without requiring any time interpolation of the option prices.
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中文摘要:
从可观测期权价格校准波动率模型是定量金融中的一个基本问题。行业从业者最常用的方法是基于著名的杜皮尔公式[6],该公式要求了解连续的罢工和到期日的普通期权价格,而这些价格只能通过某种形式的价格插值获得。在本文中,我们利用最优传输理论提出了一种新的局部波动率校准技术。我们构造了一个时间连续的鞅最优运输问题,该问题寻求一个鞅扩散过程,该过程与两个不同日期的已知资产价格密度相匹配,同时最小化所选的成本函数。受Benamou和Brenier[1]开创性工作的启发,我们将该问题表述为一个凸优化问题,推导其对偶公式,并通过增广拉格朗日方法和交替方向乘子法(ADMM)算法对其进行数值求解。该解决方案通过恢复最优局部波动率函数,有效地重建了两个日期之间资产价格的动态,无需对期权价格进行任何时间插值。
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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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2022-6-1 09:47:45
OptimalTransportIvan Guo的局部波动率校准*+, Gr’egoire Loeper公司*+, 和王世毅*从可观测期权价格校准波动率模型是定量金融中的一个基本问题。工业从业者最常用的方法是基于著名的杜皮尔公式[7],该公式要求了解连续的罢工和到期日的普通期权价格,这些价格只能通过某种形式的价格插值获得。在本文中,我们提出了一种新的局部波动率校准技术,该技术使用了最优传输理论。我们构造了一个时间连续的鞅最优运输问题,该问题寻求一个鞅扩散过程,该过程与两个不同日期的已知anasset价格密度相匹配,同时最小化所选的成本函数。受Benamou和Brenier[2]开创性工作的启发,我们将该问题描述为一个凸优化问题,推导其对偶公式,并通过增广拉格朗日方法和乘子交替方向法(ADMM)算法对其进行数值求解。该解决方案通过恢复最优局部波动函数,有效地重建了两个日期之间资产价格的动态,无需对期权价格进行任何时间插值。1引言经典Black-Scholes期权定价框架的一个基本假设是,基础风险资产具有恒定的波动性。然而,这一假设很容易被市场上观察到的期权价格所推翻,因为市场上隐含的波动率表面显示出“偏斜”或“微笑”。多年来,许多复杂的波动率模型被引入来解释这一现象。一类流行的模型是局部波动率模型。
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2022-6-1 09:47:48
在本地*澳大利亚莫纳什大学数学科学学院+澳大利亚莫纳什大学定量金融和投资战略中心承认法国巴黎银行支持定量金融和投资战略中心。2伊凡·郭*+, Gr’egoire Loeper公司*+, 和王世毅*在波动率模型中,波动率函数σ(t,St)是时间t和资产价格St的函数。局部波动率函数的校准涉及从可用期权价格中确定σ。杜皮尔(Dupire)[7]的开创性工作介绍了校准局部波动性的最重要方法之一,该方法提供了一种恢复局部波动性函数σ(t,s)的方法,如果欧洲看涨期权C(t,K)的价格已知为连续的到期日t和到达时间K。特别是,著名的杜皮尔公式由σ(t,K)给出=C(T,K) T+utKC(T,K) KK公司C(T,K) K、 (1)其中u是确定性函数。然而,在实践中,期权价格仅在离散的行权和到期日可用,因此需要在两个变量中进行插值以利用此公式,从而导致许多不准确之处。此外,分母中二阶导数的数值计算可能会导致波动率表面的不稳定性以及奇异性。尽管有这些缺点,杜皮尔公式及其变体在当今金融业中仍然普遍使用。在本文中,我们介绍了一种新的局部波动函数校准技术,该技术采用了受最优传输启发的变分方法。1781年,Monge【13】在土木工程背景下首次提出了最佳运输问题。基本问题是将材料从一个地点转移到另一个地点,同时将运输成本降至最低。
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2022-6-1 09:47:51
