Financna matematika 2 1. seminarska naloga
Transcription
Financna matematika 2 1. seminarska naloga
Finančna matematika 2 1. seminarska naloga Mihael Perman in Matija Vidmar Študijsko leto: 2014/2015 V vseh nalogah je dan filtriran verjetnostni prostor (Ω, F, (Ft )t≥0 , P), ki zadošča običajnim pogojem. Z (Wt )t≥0 ali (Bt )t≥0 označimo, razen če ni drugače povedano, standardno Brownovo gibanje glede na filtracijo (Ft )t≥0 . 1 1. Naj bodo X1 , X2 , . . . neodvisne in enako porazdeljene. Naj bo Sn = X1 + X2 + · · · Xn . Predpostavite, da za t ∈ R velja φ(t) = log(MX1 (t)) < ∞. a. Prepričajte se, da je Mn = exp(tSn − nφ(t)) martingal. b. Če je t ≥ 0 in φ(t) ≥ 0, je za vsak opcijski čas P(ST ≥ x, T ≤ n) ≤ e−tx+φ(t)n . Dokažite. c. Predpostavite, da so Xk porazdeljene standardno normalno. Naj bo xn = αf (αn−1 ) za α > 1, kjer je f (α) = (2α log log α)1/2 . Dokažite, da je P( sup Sk ≥ xn ) ≤ ((n − 1) log α) −α . k≤αn d. Dokažite, da je lim sup √ k→∞ Sk ≤1 2k log log k s.g. . 2. Naj bodo S1 , S2 , . . . , Sn delne vsote zaporedja neodvisnih slučajnih spremenljivk s pričakovano vrednostjo 0. Dokažite naslednje trditve: a. E(S1+ ) ≤ E(S2+ ) ≤ · · · ≤ E(Sn+ ). b. P(Sj ≥ −2E(Sn+ )) ≥ 1/2 za vse 1 ≤ j ≤ n. c. Za poljuben a ≥ 0 je P( max Sj ≥ a + 2E(Sn+ )) ≤ 2P(Sn ≥ a) . 1≤j≤n 3. Naj bodo X1 , X2 , . . . , Xn neodvisne enako porazdeljene slučajne spremenljivke z X1 > 0, EX1 = µ in E(X1q ) < ∞ za 1 < q ≤ 2. Dokažite " q−1 # n X 1 X + (n − 1)µ 1 (EX1 )q ≤ E( Xj )q ≤ E X1 . n j=1 n Namig: Pogojni Jensen. 4. Naj bo B standardno Brownovo gibanje in definirajte Z 1 t L(t, ) = 1(Bs ∈ (−, ))ds . 0 Pokažite, da obstaja limita lim L(t, ) ↓0 2 v L smislu. 5. Ornstein-Uhlenbeckov proces (Xt : t ≥ 0) zadošča enačbi dXt = µXt dt + σdBt , kjer je (Bt : t ≥ 0) Brownovo gibanje. 2 a. Poiščite rešitev enačbe. Namig: Pomnožite obe strani enačbe z e−µt , izračunajte d(e−µt Xt ) in primerjajte. b. Izračunajte E(Xt ) in var(Xt ). 6. Naj bo n ∈ N in naj bodo W (1) , . . . , W (n) neodvisna standardna Brownova gibanja, a = (a1 , . . . , an ) ∈ Rn pa dan neničelen vektor. a. Pri katerih pogojih na a je proces (1) W = (a1 Wt (2) + a2 Wt (n) + · · · + an Wt , t ≥ 0) standardno Brownovo gibanje? b. Izračunajte hW, W (i) it , t ≥ 0, i = 1, . . . , n. 7. Proces (Xt : t ≥ 0) naj zadošča enačbi dXt = µ(Xt )dt + σ(Xs )dBs , kjer sta µ in σ Lipshitzevo zvezni funkciji. Naj bo u(x, t) dvakrat zvezno odvedljiva funkcija. Pokažite, da je proces Z t ∂u ∂u σ ∂ 2 u + · (Xs , t)ds Mt = u(Xt , t) − +µ· ∂t 2 ∂x2 ∂x 0 lokalni martingal. Rt 8. Naj bo Xt = 0 Ws2 dWs , t ≥ 0. a. Izrazite proces X s pomočjo procesov Yt = Wt3 , t ≥ 0, in Zt = Rt 0 Ws ds, t ≥ 0. (d) b. Izračunajte cov(Yt , Zt ) ob upoštevanju dejstva, da je Zt = N (0, t3 /3) (za t ≥ 0). c. Izračunajte hY, Zit (za t ≥ 0)? 9. Naj bo Wt + dt, t ≥ 0, Brownovo gibanje s tendenco d ∈ R. Za a > 0 naj bo T = Ta,d čas ustavljanja T = inf{t ≥ 0 : Wt + dt = a}. Laplaceova transformacija T je √ E(e−rT ) = e−a(−d+ d2 +2r) . a. Pokažite, da je E(T ) < ∞, natanko tedaj ko je d > 0. V tem primeru tudi izračunajte E(T ). b. Denimo, da smo izbrali d > 0 glede na izid pozitivne slučajne spremenljivke D > 0, neodvisne od (Wt )t≥0 . Pri kakšnem pogoju na D obstaja E(T ) v tem primeru? c. Izračunajte E(T ) v primeru, ko je D porazdeljena po zakonu Gamma(2, 1) z gostoto xe−x , x > 0. 10. Dan je proces Xt = et/2 cos(Wt ), t ≥ 0. a. Predstavite ga kot Itôv proces in pokaži, da je martingal. Izračunajte E(cos(Wt )) in E(cos2 (Wt )) (za t ≥ 0)? b. Izračunajte E(hXit ) (za t ≥ 0). Rt Rt 11. Naj bo Xt = 0 sWs dWs in Yt = 0 Xs dWs , t ≥ 0. Določite hY it in hX, Y it ; z uporabo Itôve izometrije izračunajte E(Yt2 ) in cov(Xt , Yt ) (za t ≥ 0). Namig: predstavite W = (Wt )t≥0 kot Itôv proces. 3 12. Naj bo T a = inf{t ≥ 0 : Wt = a}, a ∈ R, čas prvega trenutka, ko se W dotakne nivoja a. Naj bo T = inf{t ≥ T 1 : Wt = 0} čas, ko Brownovo gibanje prvič zavzame vrednost nič po tem, ko je zavzelo vrednost ena. Privzamete lahko, da je T čas ustavljanja. a. Izračunajte porazdelitvi T in T − T 1 . Kaj lahko rečeteš o njuni večrazsežni porazdelitvi? b. Izračunajte P(T < T 3 ). 13. Naj bo Xt = exp(Wt ), t ≥ 0. a. Pokažite, da je proces X submartingal in poiščite njegovo Doob-Meyerjevo dekompozicijo. b. Določite njegovo kvadratično variacijo hXit in izračunajte E[hXit ] (t ≥ 0). c. Za 0 ≤ u ≤ s izračunajte E[exp(aWu + bWs )]. d. Z uporabo Itôve formule predstavite hXi2 kot integral glede na proces kvadratične variacije hXi. e. Z uporabo prejšnjih dveh točk izračunajte E[hXi2t ] (t ≥ 0). 14. Naj bo M = (Mt )t≥0 dan zvezen lokalni martingal, M0 = 0 s.g. Dokažite, da sta naslednji trditvi ekvivalentni. a. Za poljuben predvidljiv proces Ht iz dejstva, da za vsak t ≥ 0 obstaja konstanta c(t) da velja sup0≤s≤t |Hs | ≤ c(t), sledi H1(0,t] ∈ L2 (M ) za vsak t ≥ 0. b. Proces M je martingal z končnim drugim momentom. 15. Naj bo M = (Mt )t≥0 zvezen nenegativen martingal, za katerega velja lim Mt = 0 s.g. t→∞ a. Naj bo M0 = a in c ≥ a > 0. Pokažite, da velja a P sup Mt ≥ c = c t≥0 Namig : pomagajte si z izrekom o opcijskem ustavljanju za čas ustavljanja Tc := inf{t ≥ 0 : Mt = c}. b. S pomočjo prejšnje točke pokažite, da velja d E[sup Ms |Ft ] = s≥t Mt , U kjer enakost velja v porazdelitvi in je U slučajna spremenljivka enakomerno porazdeljena na intervalu [0, 1] in neodvisna od Ft . (1) (n) 16. Naj bodo (Wt )t≥0 , . . . , (Wt vsa v točki 0, in naj bo )t≥0 neodvisna Brownova gibanja (in n ≥ 2), ki se ne začnejo Rt = r (1) Wt 2 2 (n) + · · · + Wt a. Pokažite, da ima Rt enako porazdelitev kot rešitev stohastične diferencialne enačbe dXt = dWt + n−1 dt 2Xt pri začetnem pogoju X0 = R0 6= 0. Privzemamo, da rešitev obstaja za t ≥ 0. 4 b. Naj bo za n ≥ 3 f (x) = −x−(n−2) . Pokažite, da je Mt = f (Rt∧T ) lokalni martingal. Sklepajte, da je P(T0 = ∞) = 1 za Ta = inf{t ≥ 0 : Rt = a}. 17. Naj bo T > 0 fiksen čas in H = 1{0≤WT ≤1} S Ht označimo martingal Ht = E [H|Ft ] za 0 ≤ t ≤ T . a. Z uporabo lastnosti Markova za Brownovo gibanje izrazite Ht s pomočjo funkcije napak Z z 2 2 e−u du . erf(z) = √ π 0 b. S pomočjo Itôve formule in izraza iz prejšnje točke izrazite Ht kot stohastični integral po Brownovem gibanju. Z drugimi besedami, poiščite tak proces ft , da velja Z t Ht = c + fs dWs 0 18. Naj bo (t ≥ 0): t Z eWs dWs Mt = t Z 0 s e− 2 dWs in Nt = 0 a. Določite porazdelitev Nt . b. Izračunajte E(Mt2 ). c. Izračunajte cov(Mt , Nt ). 19. Naj bosta W (1) in W (2) neodvisni standardni Brownovi gibanji. Definirajmo 4 2 (1) (1) Mt = Wt − 6 Wt t + 3t2 (2) (1) in Nt = ((Wt )2 − t)((Wt )2 − t), t≥0 Definirajmo še časa (1) T = inf{t ≥ 0 : |Wt | = r} (1) (2) in S = inf{t ≥ 0 : (Wt )2 + (Wt )2 = r2 } za dan radij r > 0. a. Pokažite, da sta M in N martingala. b. S pomočjo martingala M in izreka o ustavljanju izračunajte E(T 2 ). c. S pomočjo martingalov M in N izračunajte var(S). 20. Z uporabo krepke lastnosti Markova za Brownovo gibanje W izračunajte verjetnost P(T−2 > T2 > T−1 > T1 ), kjer je za a ∈ R, Ta = inf{t ≥ 0 : Wt = a}. 5 21. Proces X je določen s stohastično diferencialno enačbo dXt = Xt (1 − Xt )dWt X0 = x ∈ (0, 1). Privzamete lahko, da ima ta enačba enolično krepko zvezno rešitev, ki je omejena na interval Xt ∈ [0, 1] za vse 0 ≤ t < ∞. Za dana a, b > 0, kjer velja 0 < x − a < x + b < 1, definirajmo čas ustavljanja T = Tx−a ∧ Tx+b , kjer je za l ∈ R, Tl = inf{t ≥ 0 : Xt = l}. a. S pomočjo kvadratne variacije procesa X dokažite, da velja E(T ) < ∞. b. Z uporabo izreka o opcijskem ustavljanju določite porazdelitev XT . Pri tem lahko uporabite trditev iz (a) naloge. c. Naj bo h(x) = (2x − 1) log x 1−x . Uporabite Itôvo formulo in s pomočjo prejšnje točke ter izreka o opcijskem ustavljanju izračunajte E(T ). 