金融数学的理论和应用II.ppt
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1、1,金融数学的理论和应用证券投资与风险管理,浙江大学数学系,李 胜 宏,21世纪数学技术和计算机技术一样成为任何一门科学发展过程中的必备工具。1995年3月6日,美国花旗银行副总裁柯林斯(Collins)在英国剑桥大学牛顿数学科学研究所的讲演中叙述到:“在18世纪初,和牛顿同时代的著名数学家伯努利曾宣称:从事物理学研究而不懂数学的人实际上处理的是意义不大的东西。那时候,这样的说法对物理学而言是正确的,但对于银行业而言不一定对。在18世纪,你可以没有任何数学训练而很好地运作银行。,过去对物理学而言是正确的说法现在对于银行业也正确了。于是现在可以 这样说:从事银行业工作而不懂数学的人实际上处理的是
2、意义不大的东西。”他还指出:花旗银行70%的业务依赖于数学,他还特别强调,如果没有数学发展起来的工具和技术,许多事情我们是一点办法也没有的没有数学我们不可能生存。”,这里银行家用他的经验描述了数学的重要性。在冷战结束后,美国原先在军事系统工作的数以千计的科学家进入了华尔街,大规模的基金管理公司纷纷开始雇佣数学博士或物理学博士。这是一个重要信号:金融市场不是战场,却远胜于战场。但是市场和战场都离不开复杂艰深,迅速的计算工作。,自从1952年马柯维茨(Markowitz)提出了用随机变量的特征变量来描述金融资产的收益性,不确定性和流动性以来,已经很难分清世界一流的金融杂志是在分析金融市场还是在撰写
3、一篇数学论文。再回到Collins的讲话,在金融证券化的趋势中,无论是我们采用统计学的 方法分析历史数据,寻找价格波动规律,还是用数学分析的方法去复制金融产品,谁最 先发现了内在规律,谁就能在瞬息万变的金融市场中获取高额利润。尽管由于森严的进 入堡垒,数学进入金融领域受到了一定的排斥和漠视,然而为了追求利润,未知的恐惧 显得不堪一击。,金融市场存在巨大的利润和高风险,需要计算机技术帮助分析,然而计算机不可能大概,左右等描述性语言,它本质上只能识别由0和1构成的空间,金融数学在这个过程中正好扮演了一个中介角色,它可以用精确语言描述随机波动的市场。比如,通过收益率状态矩阵在无套利的情形下找到了无风
4、险贴现因子。因此,金融数学能帮助IT产业向金融产业延伸,并获取自己的利润空间.我们可以想象有这样一个充满美好前景的产业链:金融市场-金融数学-计算机技术。,金融数学(Financial Mathematics),又称 数理金融学、数学金融学、分析金融学,是利用数学工具研究金融资产及其衍生资产定价、复杂投资技术与公司金融政策的一门学科。通过进行数学建模、理论分析、数值计算等定量分析,以求找到金融运动内在规并用以指导实践。金融学(或金融经济学)本质上是研究非确定 环境下经济资源在地域上和跨时间的有效配置,,7,金融数学简介,其主要对象是金融市场上的投资和交易。金融数学通过建立金融市场如何运作的数学
5、模型,利用数学工具(如概率论、数理统计、偏微分方程和随机控制)研究风险资产(包括衍生金融产品和金融工具)的定价和套期保值、风险管理和最优消费投资组合策略的选择。近二十多年来,金融数学在金融学的发展中起了决定性作用。可以说,金融数学是现代金融学的核心。金融数学不仅对金融工具的不断创新和对金融市场的有效运作产生直接的影响,而且对公司的投资决策和对研究开发项目的评估(如实物期权)以及在金融机构的风险管理中得到广泛应用。,金融数学的历史可以追溯到1900 年法国数学家巴歇里埃(Bachelier,L.)的博士论文“投机的理论”,在文中他首次用布朗运动来描述股票价格的变化和研究期权定价,尽管当时有关布朗
6、运动的严格数学理论还未建立。遗憾的是,直到1965年该论文才由著名经济学家萨缪尔逊(Samuelson,P.)推荐给金融学界知晓,金融数学也可以说是华尔街两次革命的产物,是现代数学与计算技术在金融领域的应用,因此,金融数学是一门新兴的交叉学科,发展很快,是目前十分活跃的前沿学科之一。金融数学是一门新兴学科,是“金融高技术”的重要 组成部分。研究金融数学尤其在我国有着重要的意义。金融数学总的研究目标是利用我国数学界某些方面的优势,围绕金融市场的均衡与有价证券定价的数学理论进行深入剖析,,10,金融数学-简介,建立适合我国国情的数学模型,编写一定的计算机软件,对理论研究结果进行仿真计算,对实际数据
