Applied Stochastic Calculus
เมื่อสิ่งที่เราสนใจเป็นฟังก์ชันของตัวแปรสุ่ม เราจะหาการเปลี่ยนแปลงของมันอย่างไร
“ตรรกะและสัญชาตญาณต่างมีบทบาทที่จำเป็น ทั้งสองสิ่งขาดไปไม่ได้”
“Thus logic and intuition have each their necessary rôle. Each is indispensable.”
— Henri Poincaré · The Value of Science, บท I §V
ในบทนี้เราจะเข้าใจ Stochastic Calculus อย่าพึงถอดใจเมื่อเจอสิ่งที่ยาก Stochastic แปลว่าสุ่ม Calculus คือการศึกษาการเปลี่ยนแปลง เรเพียงแต่จะศึกษาการเปลี่ยนแปลงของระบบที่สุ่ม
บท Transition Density Functions ตอบว่า “จากจุดเริ่มต้นหนึ่ง อนาคตกระจายไปอย่างไร” แต่ในการเงิน เรามักไม่ได้สนใจตัวแปรนั้นเพียงตัวเดียว เราอาจสนใจ log ของราคา ราคายกกำลังสอง หรือมูลค่าสัญญาที่ขึ้นกับราคาและเวลา
ถ้า S เปลี่ยนแบบสุ่ม แล้ว F(S,t) จะเปลี่ยนตามกฎใด? คำตอบคือ Itô’s lemma ซึ่งเป็นกฎลูกโซ่สำหรับกระบวนการแบบ Itô และเป็นเครื่องมือหลักของบทนี้
1. time step ย่อครึ่งหนึ่ง แต่ขนาดช็อกไม่ได้ย่อครึ่งหนึ่ง
เริ่มจากเหรียญยุติธรรมและผลการโยนที่เป็นอิสระ ให้ Rᵢ เป็น +1 หรือ −1 ด้วยโอกาสอย่างละ 1/2 และ Cₙ เป็นยอดสะสมหลัง n ครั้ง
ก่อนเริ่มทดลอง E[Cₙ] = 0 และ Var(Cₙ) = n แต่เมื่อรู้ยอดปัจจุบัน Cₘ แล้ว ค่าคาดหมายของยอดในอนาคตคือ E[Cₙ | Cₘ] = Cₘ เมื่อ n ≥ m ประวัติที่รู้เปลี่ยนคำตอบของยอดรวม แม้จะไม่เปลี่ยนโอกาสหัวหรือก้อยของครั้งถัดไป
ถ้าบีบ n ครั้งให้อยู่ในเวลารวม T และลดขนาดแต่ละ step เป็น ±√(T/n) จะมี
การเลือก ขนาด step ตาม √Δt ทำให้ความสุ่มไม่หายไปเมื่อแบ่งเวลาละเอียดขึ้น ลิมิตของการเดินสุ่มที่ปรับสเกลเหมาะสมนี้ให้ Brownian motion ส่วนในแบบจำลอง Brownian โดยตรง step ในช่วงเวลาที่มีขนาดจำกัดมีการแจกแจง
Brownian motion มีเส้นทางต่อเนื่อง step ในช่วงเวลาที่ไม่ทับกันเป็นอิสระ และ SD ของ step เท่ากับ √Δt สัญลักษณ์ dW ใช้ในสมการเชิงสุ่ม ไม่ใช่อนุพันธ์ธรรมดาที่เรานำไปหาร dt แล้วได้ความเร็วของเส้นทางที่เรียบ
ถ้าเวลาเป็นปี W มีหน่วย √ปี จึงต้องดูหน่วยของสัมประสิทธิ์ที่คูณ dW ด้วยเสมอ
2. step เล็กลง แต่ผลรวมกำลังสองยังเหลืออยู่
ให้แบ่งช่วง [0,T] เป็น n ช่วงเท่ากัน แล้ววัด quadratic variation บนตารางนี้ด้วย
ต้องแยกสองกรณีที่ดูคล้ายกันออกจากกัน
| step ที่ใช้ | กำลังสองของ step เดียว | ผลรวม Qₙ |
|---|---|---|
| เหรียญ ±√Δt | เท่ากับ Δt ทุกครั้ง | เท่ากับ T พอดี แม้ n ยังจำกัด |
| step Gaussian ของ Brownian | Δt Zᵢ² ยังเป็นตัวแปรสุ่ม | ยังสุ่มที่ n จำกัด แต่เข้าใกล้ T ในลิมิต |
