Стохастические процессы с непрерывным временем

Рассмотрим переменную, подчиняющуюся марковскому стохастическому процессу. Предположим, что ее текущее значение равно 10, а изменение в течение года описывается функцией 0(0, 1), где а) — нормальное распределение вероятностей с математическим ожиданием // и стандартным отклонением о.
Какое распределение вероятностей описывает изменение этой переменной в течение двух лет?
Изменение переменной через два года описывается суммой двух нормальных распределений с нулевыми математическими ожиданиями и единичными стандартными отклонениями. Поскольку переменная является марковской, эти распределения не зависят друг от друга. Складывая два независимых нормальных распределения, мы получим нормальное распределение, математическое ожидание которого равно сумме математических ожиданий каждого из слагаемых, а дисперсия — сумме их дисперсий. Таким образом, математическое ожидание изменений рассматриваемой переменной на протяжении двух лет равно нулю, а дисперсия — 2,0. Следовательно, изменение значения переменной через два года является случайной величиной с распределением вероятностей ф(0, %/2).
Рассмотрим далее изменение переменной за шесть месяцев. Дисперсия изменений этой переменной в течение одного года равна сумме дисперсий этих изменений на протяжении первых и вторых шести месяцев. Предположим, что эти дисперсии одинаковы. Тогда дисперсия изменений переменной на протяжении шести месяцев равна 0,5, а стандартное отклонение — 1/0,5. Следовательно, распределение вероятностей изменения переменной на протяжении шести месяцев равно ф(0, \ДЩ)
Аналогичные рассуждения позволяют доказать, что изменение переменной на протяжении трех месяцев имеет распределение 0(0, ^/0,25). Вообще говоря, изменение переменной на протяжении временного периода, имеющего длину Т, описывается распределением вероятностей ф(0, \[Т) В частности, изменение переменной за очень короткий промежуток времени, имеющий длину АТ, описывается распределением вероятностей ф(0, л/ДТ).
Квадратные корни в этих выражениях могуг показаться странными. Они возникают изза того, что при анализе марковского процесса дисперсии изменений переменной в последовательные моменты времени складываются, а стандартные отклонения — нет. В нашем примере дисперсия изменений переменной в течение одного года равна 1,0, поэтому дисперсия изменений этой переменной в течение длух лет равна 2,0, а через три года3,0. В то же время стандартные отклоне
ния изменений переменных через два и три года равны \/2 и \/3 соответственно. Строго говоря, мы не должны говорить, что стандартное отклонение изменений переменной за один год равно 1,0 в год. Следует говорить, что оно равно “корню квадратному из единицы в год”. Это объясняет, почему величину неопределенности часто считают пропорциональной квадратному корню из времени.
Винеровские процессы
Процесс, которому подчиняется рассмотренная выше переменная, называется винеровским (Wiener process). Он представляет собой частный случай марковского стохастического процесса, когда математическое ожидание изменений переменной равно нулю, а их дисперсия равна 1,0. Этот процесс широко используется в физике для описания движения частицы, участвующей в большом количестве столкновений с молекулами (это явление называется броуновским движением (Brownian motion)).
Говоря формально, переменная z подчиняется винеровскому процессу, если она имеет следующие свойства.
СВОЙСТВО 1. Изменение Az на протяжении малого промежутка времени At удовлетворяет равенству
Az = ey/At, (12.1)
где е — случайная величина, подчиняющаяся стандартизованному нормальному распределению ф(0,1).
Свойство 2. Величины Az на двух малых промежутках времени At являются независимыми.
Из первого свойства следует, что величина Az имеет нормальное распределение, у которого математическое ожидание равно нулю, стандартное отклонение равно VAt, а дисперсия равна At. Второе свойство означает, что величина 2 подчиняется марковскому процессу.
Рассмотрим увеличение переменной z на протяжении относительно долгого периода времени Т. Это изменение можно обозначить как z(T) — z(0). Его можно представить в виде суммы увеличения переменной г на протяжении N относительно малых промежутков времени, имеющих длину At. Здесь
Следовательно,
z(т)z(o) = J2?^t’ (12.2)
г=1
где ?г,г = 1,2,...,ЛГслучайные величины, имеющие распределение вероятностей ф(0,1). Из второго свойства винеровского процесса следует, что величины?
?; являются независимыми друг от друга. Из выражения (12.2) следует, что случайная величина z(T) — z(0) имеет нормальное распределение, математическое ожидание которого равно нулю, дисперсия равна NAt = Т, а стандартное отклонение — у/Т. Эти выводы согласуются с результатами, указанными выше. Пример 12.1
Предположим, что значение г случайной переменной, подчиняющейся винеровскому процессу, в первоначальный момент времени равно 25, а время измеряется годами. В конце первого года значение переменной имеет нормальное распределение с математическим ожиданием, равным 25, и стандартным отклонением, равным 1,0. В конце пятого года значение переменной имеет нормальное распределение с математическим ожиданием, равным 25, и стандартным отклонением, равным л/5, т.е. 2,236. Неопределенность значения переменной в определенный момент в будущем, измеренная его стандартным отклонением, возрастает как квадратный корень из длины прогнозируемого интервала.
?
В математическом анализе широко используется переход к пределу, когда величина малых изменений стремится к нулю. Например, при At —> 0 величина Ах = aAt превращается в величину dx = adt. При анализе стохастических процессов используются аналогичные обозначения. Например, при At —> 0 описанный выше процесс Az стремится к винеровскому процессу dz.