7、进行计量经济分析研究,为实际金融部门提供较深入的技术分析咨询。(1).投资组合的选择方面的重要成就,1)1952年马柯维茨(markowtz,H.M.)的博士论文“投资组合的选择”是现代金融学的第一个突破。他在该文中提出了用于投资分析的均值方差分析方法。他认为,投资者的目标应是收益的期望效用最大化,而不单单是期望收益最大化。他用收益率的方差作为风险的度量,先从各证券收益率的联合统计特性用二次规划确定可供投资者选择的有效投资组合边界,然后根据投资者的效用函数(对收益和风险的权衡)确定最优投资组合。,这是一单期投资组合问题,后来许多学者进一步研究了更为实际的跨期投资组合问题,这样可以动态地考虑最优
8、消费和投资。2)公司财务理论 1958年莫迪里亚尼(Modigliani,F.)和米勒(Miller,M.H.)首次从金融市场均衡理论出发研究了公司财务决策。他们在假定金融市场处于均衡状态和公司不赋税及无破产成本的前提下,证明了公司的市场价值与公司的资本结构(即债权和股权之比)无关(这一结果在文献上被称为MM定理)。这是公司财务领域的一个理论突破。,他们是从“套利推理”得出这一与常人直觉大相径庭的结论的:即假设定理不成立,则可在金融市场中构造套利投资策略。套利推理对日后的金融数学的发展(如套利定价思想和期权定价的鞅方法)产生了重要影响。,3)60年代中期,在马柯维茨的均值方差分析基础上,夏普(
9、Sharpe W.F.)、林特纳(Lintner J.)和毛新(MOssin J.)研究了在竞争均衡市场中金融资产的价格形成。他们假定投资者都是风险厌恶者,对证券的收益率的统计特性有相同的预测,并采用各自的均值方差效用函数确定各自的最优投资组合。在这一理想假定下,他们证明了在均衡市场中,市场投资组合(即按每种证券的市值与市场中证券总市值之比确定权重的投资组合)是有效投资组合,并且每种资产的期望超额收益率(即期望收益率和无风险利率之差,亦称风险溢价)与市场投资组合的期望超额收益率之比等于该资产的收益率与市场投资组合收益率之间的协方差与市场投资组合收益率方差的平方之比(即所谓的资产的值)。这就是著
10、名的资本资产定价模型(CAPM)。资产的系数是资产的相对系统风险的一个度量。CAPM在证券估价、投资组合绩效的测定、资本预算及投资风险分析中得到广泛应用。,世纪年代初,马科维茨(H.Markowitz)提出的投资组合理论是金融定量分析的开始,可以看成是金融数学的开端。在这之前的金融学通常以定性研究为主,很少有精致的定量分析。年诺贝尔经济学奖授予马科维茨、夏普(W.Sharpe)和米勒(M.Miller),奖励他们在金融经济学中的先驱工作。这些工作包括:马科维茨的投资组合理论、夏普的资本资产定价理论和米勒的公司财务理论。这些理论都是非常数学化的。,4)有效市场假设 一个健全的金融市场应该具备如下
11、特征:与市场交易有关的信息能很快获得;市场流动性好(容易随时买卖金融产品);交易成本低。这样的市场称为有效的。1970年法玛(Fama E.)提出一个理想化的“有效市场假设(EMH)”:当前的市场价格充分反映所有的市场信息。他依据信息是单指历史价格的信息,还是包含所有公开的市场信息,以及进一步所有私人信息,将EMH分为三类:弱、中强、强有效市场假设。粗略地说,有效市场假设是指:市场能如此有效地“消化”新的信息,以致当前的市场价格包含关于市场演化的全部信息。这意味价格过程是马氏过程。1976年法玛又提出从鞅的概念来表述有效市场假设:股票价格经无风险利率折现是一个鞅。,这一表述基本上等价于市场无套
12、利的,且客观概率是风险中性的。5)套利定价理论 CAPM是一个均衡定价模型,它假定了投资者都是风险厌恶者,对证券的收益率和方差有相同的预期,并且隐含地假定了影响证券收益率的只是单个市场风险因子,这显然不太切合实际。在只对市场作无套利机会这一合理假定下,1976年罗斯(Ross S.A.)提出了决定风险资产价格的套利定价理论(APT),它是关于风险资产收益率的多因子模型,它提供了度量股票价格如何随众多的经济因素的改变而变化的方法,而模型中的经济因素则由经验来确定。,6)期权定价理论 期权(option)是一种合约,它的持有者有权利(但无义务)在一指定日期或一期间内以预先约定的价格购买或出售指定数
