【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
孙健 《金融衍生品定价模型—数理金融引论 》中国经济出版社