На рис. 12.1 показано, как изменяется траектория переменной z при At —> 0. Обратите внимание на то, что этот график является “зазубренным”. Это объясняется тем, что изменение переменной z за время At пропорционально величине v^Af, а когда величина At становится малой, число \/Аt намного больше, чем At. Благодаря этому, винеровский процесс обладает двумя интригующими свойствами.
1. Ожидаемая длина траектории, которую проходит переменная z в течение любого промежутка времени, является бесконечной.
2. Ожидаемое количество совпадений переменной z с любым конкретным значением на любом промежутке времени является бесконечным.
Обобщенный винеровский процесс
Скоростью дрейфа (drift rate), или коэффициентом сноса, стохастического процесса называется средняя величина изменения переменной величины за единицу времени, а дисперсией (variance rate), или коэффициентом диффузии — величина колебаний за единицу времени. Скорость дрейфа основного винеровского процесса dz, рассмотренного выше, равна нулю, а дисперсия равна 1,0. Нулевой дрейф означает, что ожидаемое значение переменной z в любой момент времени равно ее текущему значению. Единичная дисперсия процесса означает, что дисперсия изменения переменной z на интервале времени Т равна его длине.
Рис. 12.1. Изменение цены акции в примере
Обобщенный винеровский процесс (generalized Wiener process) для переменной х можно определить через величину dz следующим образом.
dx — adt + bdz, (12.3)
где а и b — константы.
Чтобы понять смысл уравнения (12.3), полезно рассмотреть два слагаемых в правой части по отдельности. Слагаемое a dt означает, что ожидаемая скорость дрейфа переменной х равна о единиц в единицу времени. Без второго члена уравнение (12.3) превращается в уравнение
dx = adt,
откуда следует, что
dx
Интегрируя это уравнение по времени, получаем
х = хо + а?,
где хо — значение переменной х в нулевой момент времени. Таким образом, за период времени Т переменная х увеличивается на величину ей. Член Ь dz можно рассматривать как шум, или изменчивость траектории, которую проходит переменная х. Величина этого шума в Ь раз больше значения винеровского процесса. Стандартное отклонение винеровского процесса равно 1,0. Отсюда следует, что стандартное отклонение величины Ь dz равно Ь. На небольших промежутках времени АЬ изменение Ах переменной х определяется уравнениями (12.1) и (12.3).
Ах = аАЬ + ЪЕУ/АЬ,
где е, как и прежде, — случайная величина, имеющая стандартизованное нормальное распределение. Итак, величина Ах имеет нормальное распределение, математическое ожидание которого равно аАЬ, стандартное отклонение — 6л/Д7, а дисперсия — Ь2Д/. Аналогичными рассуждениями можно показать, что изменение переменной х в течение произвольного интервала времени Т имеет нормальное распределение с математическим ожиданием с.Т, стандартным отклонением Ьу/Т и дисперсией Ь2Т. Таким образом, ожидаемая скорость дрейфа обобщенного винеровского процесса (12.3) (т.е. среднее изменение дрейфа в единицу времени) равна а, а дисперсия (т.е. дисперсия переменной за единицу времени) — Ь2. Этот процесс изображен на рис. 12.2. Проиллюстрируем скачанное следующим примером.
Пример 12.2
Рассмотрим ситуацию, в которой доля активов компании, вложенных в краткосрочные денежные эквиваленты (cash position), измеренные тысячами долларов, подчиняется обобщенному винеровскому процессу со скоростью дрейфа, равной 20 тыс. долл. в год, и дисперсией, равной 900 тыс. долл. в год. В первый момент времени доля активов равна 50 тыс. долл. Через год эта доля активов будет иметь нормальное распределение с математическим ожиданием, равным 70 тыс. долл., и стандартным отклонением, равным л/900, т.е. 30 долл. Через шесть месяцев она будет иметь нормальное распределение с математическим ожиданием, равным 60 тыс. долл., и стандартным отклонением, равным 30\ДЦ> = 21,21 долл. Неопределенность, связанная с долей активов, вложенных в краткосрочные эквиваленты наличности, измеренная с помощью стандартного отклонения увеличивается как корень квадратный из длины прогнозируемого интервала. Обратите внимание на то, что эта доля активов может стать отрицательной (когда компания делает займы). ?
Процесс Ито
Стохастическим процессом Ито (Ito process) называется обобщенный винеровский процесс, б котором параметры а и Ь являются функциями, зависящими от переменной х и времени t. Процесс Ито можно выразить следующей формулой.
dx = а(х, t)dt + b(x, t)d,z,?
И ожидаемая скорость дрейфа, и дисперсия этого процесса со временем изменяются. За небольшой промежуток времени от t до At переменная изменяется от
х до х + Ах, где
Ах = а{х, t) At + Ъ(х, t)e\fAt.
Это отношение содержит небольшую натяжку. Она связана с тем, что мы считаем дрейф и дисперсию переменной х постоянными величинами, которые на интервале времени от t до At равны а(х, t) и b(x, t)2 соответственно.
<< | >>
Источник: Джон К. Халл. Опционы, фьючерсы и другие производные финансовые инструменты. 2007

Еще по теме Стохастические процессы с непрерывным временем:

  1. Элияху М. ГОЛДРAT, Джефф КОКС. ЦЕЛЬ: Процесс непрерывного совершенствования, 2014
  2. Кадровый менеджмент как непрерывный процесс
  3. Проявление закона непрерывности хода производственного процесса
  4. Производственная система с непрерывным процессом переработки
  5. Оптимизация организации производственного процесса во времени. Статическое представление об организации производственного процесса во времени
  6. Управление временем процессов в логистике
  7. Процесс формирования временных вычитаемых разниц при продажеимущества с убытками
  8. Скачок стохастического осциллятора
  9. Медленный стохастический осциллятор
  10. Стохастические линии (Stochastics)
  11. Дивергенции стохастического осциллятора
  12. Когда использовать стохастические осцилляторы
  13. Модели стохастической волатильности