【推导】Feynman-Kac To Black-Scholes-PDE

首先对Feynman-Kac theorem进行基本函数定义,推导并证明基本特性;

其次,展示五个版本的Black-Scholes-PDE推导,前三个采用了Feynman-Kac theorem,但是给的公式都不相同,后两个用的配无风险组合;

Feynman-Kac theorem

Cox-Ross-Robinsten 决定的 u and d

基于B站 Jerry Xu 视频的笔记

衍生品的 Probabilistic model

where $F(·):$ payoff, $u(t,x) :$ value at time t

衍生品的 Partial differential equation

Feynman-Kac theorem 将两者联系起来,只要两者知一,就能知道另一个

基本定义

Kronecker delta(克罗内克函数)

股票价值

$B_t$: m-dimensioned BM [uncorrelated]

Also can be shown as

So we have

Generator

with

With $u(t,\overrightarrow{X}_t)$ and $r(t,\overrightarrow{X}_t)$, prove $M_t$ is a martingale

Proof

Set $F_t=e^{-\int_0^trds}u$

So

$\Rightarrow M_t$ is a Martingale

Similarly

Set $t\leq t’\leq T$ with $X_t^{t,x}=x$

$\Rightarrow \tilde{M}_{t’}$ is also a Martingale

So $\mathbb{E}[\tilde{M}_T]=\mathbb{E}[\tilde{M}_t]=\tilde{M}_t=u(t,x)$

Feynman-Kac 证明

( Feynman-Kac Formula ) Let $X_t$ is an Ito diffusion given by

with generator A and initial condition $X_t^{t,x}=x$

Let $u(t,\overrightarrow{X}_t)$, $t\in\mathbb{R}^+$, $\overrightarrow{X}_t\in\mathbb{R}^{d\times 1}$ satisfy

with final condition $u(T,x)=f(x)$

Then

Proof:

we have

Under condition (1)

and final condition

总结:凡是满足以上的所有条件的,都能写成期望公式(2)的格式,因此两种形式可以互通

Black-Scholes-PDE推导

1. 三个采用Feynman-Kac theorem的推导

【第一版-B站版】

根据B站杨维强老师的讲解,将Feynman-Kac theorem比作了一个连接SDE与PDE的桥梁

Recall:

Feynman-Kac theorem 使用概率方法去解出PDE:

其中:

有些资料会以另一个方式写(相当于做一个时间变换):

由原有方程:

当设 $\mu(x)=rx,\sigma(x)=\sigma x,\lambda(x)=r$ , 得到PDE:

【第二版-格拉版】

区别的地方是采用BM构建Process:

其中的式子由:

By the Feynman-Kac theorem with $\mu(x)=0,\sigma(x)=1$:

为了求解,得以下三个式子:

依照之前的$f(t,x)$公式

代入前一个式子并换位

代入最开始的式子

【第三版-参考书】

By the Feynman-Kac theorem with time in [0,T]:

对g求导:

代入:

2. 对冲版推导

【第一版-Delta 对冲】

做一个Delta对冲的投资组合:

Ito formula:

It should be equal to the same return as if we invested in riskless interest-bearing account:

because of no arbitrage:

so that:

【第二版-Ito 公式】

建立一个期权的复制组合

  • $\Delta(t)$:持有股票数

  • $X(t)$:portfolio 价值

  • 股票价值增量:$dS(t)=\alpha S(t)dt+\sigma S(t)dW(t)$

  • portfolio 价值增量:超额收益+无风险收益+风险

股票价值的折现过程

组合价值的折现过程

  • $C(t,x)$:Option price

当复制成立时

先准备

代入

与组合价值的折现过程对比

得出

【附加资料】

Black-Scholes equation is written in the form :

where:

Asset with on dividend $b = r$
Asset with dividend $D$ $b = r - D$
Foreign currency with return $r_f$ $b = r - r_f$
Commodity with storage cost $q$ $b = r + q$
Futures $b = 0$

Reference

  1. 金融数学课程

  2. 孙健 《金融衍生品定价模型—数理金融引论 》中国经济出版社


【推导】Feynman-Kac To Black-Scholes-PDE
http://achlier.github.io/2021/03/14/Feynman-Kac_To_Black-Scholes-PDE/
Author
Hailey
Posted on
March 14, 2021
Licensed under