布朗运动 · Itô公式 · GBM · Girsanov · BSM · 利率模型
| 主题 | 核心概念 | Quant重要度 |
|---|---|---|
| 布朗运动 | 定义、路径性质、二次变差、反射原理 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| Itô 积分 | 构造、等距公式、鞅性质 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| Itô 公式 | 链式法则、二次变差修正项 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| GBM | SDE解析解、对数漂移修正、分布 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| Girsanov 定理 | 测度变换、风险中性测度 | ⭐⭐⭐⭐ |
| Black-Scholes | PDE推导、公式、Greeks | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| 利率模型 | Vasicek、CIR、Hull-White、Heston | ⭐⭐⭐⭐ |
联合密度:\(f(m,w) = \dfrac{2(2m-w)}{t\sqrt{2\pi t}}e^{-(2m-w)^2/(2t)}\),\(m>0,\ w\leq m\)
关键:使用左端点(预测性,不用未来信息)→ 积分是鞅
应用:计算随机积分的方差,以及验证平方可积性。
为什么多出 \(\frac{1}{2}\sigma^2 f''\) 这一项?
经典 Taylor 展开 \(df = f'dx + \frac{1}{2}f''(dx)^2 + \ldots\),普通微积分里 \((dx)^2 \approx 0\) 被忽略。但布朗运动的 \((dW_t)^2 = dt\) 是 \(O(dt)\) 级别,不能忽略!这就是随机微积分与普通微积分最根本的区别。
记忆口诀:Itô公式 = 普通链式法则 + 曲率修正项 \(\frac{1}{2}\sigma^2 f''\,dt\)。
Black-Scholes 世界中资产价格的标准假设。
为什么是 \(\mu - \sigma^2/2\) 而不是 \(\mu\)?
想象两条路径:一条涨 +10%,一条跌 -10%。平均价格变化为 0%,但几何平均(复利)变化 = \(\sqrt{1.1\times0.9} - 1 = \sqrt{0.99}-1 \approx -0.5\%\)。波动率制造了"复利的阻力",正是 \(\sigma^2/2\) 项。
金融含义:通过 Girsanov 将真实测度 \(\mathbb{P}\) 转换为风险中性测度 \(\mathbb{Q}\),市场价格漂移 \(\mu\) 变为无风险利率 \(r\)。
直觉:Girsanov 定理就是换一个"坐标系"——在新测度下,漂移消失了(被吸收进布朗运动的漂移中)。金融中这就是为什么所有资产在风险中性测度下都以无风险利率增长:我们不是假装所有人都风险中性,而是数学上选了一个使定价便利的测度。
| 模型 | SDE | 特点 |
|---|---|---|
| Vasicek | \(dr_t = \kappa(\theta-r_t)dt + \sigma\,dW_t\) | 均值回归,利率可为负,有解析解 |
| CIR | \(dr_t = \kappa(\theta-r_t)dt + \sigma\sqrt{r_t}\,dW_t\) | 利率非负(Feller 条件 \(2\kappa\theta > \sigma^2\)) |
| Hull-White | \(dr_t = (\theta(t)-\kappa r_t)dt + \sigma\,dW_t\) | 时变漂移,精确拟合初始收益率曲线 |
| Heston | \(dv_t = \kappa(\bar{v}-v_t)dt + \xi\sqrt{v_t}\,d\tilde{W}_t\),\(\rho(W,\tilde{W})\) | 随机波动率,刻画波动率微笑/偏斜 |
| 鞅 \(M_t\) | 验证方法 | 金融/应用含义 |
|---|---|---|
| \(W_t\) | 增量独立,均值为 0 | 无漂移随机游走 |
| \(W_t^2 - t\) | Itô公式 or 条件期望 | 二次变差的补偿 |
| \(e^{\sigma W_t - \sigma^2 t/2}\) | MGF of BM,Novikov条件 | Girsanov Radon-Nikodym 导数 |
| \(W_t^3 - 3tW_t\) | Itô公式:纯 \(dW\) 项 | Hermite 多项式 \(H_3\) |
| \(e^{-rt}S_t\)(BSM下) | \(\mathbb{Q}\) 下折现股价 | 无套利定价基础 |
| 操作 | 经典微积分 | 随机微积分 |
|---|---|---|
| 链式法则 \(df\) | \(f'\,dx\) | \(f'\,dX + \frac{1}{2}f''\,d[X]\)(Itô修正) |
| 乘积法则 | \(d(XY) = X\,dY + Y\,dX\) | \(d(XY) = X\,dY + Y\,dX + d[X,Y]\) |
| \((dx)^2\) | \(0\)(可忽略) | \((dW)^2 = dt\)(不可忽略!) |
| 考点 | 标准结论 |
|---|---|
| \(W_t\) 是鞅 | \(\mathbb{E}[W_t|\mathcal{F}_s]=W_s\),增量独立且均值0 |
| \(W_t^2 - t\) 是鞅 | Itô公式或直接计算条件期望 |
| \(e^{\sigma W_t - \sigma^2 t/2}\) 是鞅 | Doléans-Dade指数,Girsanov变换的核心 |
| GBM 解析解 | \(S_t=S_0\exp[(\mu-\sigma^2/2)t+\sigma W_t]\) |
| Itô 等距关键应用 | 计算随机积分的方差 |
| BSM 的 Markov 性 | 期权价格 \(V(t,S_t)\) 仅依赖当前股价 |
| 风险中性定价 | \(V_0 = e^{-rT}\mathbb{E}^\mathbb{Q}[V_T]\) |
| \(\int_0^T W_t\,dW_t\) 的值 | \(\frac{1}{2}(W_T^2 - T)\)(对 \(f(x)=x^2/2\) 用Itô) |