这些公式都是利用Absence of Arbitrage(AoA)和Replication的思想推导的。
首先要弄懂什么是arbitrage, 一个简单的定义包含以下三点:
(1). x0= 0, 也就是self-financing, 或者说是空手套白狼~ 初始时刻t=0,买入资产的资金需要靠卖空资产来finance
(2). P(xt >=0)= 1, 也就是必定不会亏钱
(3). P(xt > 0 ) > 0, 在某时刻一定会赚钱
定理1:两个在各时期payoff相同的资产一定有价格相同,否则就会产生套利机会。
证明:
反证法-假设有A、B两资产,他们在0时刻价值为Va, Vb, 在t时刻拥有相同的价值Vt,不失一般性,假设Va<Vb。考虑如下一个self-financing strategy:买入1单位的资产A, 该资金通过卖空Va/Vb单位的资产B来获得,即满足arbitrage的条件(1)X0 = Va - (Va/Vb)*Vb = 0。在t时刻,1单位资产A的价值为Vt, (-Va/Vb)单位的资产B的价值为(-Va/Vb)*Vt, 整个portfolio的价值为(1-Va/Vb)*Vt>0, 满足arbitrage的(2)、(3)定义。
因此一个有效的金融市场应该是不存在套利机会的(AoA), 下面我们来看看这个公式
f=S(0)*e^(-qt) - K*e^(-rt)
一个远期合约可以让你在t时刻以一个固定的价格K买入一股股票,即获得S(t)-K的现金流or价值。假设这个合约的价值在0时刻为f。
我们可以利用AoA的思想用简单的工具来复制这个forward contract:
1. 为了能在0时刻有S(t)的价值,我们需要在0时刻以S(0)的价格买入(long)x份股票。x份股票经过dividend rate q的continuous compounding会变为t时刻1股价值为S(t)的股票,所以x*exp(qt)=1, x=exp(-qt)。换句话说,正是因为有dividend yield我们才可以在0时刻买入少于一股(x<1)的股票使其在t时刻具有一股股票的价值S(t)。因此,这个position在0时刻价值为x*S(0)=S(0)*exp(-qt)
2. 在0时刻以无风险利率r借入(short) 价值为y的资金,在t时刻支付K,即y*exp(rt)=K, 0时刻对应的价值为-y= -K*exp(-rt)
根据1、2,一个在t时刻价值为S(t)-K的资产在0时刻的价值为S(0)*e^(-qt)-K*exp(-rt),而一个forward contract在t时刻的价值也为S(t)-K,再根据定理1,我们可以确定二者在0时刻的价格也相同,否则违反AoA。由此,我们得到f=S(0)*e^(-qt)-K*exp(-rt)。
整个分析看起来复杂繁琐,其实用简单的直觉也可以理解。在遇到复杂问题的时候这个分析框架才显得比较有价值。