Rubriky
Finanční modelování a řízení rizik

Odvození Black-Scholesovy rovnice: neobchodovatelný instrument

Obecnější přístup oproti tomuto pro případ, že podklad není obchodovatelné aktivum (například počasí, úroková míra) a obchodují se pouze jeho deriváty.

Podklad sleduje proces (geometrický brownův pohyb):

$$ d\omega = m \omega_t dt + s \omega_t dW_t $$

Mějme dva deriváty tohoto podkladu: $f_1(t,\omega)$, $f_2(t,\omega)$. Jejich pohyb je tedy řízen stejným zdrojem nejistoty (důležité!).

Podle Itoovy formule opět platí, že:

$$ df_1 = \left( \frac{\partial f_1}{\partial t} + \frac{\partial f_1}{\partial \omega} m\omega + \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f_1}{\partial \omega^2} s^2 \omega^2 \right) dt + \frac{\partial f_1}{\partial \omega} s \omega dW_t $$

$$ df_2 = \left( \frac{\partial f_2}{\partial t} + \frac{\partial f_2}{\partial \omega} m\omega + \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f_2}{\partial \omega^2} s^2 \omega^2 \right) dt + \frac{\partial f_2}{\partial \omega} s \omega dW_t $$

Z důvodu zkrácení zápisu si zaveďme tyto zkratky:

$$\mu_1f_1 = \mu_1(t,\omega)f_1 = \left( \frac{\partial f_1}{\partial t} + \frac{\partial f_1}{\partial \omega} m\omega + \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f_1}{\partial \omega^2} s^2 \omega^2 \right)$$
$$\sigma_1f_1 = \sigma_1(t,\omega) f_2 = \frac{\partial f_1}{\partial \omega} s \omega$$
$$\mu_2f_2 = \mu_2(t,\omega)f_2 = \left( \frac{\partial f_2}{\partial t} + \frac{\partial f_2}{\partial \omega} m\omega + \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f_2}{\partial \omega^2} s^2 \omega^2 \right)$$
$$\sigma_2f_2 = \sigma_2(t,\omega) f_2 = \frac{\partial f_2}{\partial \omega} s \omega$$

čímž dostaneme diferenciální rovnice ve formě geometrického Brownova pohybu:

$$\begin{equation}df_1 = \mu_1f_1dt + \sigma_1f_1dW_t\label{df1}\end{equation}$$

$$\begin{equation}df_2 = \mu_2f_2dt + \sigma_2f_2dW_t\label{df2}\end{equation}$$

dW v obou procesech představuje stejný Wienerův proces (stejný zdroj nejistoty). Opět tedy můžeme sestavit portfolio tak, aby se nám náhodné členy vyrušily. Hledáme množství $N_1$, $N_2$ derivátů v portfoliu tak, aby platilo:

$$N_1 \sigma_1 f_1 dW_t + N_2 \sigma_2 f_2 dW_t = 0$$

$$N_1 \sigma_1 f_1 = -N_2 \sigma_2 f_2$$

Tato podmínka bude splněna, když položíme $N_1 = \sigma_2 f_2$ a $N_2 = -\sigma_1 f_1$.

Sestavíme tedy portfolio:

$$\begin{equation} \pi = (\sigma_2 f_2) f_1 – (\sigma_1f_1)f_2 \label{pi}\end{equation}$$

a tedy:

$$ d\pi = (\sigma_2 f_2) df_1 – (\sigma_1f_1) df_2$$

Dosadíme z $\ref{df1}$ a $\ref{df2}$ a máme:

$$ d\pi = \sigma_2 f_2 \mu_1f_1dt + \sigma_1f_1\sigma_2 f_2dW_t – \sigma_1f_1 \mu_2f_2dt – \sigma_1f_1\sigma_2f_2dW_t$$

Vidíme, že náhodné členy se opravdu vyruší a zůstává nám:

$$ d\pi = ( \mu_1\sigma_2 f_1f_2 – \mu_2\sigma_1f_1f_2 ) dt$$

Sestrojili jsme tedy bezrizikové portfolio a podle no-arbitrage argumentu musí být jeho výnos na úrovni bezrizikové míry. Platí:

$$ d\pi = r \pi dt$$

Dejme tyto dva vztahy dohromady a za $\pi$ dosaďme z $\ref{pi}$ a máme:

$$ \mu_1\sigma_2 f_1f_2 – \mu_2\sigma_1f_1f_2 = r \sigma_2 f_1 f_2 – r \sigma_1f_1f_2$$

Výraz se dá vydělit $f_1f_2$:

$$ \mu_1\sigma_2 – mu_2\sigma_1 = r \sigma_2 – r \sigma_1$$

$$\sigma_2 ( \mu_1 – r ) = \sigma_1( \mu_2 – r )$$

$$\frac{\mu_1 – r}{\sigma_1} = \frac{\mu_2 – r}{\sigma_2} = \lambda$$

Hodnotu $\lambda$ označujeme jako tržní cenu rizika a je funkcí času $t$ a podkladového procesu $\omega$. Z rovnice však vyplývá, že pro libovolný derivát tohoto procesu bude tržní cena rizika stejná:

$$\begin{equation}\lambda = \frac{\mu – r}{\sigma}\label{lambda}\end{equation}$$

Jakýkoli derivát závisející na podkladovém procesu $\omega$ tedy můžeme popsat stochastickou diferenciální rovnicí podle $\ref{df1}$, resp. $\ref{df2}$. Obecně:

$$df = \mu f dt + \sigma f dW_t$$

$$\begin{equation} \mu f = \left( \frac{\partial f}{\partial t} + \frac{\partial f}{\partial \omega} m\omega + \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f}{\partial \omega^2} s^2 \omega^2 \right)\label{muf}\end{equation}$$

$$ \begin{equation} \sigma f = \frac{\partial f}{\partial \omega} s \omega \label{sigmaf}\end{equation}$$

Teď stačí vzorec pro tržní riziko $\ref{lambda}$ vynásobit f a převést vše na jednu stranu:

$$ \mu f – rf – \lambda \sigma f = 0$$

Dosazením $\ref{muf}$ a $\ref{sigmaf}$ pak dostaneme hledanou rovnici:

$$ ( m – \lambda s ) \frac{\partial f}{\partial \omega} \omega + \frac{\partial f}{\partial t} + \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f}{\partial \omega^2} s^2 \omega – r f = 0$$

Našli jste v obsahu, co jste hledali?
Pokud NE, napište mi prosím do komentářů, pokusím se to napravit.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *