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2022-06-01
英文标题:
《Closed-form Solutions of Relativistic Black-Scholes Equations》
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作者:
Yanlin Qu and Randall R. Rojas
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最新提交年份:
2017
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英文摘要:
  Drawing insights from the triumph of relativistic over classical mechanics when velocities approach the speed of light, we explore a similar improvement to the seminal Black-Scholes (Black and Scholes (1973)) option pricing formula by considering a relativist version of it, and then finding a respective solution. We show that our solution offers a significant improvement over competing solutions (e.g., Romero and Zubieta-Martinez (2016)), and obtain a new closed-form option pricing formula, containing the speed limit of information transfer c as a new parameter. The new formula is rigorously shown to converge to the Black-Scholes formula as c goes to infinity. When c is finite, the new formula can flatten the standard volatility smile which is more consistent with empirical observations. In addition, an alternative family of distributions for stock prices arises from our new formula, which offer a better fit, are shown to converge to lognormal, and help to better explain the volatility skew.
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中文摘要:
当速度接近光速时,从相对论战胜经典力学的经验中,我们探索了对开创性的Black-Scholes(Black and Scholes(1973))期权定价公式的类似改进,方法是考虑其相对论版本,然后找到相应的解。我们证明,我们的解决方案比竞争解决方案(如Romero和Zubieta Martinez(2016))有显著改进,并获得了一个新的封闭形式期权定价公式,其中包含信息传输速度限制c作为新参数。当c趋于无穷大时,新公式被严格证明收敛于Black-Scholes公式。当c为有限时,新公式可以展平标准波动率微笑,这与经验观察结果更为一致。此外,我们的新公式产生了一个股票价格分布的替代族,它提供了更好的拟合,显示收敛于对数正态分布,并有助于更好地解释波动率偏斜。
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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 16:50:43
