Stokastiske prosesser i kontinuerlig tid

Like dokumenter
Modellrisiko i porteføljeforvaltning

FORMELSAMLING TIL STK1100 OG STK1110

STK Oppsummering

FORMELSAMLING TIL STK1100 OG STK1110

ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

Fra første forelesning:

Binomisk sannsynlighetsfunksjon

ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

Utvalgsfordelinger (Kapittel 5)

1.1.1 Rekke med konstante ledd. En rekke med konstante ledd er gitt som. a n (1) n=m

TMA4240 Statistikk H2010

Utfordring. TMA4240 Statistikk H2010. Mette Langaas. Foreleses uke 40, 2010

TMA4240 Statistikk H2010

Forelesning 7: Store talls lov, sentralgrenseteoremet. Jo Thori Lind

Løsningsforslag Eksamen S2, våren 2017 Laget av Tommy O. Sist oppdatert: 25. mai 2017

Løsning på Dårlige egg med bruk av Tabell 2 i Appendix B

Statistisk inferens: 9.14: Sannsynlighetsmaksimeringsestimatoren 8.5: Fordeling til gjennomsnittet 9.4: Konfidensintervall for µ (σ kjent)

UNIVERSITETET I OSLO

ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

Tilfeldige variable (5.2)

Løsningsforslag Eksamen S2, høsten 2017 Laget av Tommy O. Sist oppdatert: 26. november 2017

A) B) 400 C) 120 D) 60 E) 10. Rett svar: C. Fasit: ( 5 6 = 60. Hvis A, B, C er en partisjon av utfallsrommet S, så er P (A B) lik.

Utvalgsfordelinger; utvalg, populasjon, grafiske metoder, X, S 2, t-fordeling, χ 2 -fordeling

Kap 13 Opsjonsprising: Løsninger

La U og V være uavhengige standard normalfordelte variable og definer

Forelesning 13. mars, 2017

Notasjon. Løsninger. Problem. Kapittel 7

STK1100 våren Kontinuerlige stokastiske variabler Forventning og varians Momentgenererende funksjoner

Utvalgsfordelinger. Utvalg er en tilfeldig mekanisme. Sannsynlighetsregning dreier seg om tilfeldige mekanismer.

Forelesningsnotater ECON 2910 VEKST OG UTVIKLING, HØST Litt om endogen vekstteori

Observatorar og utvalsfordeling. Torstein Fjeldstad Institutt for matematiske fag, NTNU

HØGSKOLEN I STAVANGER

TMA4240 Statistikk Høst 2008

Forelesning 5: Kontinuerlige fordelinger, normalfordelingen. Jo Thori Lind

SIF5072 Stokastiske prosesser Side 2 av 7 Gitt at en pasient er symptomfri ved tidspunkt t, hva er sannsynligheten for at han er symptomfri i hele per

Oversikt over kap. 19 i Gravelle og Rees. Sett i forhold til resten av pensum:

ÅMA110 Sannsylighetsregning og statistikk Løsningsforslag til eksamen høst 2010, s. 1. Oppgave 1. Histogram over frekvenser.

Kontinuerlige sannsynlighetsfordelinger.

Observatorer. STK Observatorer - Kap 6. Utgangspunkt. Eksempel høyde Oxford studenter

Econ 2130 Forelesning uke 10 (HG) Geometrisk og normal fordeling

Modifisering av Black & Scholes opsjonsprising ved bruk av NIG-fordelingen

Kapittel 2: Hendelser

ÅMA110 Sannsynlighetsregning med statistikk, våren Kp. 3 Diskrete tilfeldige variable. Diskrete tilfeldige variable, varians (kp. 3.

Sensurveiledning for eksamen i lgu52003 våren 2015

Oppsummering matematikkdel ECON 2200

STK1100 våren Normalfordelingen. Normalfordelingen er den viktigste av alle sannsynlighetsfordelinger

Høgskolen i Telemark. Institutt for økonomi og informatikk FORMELSAMLING Statistikk I. Til bruk ved eksamen. Per Chr. Hagen

TMA4245 Statistikk Eksamen desember 2016

TMA4240 Statistikk Høst 2009

DEL 1 GRUNNLEGGENDE STATISTIKK

Bernoulli forsøksrekke og binomisk fordeling

ÅMA110 Sannsynlighetsregning med statistikk, våren

Løsningsforslag, eksamen statistikk, juni 2015

Oppfriskning av blokk 1 i TMA4240

Tyngdepunkt. Togforsinkelsen (Eksamen Des2003.1a) I denne oppgaven kan du bruke uten å vise det at. Kapittel 4

Econ 2130 uke 16 (HG)

STK1000 Uke 36, Studentene forventes å lese Ch 1.4 ( ) i læreboka (MMC). Tetthetskurver. Eksempel: Drivstofforbruk hos 32 biler

Kapittel 4.3: Tilfeldige/stokastiske variable

Eksponensielle klasser

ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

Et lite notat om og rundt normalfordelingen.

TMA4240 Statistikk Eksamen desember 2015

Kapittel 4.4: Forventning og varians til stokastiske variable

Kapittel 8: Tilfeldige utvalg, databeskrivelse og fordeling til observatorar, Kapittel 9: Estimering

Gammafordelingen og χ 2 -fordelingen

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

TMA4240 Statistikk Høst 2015

onsdag_19_09_2018_poisson_eksponential_normalfordelng_vikartime_bygg_v2.notebook

Fasit for tilleggsoppgaver

Aksjeavkastningsparadoxet

Denne veka. Kap 7: Funksjonar av stokastiske variable Transformasjon av variable Moment Momentgenererande funksjon

Siden vi her har brukt første momentet i fordelingen (EX = EX 1 ) til å konstruere estimatoren kalles denne metoden for momentmetoden.

Regneøvelse 22/5, 2017

Dagens tekst. Kap 7: Funksjonar av stokastiske variable Transformasjon av variable Moment Momentgenererande funksjon

Statistisk inferens (kap. 8) Hovedtyper av statistisk inferens. ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

Funksjoner av stokastiske variable.

Eksamensoppgave i Løsningsskisse TMA4240 Statistikk

Kap. 6, Kontinuerlege Sannsynsfordelingar

Statistisk inferens (kap. 8) Hovedtyper av statistisk inferens. ST0202 Statistikk for samfunnsvitere

STK-MAT Arne Bang Huseby

TMA4245 Statistikk Eksamen august 2014

Et lite notat om og rundt normalfordelingen.

Funksjoner av stokastiske variable.

OPPGAVEHEFTE I STK1000 TIL KAPITTEL 5 OG 6. a b

Foreleses onsdag 8. september 2010

Matematisk statistikk og stokastiske prosesser B, høsten 2006 Løsninger til oppgavesett 5, s. 1. Oppgave 1

Utvalgsfordelinger (Kapittel 5)

Kontinuerlige sannsynlighetsfordelinger.

Diskrete sannsynlighetsfordelinger som histogram. Varians. Histogram og kumulativ sannsynlighet. Forventning (gjennomsnitt) (X=antall mynt i tre kast)

Prosjektoppgaver om diusjonsprosesser og diusjonstilnærmelse

Et lite notat om og rundt normalfordelingen. Anta at vi har kontinuerlige data. Hva er likt og ulikt for histogrammer og fordelingskurver?

Kap. 6, Kontinuerlege Sannsynsfordelingar

Tema 2: Stokastiske variabler og sannsynlighetsfordelinger Kapittel 3 ST :44 (Gunnar Taraldsen)

LØSNINGSFORSLAG ) = Dvs

Eksamensoppgave i TMA4240 Statistikk

Medisinsk statistikk Del I høsten 2009:

Optimal kontrollteori

MAT Grublegruppen Uke 36

ST0202 Statistikk for samfunnsvitere Kapittel 6: Normalfordelingen

Transkript:

Stokastiske prosesser i kontinuerlig tid Kjell Arne Brekke October 29, 2001 1 Brownsk bevegelse Vi starter med å definere en Brownsk bevegelse. Denne prosessen bruker vi så senere til å definere en større klasse av prosesser. Vi starter som i de binomiske modellene vi har studert, på tidspunkt t har prosessen verdi W t (Da vi har brukt B t som betegnelse på en obligasjonsfond, bruker jeg her betegnelsen W t for wienerprosess som betegnelse på denne prosessen. B t for Brownsk Bevegelse.) I hver periode øker eller avtar prosessen, begge deler med lik sannsynlighet. Tidspunkt t svarer til periode n der t = n t, og t er periodelengden. Verdien i perioden etter er da W t + t) Med sannsynlighet 1/2 W t+ t = W t t) Med sannsynlighet 1/2 Det følger nå at W s W t = X n t (n Xn ) t) r s t = 2 n (X n n/2) 1

der n nå er slik at s t = n t, ogx n er antall ganger prosessen har gått opp idisseden. X n er da en stokastisk variabel, X n = P n i=1 Z i. Z i er 0 eller 1 med lik sannsynlighet, og som i det binomiske treet antar vi at tilvekstene er uavhengige, og E(Z i )=1/2, ogvar(z i )=1/4. Ved sentralgrenseteoremet følger det da at X n n/2 n konvergerer mot en normalfordeling N(0, 1/4), og dermed følger det også at W s W t N(0,s t) Da tilvekstene er uavhengige følger det også at om s>t s 0 >t,såer W s W t uavhengig av W s W t 0. 1.1 Brownsk Bevegelse med drift La oss nå se på en prosess Z t gitt som µ t + σ t) Med sannsynlighet 1/2 Z t+ t Z t = µ t σ t) Med sannsynlighet 1/2 Merk at denne prosessen kan skrives som Z t+ t Z t = Z t = µ t + σ W t da + t) Med sannsynlighet 1/2 W t = W t+ t W t = t) Med sannsynlighet 1/2 og når periodelengden går mot null, skriver vi det som dz t = µdt + σdw t. 2

Vi finner nå at Z s Z t = µ(s t)+x n σ t (n X n )σ t) r s t = µ(s t)+2 n σ(x n n/2) som gir, på samme måte som ovenfor at Z s Z t N(µ(s t), σ 2 (s t)) Mer generelt kan en tenke seg at µ og σ ikke er konstant, men gitt som f.eks. dz t = µ(t, Z t )dt + σ(t, Z t )dw t. Å karakterisere en slik prosess er langt fra like enkelt. Tilvekstene i prosessen trenger ikke lenger å være normalfordelt. Men løsningen av slike ligninger faller utenfor rammen av dette kurset. 1.2 Ito s regel Vi kan nå bruke en slik prosess til å definere en ny prosess, Da gjelder det at X t f f t + t Z Z t + 1 2 = f f t + = X t = f(t, Z t ) 2 f Z ( Z t) 2 2 Z (µ t + σ W t)+ 1 2 f 2 Z (µ t + σ W t) 2 2 t + f Z σ W t + R t f t + f Z µ + 1 2 σ2 2 f Z 2 der R er ledd av formen t W og ( t) 2. Begge to leddene vil gå mot null mye raskere enn t, slik at disse leddene kan ignoreres for t liten nok. Vi 3

har også brukt at enten prosessen går opp eller ned, så er ( W ) 2 = t. Når vi lar periodelengden gå mot null så får vi Theorem 1 (Itos formel) Dersom dz t = µdt + σdw t. og X t = f(t, Z t ),sågjelder f dx t = t + f Z µ + 1 2 f 2 σ2 dt + f Z 2 Z σdw t 1.3 Geometrisk Brownsk Bevegelse Vi husker at i Black og Scholes modellen der prisen ble definert ved ligningen s t exp(µ t + σ t) om kursen går opp, sh 1/2 s t+ t = s t exp(µ t σ. t) om kursen går ned, sh 1/2 Vi ser da at om Z t =ln(s t ) så vil Z være gitt ved ligningen dz t = µdt + σdw t. Hva slags ligning gjelder så ligningen for prosessen selv? Merk da at S t = f(z t )=exp(z t ) og vi kan bruke Itos formel. Merk da at f Z = 2 f = S Z 2 t ds t = Sµ + 12 σ2 S t dt + S t σdw t µ = S t µ + 1 2 σ2 dt + σdw t 4

eller ds t S t = µµ + 12 σ2 dt + σdw t = ˆµdt + σdw t. der ˆµ = µ + 1 2 σ2. Denne prosessen kalles en geometrisk browns bevegelse, da den relative tilveksten er som en brownsk bevegelse med drift. Det er interessant å merke seg at sett fra tidspunkt 0, så er ES t = S 0 exp (ˆµt) forventet avkastningsrate er altså ˆµ. Vi husker fra Black og Scholes modellen at prosessen Z t = S t /B t skal være en Q martingal. Det viser seg at prosessen også under det alternative målet blir en geometrisk browns bevegelse med samme risiko, Det følger da direkte at med Q målet må prosessen bli ds t = rs t dt + σs t dw t. Når vi sammenligner med den opprinnelig prosessen ds t = µµ + 12 σ2 S t dt + σs t dw t så ser vi at også her har µ blitt byttet med r 1 2 σ2. 1.4 F t Tilpassede prosesser Vi husker at vi tidligere definerte en prosess som en serie av stokastiske variable. En stokastisk variabel er en avbildning S t : Ω 7 <. 5

FordediskreteprosesseneerΩ typisk mengden av alle mulige baner, og verdien av prosessen på tidspunkt t avhenger av hvilken bane vi følger. Vi måtte videre kreve at prosessen på tidspunkt t bare var avhengig av historien inntil da h t, det vil si at prossessen skulle være tilpasset tilgjengelig informasjon. Dette gjelder akkurat på samme måte i kontinuerlig tids prosesser, men det blir litt mer teknisk. Jeg skal ikke gå inn i alle detaljene, men først skal vi se på en annen måte å formulere det diskrete tilfellet. Vi husker at vi krevde at S t (ω 0 )=S t (ω) dersom h t (ω 0 )=h t (ω) Altså, om vi ser på to baner som ikke har skilt lag på tidspunkt t, såskal prosessen ha samme verdi på tidspunkt t langs begge banene. La nå F t være en famile av delmengder av Ω, med følgende egenskap. For alle mengder av formen A = {ω Ω h t (ω 0 )=h t (ω)}, så er A F t. Videre gjelder at F t ikke har noen ekte delmengder av A, og at om A, B F t,såera B F t. En annen måte å si at prossessen er tilpasset historien er nå at for alle tall a er {ω Ω S t (ω) a} F t. En sier nå at S t er F t målbar. Dette lar seg generalisere til kontinuerlig tid, når vi skal betinge på tilgjengelig informasjon skriver vi da f.eks. E [S τ F t ]. På samme måten som i diskret tid, kan vi, i stedet for å snakke om sannsynligheten for at prosessen går opp eller ned, kan vi angi sannsyn- 6

lighetene direkte over Ω. På samme måten som tidligere kan vi skifte sannsynlighetsfordeling over Ω fra P til Q slik at prosessen Z t = S t /B t blir en margingal, dvs at E Q [Z τ F t ]=Z t for τ >t. Vi har også et margingalrepresentasjonsteorem, som sier at dersom M t og N t er to Q martingaler, så finnes en predikerbar prosess φ t slik at N t = N 0 + Z t 0 φ t dm t og dette kan igjen brukes til å konstruere replikerende porteføjer, akkurat som i det diskrete tilfellet. 2 Realopsjoner Diskusjonen av realopsjoner i diskret tid ble begreset til noen enkle eksempler. La oss nå se litt nærmere på et tilfelle, en utbygging av et oljefelt. Feltet har en produksjon på Q s t. Vi antar at vi kan justere sannsynlighetsmål slik at vi kan glemme riskojustering av avkastnngskravet, og at etter en slik justereing er oljeprisen gitt ved ligningen ds t = S t µdt + σs t dw t. der µ<r. Vi skal komme litt tilbake til denne betingelsen. 7

Verdien av feltet, neddiskontert til tidspunktet der utbygging blir besluttet blir P t = Z t Q s t S s e r(s t) ds Z = S t Q s e (r µ)s ds = S t V 0 der V er en konstant. Det er lett å sjekke fra Itos formel at dette medfører at dp t = P t µdt + σp t dw t. på tidspunkt s dersom investeringsbeslutningen fattes ved tidspunkt t. Dersom nåverdien av investeringskostnadene og andre kostnader blir C, så gjelder det å velge en strategi for utbygging, der vi bygger på et tidspunkt τ, der vi velger den strategi som maksimerer E [(P τ C)e rτ F 0 ]. Vi skal avgrense oss til en bestemt type strategier, nemmelig de som går ut på å vente til første gang verdien når et terskelnivå, p. Dvs τ er første tidspunkt der P τ = p. Uttrykketviskalmaksimereblirda E [(P τ C)e rτ F 0 ] = (p C)E [e rτ F 0 ] = (p C)D(p,P 0 ). Her er D(p,P 0 )=E [e rτ F 0 ] 8

forventet verdi av diskonteringsfaktoren, gitt at vi skal vente til P t når verdien p og at verdien nå er P 0. Det kan vises at D(p,P 0 )= µ γ P0 der γ er roten av ligningen µµ 12 σ2 γ + 1 2 σ2 γ 2 = r. p Merk at det finnes to løsninger av denne andregradslignigen, og vi skal bruke den positive roten dersom P 0 <p, men den negative dersom P 0 >p. I vårt tilfelle ser vi på at vi skal vente på en høy verdi, mens vi investerer straks P t >p. Det interessante tilfellet er derfor når P 0 er mindre enn teskelverdien og vi fortsatt ønsker å vente. Dersom vi setter terskelverdien tol p, blir verdien av investeringsopsjonen da µ γ P0 (p C)D(P 0,p)=(p C). p Vi velger så p for å maksimere denne, det gir 1. ordens betingelse γ(p C)p γ 1 = p γ γ(p C) = p p = γ γ 1 C>C Legg merke til at løsningen blir uavhengig av P 0. 9