22. Naj bo t Z Bt = (1 − t) 0 dWs , 1−s t ≥ 0. a. Zapišite semimartingalsko dekompozicijo procesa B. b. Pokažite, da je B Gaussov proces in izračunaj var(Bt ) ter cov(Bs , Bt ) (za 0 ≤ s < t). Ali prepoznaš to kovariančno funkcijo? c. Določite porazdelitev vektorja (Bt , B1−t ) za 0 < t < 1/2. 23. Naj bosta W (1) in W (2) neodvisni standardni Brownovi gibanji in naj bo r Rt = (1) Wt 2 +1 (2) 2 + Wt , t≥0 Pokažite, da je (log Rt )t≥0 lokalni martingal. 24. Procesa X in Y sta definirana kot rešitvi sistema linearnih stohastičnih diferencialnih enačb dXt = −Yt dt + dWt1 dYt = Xt dt + dWt2 X0 = x0 Y0 = y0 , kjer sta W 1 in W 2 neodvisni standardni Brownovi gibanji. a. Za t ≥ 0 izračunajte var(Xt ), var(Yt ) in cov(Xt , Yt ), ob predpostavki, da rešitev (X, Y ) obstaja. b. Eksplicitno izračunajte rešitvi X = (Xt )t≥0 in Y = (Yt )t≥0 . c. Določite porazdelitvi Xt in Yt ter izračunajte cov(Xt , Xs ) (za 0 ≤ s < t). 25. Naj bo 3t t Xt = e3Wt − 2 − 3eWt − 2 Z 0 6 t e2Ws −s ds, t ≥ 0. a. Pokažite, da je X lokalni martingal. Seveda lahko upoštevate, da je Z t e2Ws −s ds, t ≥ 0 A= 0 proces z omejeno totalno variacijo. b. Izračunajte E(At ) (za t ≥ 0). c. Ali je X tudi L2 martingal? 26. Rešite stohastično diferencialno enačbo dXt = cos(t)dWt − tan(t)Xt dt X0 = 0. Izračunajte tudi E(Xt ) in Var(Xt ) (za t ≥ 0). 27. Odgovorite na spodnji vprašanji in odgovora utemeljite. a. Ali obstaja neničelna zvezno odvedljiva funkcija g, da je proces (g(t)Wt2 )t≥0 lokalni martingal? b. Kakšna mora biti funkcija f , da bo obstajal tak g, da je proces (g(t)f (Wt ))t≥0 lokalni martingal? Privzemite, da je f dvakrat zvezno odvedljiva. 28. Najdite ustrezne Ht , da bo veljalo: a. BT3 Z = T Ht dBt . 0 b. T Z Bt3 dt 0 Z = T Ht dBt . 0 Rt 29. Naj bosta B (1) in B (2) Brownovi gibanji, za kateri velja hB (1) , B (2) it = 0 ρ(u)du za zvezno funkcijo ρ z vrednostmi na (−1, 1). Definirajte procesa W (1) in W (2) s predpisoma Z t Z tp (1) (1) (2) (1) Wt = Bt in Bt = ρ(u)dWu + 1 − ρ2 (u)dWu(2) . 0 0 a. Pokažite, da je W (2) Brownovo gibanje. b. Izračunajte hW (1) , W (2) i. c. Dokažite, da sta W (1) in W (2) neodvisna procesa. (µ) 30. Dani naj bosta števili δ in µ. Naj bo Bt = Bt + µt Brownovo gibanje s trendom. Definirajte Z t δ2 (µ) Xt = exp δ Bt − Bs(µ) − (t − s) ds . 2 0 Pokažite, da velja Z Xt = t Z (1 + δµXs ) ds + δ 0 Xs dBs . 0 7 t