相对论性Black Scholese方程的闭式解Yanlin Qu1,2和Randall R.Rojas数学科学学院中国科技大学经济系加利福尼亚大学洛杉矶分校Angelesquyanlin@mail.ustc.edu.cn, rrojas@econ.ucla.eduAbstractDrawing当速度接近光速时,相对论战胜了经典力学,我们通过考虑相对论版本的期权定价公式,探索对seminalBlack-Scholes(Black and Scholes(1973))期权定价公式的类似改进,然后找到相应的解。我们证明,我们的解决方案比竞争解决方案(如Romero和ZubietaMart'inez(2016))有显著改进,并获得了一个新的封闭式期权定价公式,其中包含信息传递速度限制c作为一个新参数。新公式严格地证明了,当c趋于完整时,它会收敛于Black-Scholes公式。当c为有限时,新公式可以反映标准波动率微笑,这与经验观察结果更加一致。此外,我们的新公式产生了股票价格的另一个分布族,它提供了更好的fit,显示出收敛于对数正态分布,并有助于更好地解释波动率偏斜。关键词:期权定价、波动率微笑、股价分布、克莱因-戈登方程。1、简介根据Romero和Zubieta Mart'nez(2016)所做的工作,我们采用类似的方法进行初始配方。然而,为了清晰起见,我们通过定义α=σ来简化符号σ- r, β =2σσ+r, ν=cσ,其中r是无风险利率,σ是Black-Scholes模型中的波动率,cis是光速。通常,S、K、T分别是Black-Scholes模型中的当前股价、执行价和到期日。
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2022-6-1 16:50:46
此外,m表示质量,是约化普朗克常数。众所周知,Black-Scholes方程ft+rSfS+σSfS=rf(1)可以映射到自由薛定谔方程I~ψt=-~2米ψx(2)乘以▄t=it,~=1,m=σ,x=对数S,ψ=e-(αx+βt)·f.在相对论量子力学中,自由薛定谔方程被KleinGordon方程代替-~c~ψ~t+~~ψx=mc|ψ。(3) 在这个意义上,ψ·eimc/~→ ψ为c→ ∞ (见Schoene和Phillips(1970))。因此,我们应用(1)和(2)之间的逆映射,其中|ψ=e-imc▄t/~·ψ=eνt·ψ=e-(αx+(β-ν) t)·fon(3)得到相对论广义Black-Scholes方程2νft型+1.-βνft+rSfS+σSfS=r-β2νf、 (4)很明显(4)→(1) asν→ ∞. 在那篇文章中,作者试图通过忽略几个重要的术语来近似求解(4)。然而,即使有这样的简化,其解中的积分也无法收敛于普通期权情况。在第2节中,我们找到了(4)的显式解,从而得到了闭式期权定价公式,并提供了c→ ∞. 在第3节中,我们从理论基础和实证检验两方面展示了新公式和相应的分布如何影响波动率微笑/偏差。2、模型2.1。为了说明我们显式求解(4)的技巧,我们只考虑α>0的看涨期权情况。其他情况也可以用类似的方法解决。通过将terminal Condition添加到(3)中并用它替换▄t,我们需要解决~ψt+c~ψx=νИψ,(x,t)∈ R×(0,T)~ψT=e-(αx+(β-ν) T)(ex- K) +。(5) 设Д(x,t)=Дψ(cx,t-t) ,则终端条件成为初始条件,我们可以在上半平面H=R×R+而不是R×(0,t)中求解方程。
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2022-6-1 16:50:50
(5) 现在可以写为(ν=νν,(x,t)∈ HИ=e-(β-ν) T(e(1-α) cx公司- Ke公司-αcx)1cx>对数K(6),其中 是拉普拉斯函数,1是指示函数。由于α<通过定义,因此φ随x呈负增长→ +∞ 所以我们不能对它应用傅里叶变换。此外,atlog KC并不平滑,因此无法获得直观的解决方案。因此,我们的技术的主要观点是将Д分为两部分,一部分是简单的Д,另一部分是可积的Д,其中Д=Д- Д和Д=Д- ^1,两者均可解析。图1说明了我们提议的分解-1.0-0.5 0.5 1.00.51.01.52.02.5φ10φ0φ20图。1、简单部分的分解示例(ν=νν,(x,t)∈ HИ=e-(β-ν) T+(1-α) cx(7)我们可以在几次简单观察后得出一对解,即:Д=e-(β-ν) T+(1-α) cx±√ν-(1-α) 这里我们需要c>c=σ/2+r来保证平方根是实的。现在,我们用ν代替fin(4),f=△ψ(x,0)eαx=Д(x/c,T)eαx=Se(±)√ν-(1-α) c类-(β-ν) )T.如果我们选择“+”,f→ ∞ 作为c→ ∞. 因为f对应于有界的可积部分,所以f=f是不可能的- fto收敛到Black-Scholes公式asc→ ∞. 因此“- ” 是唯一的选择,f=Se(-√ν-(1-α) c类-(β-ν) )T.对于可积部分(ν=νν,(x,t)∈ HИ=e-(β-ν) T(e(1-α) cxcx≤日志K+Ke-αcxcx>log K)(8)注意,0<α<1/2,因此ν的指数衰减为x→ ±∞. 因此,我们可以对x进行傅里叶变换,以获得^φt(ξ,t)=(ν+ξ)Д(ξ,t),(ξ,t)∈ H^Д(ξ)=e-(β-ν) TK(1-α)-iξcc√2π((1 - α) -iξc)(α+iξc))(9),其中我们使用了以下两个简单公式(a>0)\\e-附件>k=√2πZRe-附件>k·e-iωtdt=√2πZ∞ke公司-(a+iω)tdt=e-k(a+iω)√2π(a+iω),\\eatt≤k级=√2πZReatt≤k·e-iωtdt=√2πZk-∞e(a-iω)tdt=ek(a-iω)√2π(a- iω)。(9)的溶液应为^Д=e±√ν+ξ·t^И。
