Black-Scholes PDE的风险中性推导

假设一个代表股价的随机过程S_t,假设其服从如下的随机微分方程(其中,W_t是标准布朗运动):

dS_t = rS_tdt + /sigma S_t dW_t

我们希望创建一个风险中性的投资组合;投资组合持有单个期权做空 /Delta 份股票。投资组合随时间变化的价值/Pi_t服从以下定义:

/Pi_t = V_t - /Delta S_t

利用伊藤引理(Itô Lemma),我们希望得到 /Pi_t 过程的微分方程形式:

/begin{aligned} d/Pi_t = d(V_t-/Delta S_t) &= /overset{/text{$V_t$ 部分}}{/left[ /frac{ /partial V_t }{ /partial t } dt + /frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } dS_t + /frac{1}{2}/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } dS_t^2 /right]} - /overset{/text{$/Delta S_t$ 部分}}{/left[ /frac{ /partial (/Delta S_t) }{ /partial t }dt + /frac{ /partial /left( /Delta S_t /right) }{ /partial S_t }dS_t + /frac{1}{2}/frac{ /partial^2 /left( /Delta S_t /right) }{ /partial S^t }dS_t^2 /right]} // // &= /left[ /frac{ /partial V_t }{ /partial t } dt + /frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } dS_t + /frac{1}{2}/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } dS_t^2 /right] - /left[ 0 + /Delta dS_t + 0 /right] // // &= /frac{ /partial V_t }{ /partial t } dt + /left( /frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } -/Delta /right) dS_t + /frac{1}{2}/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } dS_t^2 // // &= /frac{ /partial V_t }{ /partial t } dt + /left( /frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } -/Delta /right) dS_t + /frac{1}{2}/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } /sigma^2S_t^2dt // // &= /left( /frac{ /partial V_t }{ /partial t } + /frac{1}{2}/sigma^2S_t^2/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } /right) dt + /left( /frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } -/Delta /right) dS_t /end{aligned}

为了让/Pi_t风险中性,我们希望 d/Pi_t 是解析的,也就是不包含任何扩散项。此时方程中的唯一扩散项为/left( /frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } -/Delta /right) dS_t,则很明显我们可以通过设置/Delta=/frac{ /partial V_t }{ /partial S_t }来将扩散项归零(Delta对冲):

/begin{aligned} d/Pi_t &= /left( /frac{ /partial V_t }{ /partial t } + /frac{1}{2}/sigma^2S_t^2/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } /right) dt /end{aligned}/tag{1.1}

注意,根据无套利假设,如果此时投资组合无风险,那么我们期望其价值始终等于存入相同价值的现金并按连续复利利率收取利息,即我们希望::

/begin{aligned} d/Pi_t &= r/Pi_tdt &/implies /Pi_t=e^{rt}/Pi_0/text{ 存入初始金额$/Pi_0$并复利}& // // &= r/left( V_t-/Delta S_t /right) dt // // &= r/left( V_t-/frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } S_t /right) dt /end{aligned}/tag{1.2}

联立(1.1)(1.2),则有:

/begin{aligned} /left( /frac{ /partial V_t }{ /partial t } + /frac{1}{2}/sigma^2S_t^2/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } /right) dt &= r/left( V_t-/frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } S_t /right) dt // // /frac{ /partial V_t }{ /partial t } + /frac{1}{2}/sigma^2S_t^2/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } &= rV_t-rS_t/frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } // // /frac{ /partial V_t }{ /partial t } + /frac{1}{2}/sigma^2S_t^2/frac{ /partial^2 V_t }{ /partial S_t^2 } + rS_t/frac{ /partial V_t }{ /partial S_t } - rV_t &= 0&/hfill/square /end{aligned}

即得到了Black-Scholes PDE。

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作者:congcong
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来源:TechFM
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