13、量的标的资产。前者称为买权(call option),后者称为卖权(put option)。1973年,布莱克(Black F.)和索尔斯(Scholes M.)在“期权定价和公司负债”一文中利用套利推理和随机分析中的伊藤(It,K)公式证明了股票期权价格过程可表成股票价格和时间t的函数F(t,S,t),其中F满足一偏微分方程,并由此导出了一个期权定价公式,即著名的布莱克索尔斯公式。几乎与此同时,默顿(Merton R.)在“合理的期权定价理论”一文中对布莱克索尔斯模型和定价公式作了完善和多方面的推广,并将他们利用期权来估价公司负债的思想发展成为所谓的“未定权益分析”。,年诺贝尔经济学奖授予莫
14、顿(R.Merton)和修斯(M.Scholes),以奖励他们和布莱克(F.Black)在确定衍生证券价值方法方面的贡献,就是关于期权定价的著名的布莱克-修斯公式。马科维茨-夏普理论和布莱克-修斯公式一起构成了蓬勃发展的新学科金融数学的主要内容,同时也是研究新型衍生证券设计和风险管理的新学科金融工程、金融风险管理的理论基础。,20,金融数学简介,期权定价理论成为现代金融数学的核心内容。正如瑞典皇家科学院在1997年度诺贝尔经济学奖的嘉奖辞中所说:“期权定价理论和公式可以说是最近25年以来经济学领域中最为重大的突破和最卓越的贡献。它不仅为金融衍生市场近10年的迅猛发展奠定了可靠的理论基础,而且它
15、在经济生活多个领域中的广泛应用将为金融业的未来发展带来一场革命性的变化。”,考克斯(Cox,J.C.)和罗斯于1976年提出了风险中性定价理论。在这一思想的影响下,1979年哈里森(Harrison,J.M.)和克瑞普斯(Kreps,D.M.)提出了用鞅方法刻画无套利市场和不完全市场,并用等价鞅测度对期权进行定价和套期保值或对冲,这对金融数学的日后发展产生了深远的影响。,80年代以来,期权定价和套期保值理论得到蓬勃发展,主要工作可以归纳为如下几个方面:1)将布莱克索尔斯模型推广到股票收益率的波幅依赖股票价格和随机波幅模型,以便解释从观察到的不同约定价格的期权标价按布莱克索尔斯定价公式反算出的引
16、伸波幅(impliedvolatility)出现的“波幅微笑”(volatitlity smile)和偏斜现象;,2)研究依赖价格变化路径的特异期权的定价和它的数值计算方法;3)对一般的半鞅模型,给出了资产定价基本定理(即证明了存在等价鞅测度与市场在某种意义下无套利等价);4)研究不完备市场(主要是带跳的随机过程或一般的半鞅模型)中的期权定价、套期保值或对冲,提出了多种准则;5)研究带“摩擦”的金融市场中的期权套期保值或对冲,这里所指的摩擦包括交易费、税收、买卖价差和各种约束条件;6)带信用风险时的期权定价问题;7)大投资者操纵和有内线交易时的市场模型;8)不对称信息下的市场交易模型。,(2)
17、计量金融经济学方面的成就 计量金融经济学是介于金融经济学与统计学之间的一门实证性科学。1980年代以来,计量金融经济学在如下几个方面取得了较大进展;1)提出了一些检验有效市场假设的统计方法;2)提出了对扩散过程模型的各种估计方法,如极大似然方法,广义矩方法,模拟矩方法,非参数方法;3)1982年恩格尔(Engle,R.F.)提出了一个自回归条件异方差(ARCH)时间序列模型,较好地解释了股票日收益率数据中出现的方差随时间的变动和群集现象。后来近一步提出广义ARCH(或GARCH)模型。1991年尼尔森(Nelson,C.R.)又提出指数GARCH(或EGARCH)模型,证明可用EGARCH过程
18、来逼近连续时间的扩散过程,这为计量金融经济学提供了方便和有效的金融市场模型。,4)市场的微结构分析,主要研究金融市场中存在的买卖价差(bidask spread)以及非同步和非等时间间隔交易等。(3).最优消费投资组合方面的成就 1969和1971年默顿首次在连续时间金融模型下用随机动态规划方法研究了最优消费投资组合问题。此后,这类问题成了金融学的重要研究问题之一,连续时间金融模型也成了金融学的最常用的模型,因为它比离散时间模型更能反映市场的动态特性,更便于理论上的研究。,1987年卡拉察斯(Karatzas,I.)等人从随机分析中的鞅表示定理出发,将完全市场中的动态最优消费投资组合问题化为比
19、较容易处理的静态最优化问题。1989年考克斯(Cox,J.C.)和黄奇辅(Huang,C)也独立地给出了这一结果。近年来有不少文章研究跳跃扩散过程和一般半鞅模型下的最优消费投资组合问题。(4).利率的期限结构方面的成就 1970年代以来,为了研究利率衍生产品的定价和风险管理提出了许多利率期限结构模型,其中有名的有Vasicek模型(1977)、CIR模型(1985)、HJM模型(1992)和BGM模型(1997)。前两个是单因子短期利率模型,它们虽被实证分析证明不太符合实际,但由于简单,在实际中还常被使用。HJM模型是关于远期利率的扩散过程模型,容易用历史数据来校准,与实际比较符合,但应用起来