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2022-6-1 16:50:54
为了将Fourier逆变换应用于^И,以获得^,(8),^И的解必须可积于ξ,so“- ” 是唯一的选择Д(x,t)=√2πZR^Д(ξ)·e-√ν+ξ·t+ixξdξ。现在,我们返回到fin(4),y=ξ/cf=|ψ(x,0)eαx=Д(x/c,T)eαx=e-βT2πSαKα-1ZR(S/K)iy·e-(√cy+ν-ν) T(α+iy)(1- α - 最后,我们得到了这种情况下的公式,f=f- f=e-βTSe(ν-√ν-c(1-α) )T+2πSαKα-1ZR(不锈钢)iye-(√cy+ν-ν) T(α+iy)(α+iy- 1) dy!。2.2. 对于α6=0的新公式,我们的技术适用于欧式看涨期权和看跌期权。因此,重复上述步骤后,我们得到cc(r,σ,S,T,K)=e-βTSe(ν-√ν-c(1-α) )T- Ke(ν-√ν-cα)Tα<0+2πSαKα-1ZR(不锈钢)iye-(√cy+ν-ν) T(α+iy)(α+iy- 1) dy!Pc(r,σ,S,T,K)=e-βTKe(ν-√ν-cα)Tα>0+2πSαKα-1ZR(不锈钢)iye-(√cy+ν-ν) T(α+iy)(α+iy- 1) dy!。(10) 然而,当α=0时,我们的技术失败。实际上,如果有适当的计算精度,α=0几乎不可能精确保持。即使它成立,因为我们知道σ的精确值,我们可以在σ上添加一个小扰动来避免这种情况。虽然每个公式中都有一个不合适的积分,但请注意,被积函数具有指数衰减,因此我们可以使用有限区间上的数值积分来高效地近似EIT。此外,我们还有一个新的put调用奇偶校验,Cc(r,σ,S,T,K)- Pc(r,σ,S,T,K)=e-βT(Se(ν-√ν-c(1-α) )T- Ke(ν-√ν-cα)T)。2.3. 聚合自(4)→ (1) 作为c→ ∞, 我们的新公式应该收敛于Black-Scholes公式。然而,在第2.1节中,我们排除了(4)的几个解,因为它们不能收敛到(1)的解。因此,我们的新公式也可能无法收敛。幸运的是,在本节中,我们可以通过提供收敛性的严格数学证明来消除这种可能性。为了明确地说明证明方法,我们只考虑α<0的看跌期权情况。
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2022-6-1 16:50:57
其他情况也可以用类似的方式证明。在开始之前,我们可以方便地回忆一下Black-Scholes公式,C(r,σ,S,T,K)=SN(d)- Ke公司-rTN(d)(11)P(r,σ,S,T,K)=Ke-rTN公司(-d)- 序号(-d) (12)式中,d=对数S/K+(r+σ)Tσ√Td=对数S/K+(r-σ) Tσ√T、 (13)为了在(11)和(12)中的N(·)(正态分布的CDF)和(10)中的不当积分之间建立联系,我们建立了以下有趣的引理。引理2.1。设θ>0 thenN(τ)=i2πZRe-(x+iθ)-iτ(x+iθ)x+iθdx,τ ∈ R、 (14)证明。用f(x,τ)(包括积分前的常数)表示上述被积函数sofτ(x,τ)=2πe-(x+iθ)-iτ(x+iθ)。f和fτ在R中是连续的。此外,RRfτ(x,τ)dx在τ的任何有限区间内一致收敛,因为fτ(x,τ)≤ e-x+θ+τθ。根据Trench(2012)中的定理11,我们τZRf(x,τ)dx=ZRfτ(x,τ)dx=eτθ+θ2πZRe-x个-ix(τ+θ)dx=√2πe-τ,其中,由于从x到τ+θ的傅里叶变换,最后一个等式成立。因此,(14)两边的导数总是相同的,所以我们只需要证明(14)在τ=0时成立。考虑h(z)=i2πe的复积分-Z在下图中的矩形轮廓上(逆时针方向)。图2:。矩形轮廓Γr注意到h在原点有一个单极,根据留数定理,IΓRh(z)dz=2πiRes(h,0)=2πI limz→0zh(z)=-1、自| h(z)|=i2πe-(x+iy)x+iy≤2πe-R+θRfor x=±R和| y |≤ θ、 两个垂直段上的积分消失为R→ ∞. 请注意,两个水平段上的积分是相同的,因为h(z)=-h类(-z) 。让R→ ∞ 最后我们得到了Zrf(x,0)dx=-limR公司→∞IΓRh(z)dz==N(0)。通过引理的证明,我们现在可以证明收敛性了。提案1。设α<0,然后Pc→ P作为c→ ∞.证据
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