20世纪40年代,坎托洛维奇(Kantorovich)[10]提出了一种基于线性规划技术的问题现代处理方法,由此产生了所谓的Monge-Kantorovich问题。自那时以来,最优运输理论在流体动力学、气象学、计量经济学和宇宙学等许多领域的应用引起了人们的广泛关注(见[8]、[11]和[17])。最近,有一些研究将最优运输扩展到随机环境,并将其应用于金融数学。例如,Tanand Touzi[16]研究了半鞅Monge-Kantorovich问题的扩展,而Dolinsky和Soner[6]将鞅最优转移应用于鲁棒套期保值问题。在我们的方法中,我们首先从在tandt到期的欧洲期权价格中恢复标的资产在tandt时的概率密度。然后,我们不再在不同的到期日之间进行插值,而是寻求一个鞅扩散过程,该过程在最小化特定成本函数的同时,将密度从tto t转移到t。这类似于经典的最优运输问题,附加的约束条件是扩散过程必须是由局部波动函数驱动的鞅。在成本函数为凸函数的情况下,该问题可以重新表述为线性约束下的凸优化问题,Huesmann等人最近在[9]和[1]中对该问题进行了研究。从理论上讲,随机控制问题可以重新表述为一个优化问题,该问题涉及在每一步求解一个非线性偏微分方程,而偏微分方程与Bouchard等人[4,3]和Loeper[12]在通过具有市场影响的期权定价的最优传输3进行局部波动率校准时所研究的偏微分方程密切相关。
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2022-6-1 09:47:54
在本文中,我们通过增广拉格朗日方法和交替方向乘子法(ADMM)算法来处理该问题,该算法也用于Benamou和Brenier[2]的经典最优运输问题。本文的组织结构如下。在第2节中,我们介绍了Benamou和Brenier[2]提出的经典最优运输问题。在第三节中,我们介绍了鞅最优运输问题及其增广拉格朗日。数值方法详见第4节,数值结果见第5.2节“最优运输”。在本节中,我们简要概述了Benamou和Brenier[2]提出的最优运输问题。给定密度函数ρ,ρ:Rd→ [0, ∞) 总质量RRdρ(x)dx等于RRdρ(x)dx。我们说一张地图→ 如果RDI满足ZX,则RDI是可接受的运输计划∈Aρ(x)dx=Zs(x)∈Aρ(x)dx,(2)对于所有有界子集A 设T表示所有可容许映射的集合。给定一个成本函数c(x,y),它表示将一单位质量从x移动到y的运输成本,最优运输问题是找到一个最优地图*∈ 使总成本最小化∈TZRdc(x,s(x))ρ(x)dx。(3) 特别是,当c(x,y)=y时- x |其中|·|表示欧几里德范数,该问题称为LMonge-Kantorovich问题(MKP)。[2]在流体力学框架中重新制定了LMKP。在时间间隔t内∈ [0,1],考虑所有可能的光滑、时间相关的密度ρ(t,x)≥ 0和速度场v(t,x)∈ 满足连续性方程的tρ(t,x)+ · (ρ(t,x)v(t,x))=0,t型∈ [0,1], x个∈ Rd,(4)以及初始和最终条件ρ(0,x)=ρ,ρ(1,x)=ρ。(5) 在文献[2]中,证明了LMKP等价于找到一个最优对(ρ*,v*)这使得infρ,vZRdZρ(t,x)| v(t,x)| dtdx最小,(6)4 Ivan Guo*+, Gr’egoire Loeper公司*+, 和王世毅*受限于约束条件(4)和(5)。
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2022-6-1 09:47:57
然后,在[2]中,通过增广拉格朗日方法对该问题进行了数值求解。具体的数值算法被称为交替方向乘数法(ADMM),它在统计学习和分布式优化中有应用。3鞅问题的定义(Ohm ,F、 Q)是一个概率空间,其中Q是风险中性度量。假设资产价格的动态Xton t∈ [0,1]由局部波动率模型dxt=σ(t,Xt)dWt,t给出∈ [0,1],(7)其中σ(t,x)是局部波动函数,WT是一维布朗运动。为了简单起见,假设利率和股息率为零。用ρ(t,x)表示x的密度函数,γ(t,x)=σ(t,x)/2表示扩散系数。众所周知,ρ(t,x)遵循福克-普朗克方程tρ(t,x)- xx(ρ(t,x)γ(t,x))=0。(8) 假设初始和最终密度由ρ(x)和ρ(x)给出,通过Breeden-Litzenberger[5]公式ρT(K)从欧式期权价格中恢复=C(T,K) K、 让F:R→ R∪{+∞} 是凸成本函数。我们对最小化数量感兴趣ZF(γ(t,Xt))dt=ZDZρ(t,x)F(γ(t,Xt))dtdx,其中F(x)=+∞ 如果x<0,且D R是{Xt,t的支持∈ [0, 1]}. 与经典的最优运输问题不同,这里的解的存在需要一个附加条件:存在鞅运输计划当且仅当ρ和ρ满足:ZRД(x)ρ(x)dx≤ZRД(x)ρ(x)dx,对于所有凸函数Д(x):R→ R、 这就是众所周知的斯特拉森定理。这一条件自然被金融模型所满足,其中资产价格遵循鞅扩散过程。备注1。这里的公式实际上是非常通用的,可以很容易地适用于一大系列模型。
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