20、计算量太大。,BGM 模型选用LIBOR(伦敦银行同业拆借利率)作为计价单位,用起来比较方便,近来受到华尔街的青睐。(5).风险的度量方面的成就 监管金融风险首先要对风险给予度量。在银行监管领域目前通行的风险度量是风险值(Valueat Risk,简称VaR),它代表银行资产组合在一定统计置信度下和在某个给定期限内可能产生的最大损失。由VaR可确定银行的资本金。VaR的一个最大缺点是它不是次可加(sub additive),即两个风险资产合在一起的VaR不一定比各自的VaR之和来得小,这是不太合理的。最近有学者从风险度量的公理化出发给出了一个新的风险度量,称为风险的连贯度量(coherent
21、measure of risk),它是次可加的。,(6).计算金融方面的成就 1979年考克斯、罗斯和鲁宾斯坦(Rubinstein,M.)提出了一个最为简单和直观的二叉树模型,并由此导出了布莱克索尔斯期权公式。这对复杂期权定价的数值提供了一个有效途径。80年代以来,从事偏微分方程数值计算的研究工作者提出了用有限差分方法和MonteCarlo方法来近似计算美式期权或更复杂的期权的价格。由此而产生了“计算金融”这一金融学分支。,(7).实物期权方面成就 期权定价理论在公司财务分析(如资本预算)中有许多应用。例如,与用传统的现金流折算方法对公司投资决策进行估价不同,可以把公司的投资机会看作为一个买
22、权(看涨期权),投资额相当于约定价格。又如,可以把公司的无形资产看作是以公司的有形资产为约定价格的一种买权,公司未来现金流总现值是其标的物的当前价值。这类期权统称为“实物期权”(real option)。与金融期权不同的是,它的标的物是不在市场上交易的资产(可以是实物的,也可以是无形的),最早提出实物期权想法的是麦克唐纳(McDonald,R)和希格尔(Siegel,M)1986年的一篇文章,狄克希特(Dixit,A)(1989)给出了实物期权的广泛应用。,金融数学包括“规范金融数学”和“实证金融数学”,规范金融数学强调运用高等数学、最优化、概率论、微分方程等知识对金融原理进行推导,如第一次华
23、尔街革命即资产组合问题与资本资产定价模型和第二次华尔街革命即期权定价公式;实证金融数学强调应用统计学、计量经济学、时间序列分析等知识,对金融原理进行假设检验,并得出一些经验性结论,如资产定价模型的检验、行为金融学的检验等。,31,金融数学简介,我国在国家自然科学基金委的赞助下,1996年12月10日,国家自然科学基金会重大项目“金融数学、金融工程和金融管理”审议通过,彭实戈老师是该项目第一负责人。当时参加金融数学项目的有山东大学、复旦大学、浙江大学、中山大学、南开大学等。2008年列为国家973项目,彭实戈院士为首席科学家。,32,金融数学简介,重大项目是“九五”期间国家自然科学基金委列入管理
24、和数学学科唯一的重大项目,也标志着我国金融数学开始了一个从无到有的过程。相应地,有些大学成立了金融数学系或将金融数学与有关专业结合,如金融数学与统计系等,不少学校或金融机构成立与金融数学有关的研究所。浙江大学数学系设有“数学与应用数学专业”、“科学计算专业”、“统计专业”三个专业,共有九个毕业方向,在统计专业下设有金融数学方向供本科生选择,33,金融数学简介,金融数学在我国的发展不仅是我国开展金融理论研究的需求,在实践方面,我国工商企业以及居民的投资,避险要求也进一步推动了金融数学学科的发展,早在1997年中国银行首先获准开办企业经常项目下的远期外汇结受汇业务,2002年和2003年又分别面向
25、居民推出了“外汇两得宝”和“外汇期权宝业务”,其实质分别是外汇卖出期权和外汇买入期权。,34,金融数学简介,要想灵活运用金融衍生产品帮助企业和居民进行投资或者规避风险,必须从理论上掌握这些产品的定价方法,金融数学正式连接数学与金融定价模型以及其他金融问题的一座桥梁。随着我国金融市场的不断发展和完善,对既有金融知识,又具有数理基础的人才需求是越来越大。特别是,许多基金公司有金融工程研究部,专门招聘具有数理知识的毕业生。,35,金融数学简介,金融数学主要的研究内容和拟重点解决的问题包括:(1)有价证券和证券组合的定价理论 发展有价证券(尤其是期货、期权等衍生工具)的定价理论。所用的数学方法主要是提
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