สำหรับ Gaussian increments อิสระ เราใช้ E[Z²] = 1 และ E[Z⁴] = 3 จึงได้
นี่คือการลู่เข้าแบบ mean square: ค่าเฉลี่ยของความคลาดเคลื่อนยกกำลังสองลดสู่ศูนย์ ไม่ได้หมายความว่าทุกเส้นทางต้องเข้าใกล้ T มากขึ้นในทุกครั้งที่เพิ่ม n
ผลนี้ย่อเป็นกฎจำของ stochastic calculus ว่า
กฎนี้เป็นสัญลักษณ์ของการคำนวณในลิมิต ไม่ใช่สมการของ step Gaussian แต่ละ step ที่ Δt ยังไม่เป็นศูนย์ เราต้องใช้ (ΔW)² = Δt Z² ซึ่งไม่เท่ากับ Δt เสมอ
เทียบกับเส้นทางเรียบ เช่น x(t) = t จะได้ผลรวมกำลังสอง n(T/n)² = T²/n → 0 ความแตกต่างตรงนี้ทำให้แคลคูลัสของ Brownian ต้องเก็บพจน์อันดับสองไว้
3. ลองยกกำลังสอง แล้วดูสิ่งที่กฎลูกโซ่ธรรมดาทำหาย
เริ่มด้วยเอกลักษณ์พีชคณิตที่ถูกต้องสำหรับทุก step
รวมทุก step และใช้ W₀ = 0 จะได้
ผลรวมตรงกลางใช้ค่า W ก่อน รับช็อกของช่วงถัดไป นี่เป็นจุดเริ่มต้นของ Itô integral ซึ่งใช้ข้อมูลที่มีอยู่แล้ว ไม่เอาค่าในอนาคตมาย้อนกำหนดน้ำหนักของ step ปัจจุบัน
เมื่อแบ่งเวลาละเอียดขึ้น ผลรวมฝั่งซ้ายของแต่ละช่วงให้
จึงได้กฎการเปลี่ยนแปลง
ถ้าใช้กฎลูกโซ่ธรรมดาแล้วเขียนแค่ 2W dW เราจะทำ dt หายไป แต่ E[W_T²] = T จึงเห็นได้ว่าพจน์ที่หายมีความหมายจริง
สำหรับ integrand ที่ไม่มองอนาคตและมี E[∫₀ᵀ Hₜ² dt] < ∞ จะมี E[∫₀ᵀ Hₜ dWₜ] = 0 ไม่ควรสรุปว่าปริพันธ์เชิงสุ่มทุกแบบมีค่าคาดหมายศูนย์โดยไม่ดู integrand อ่านนิยามเพิ่มเติมใน Miranda Holmes-Cerfon, Lecture 7: Stochastic Integration
ทดลอง: ดูพจน์ที่สะสมจากกำลังสองของ step
ห้องทดลองใช้ Gaussian increments ของ Brownian path เดียวกันบนตารางละเอียด แล้วรวม step ติดกันเมื่อเลือก n ที่เล็กลง จึงเปรียบเทียบความละเอียดโดยไม่เปลี่ยนเส้นทางสุ่มพื้นฐาน
ลองเพิ่ม n แล้วเปลี่ยน seed ผลต่างของ Qₙ กับ T อาจขึ้นหรือลงในเส้นทางใดเส้นทางหนึ่ง แต่ค่าคลาดเคลื่อนแบบ RMS ตามทฤษฎีคือ T√(2/n) และผลรวมแบบ Itô บนตารางต้องตรงกับ (W_T² − Qₙ)/2 ก่อนพิจารณาลิมิต
4. Itô’s lemma: อ่าน drift และช็อกของฟังก์ชันใหม่
ให้ตัวแปร Y ตาม stochastic differential equation
a เป็น drift ในหน่วย Y ต่อเวลา ส่วน b เป็นขนาดช็อกในหน่วย Y ต่อ √เวลา ค่า a(Yₜ,t) อาจสุ่มเพราะขึ้นกับสถานะ Yₜ คำว่า “ส่วนที่คาดการณ์ได้” จึงหมายถึงรู้สัมประสิทธิ์เมื่อกำหนดสถานะปัจจุบันแล้ว ไม่ได้หมายความว่าเส้นทางของ drift ทั้งหมดไม่สุ่ม
สำหรับฟังก์ชัน F(y,t) ที่หาอนุพันธ์ตามเวลาได้หนึ่งครั้งและตาม y ได้สองครั้ง โดยอนุพันธ์เหล่านี้ต่อเนื่อง หรือเรียกว่า C¹,² กฎ Itô ให้
อนุพันธ์และสัมประสิทธิ์ทั้งหมดในสูตรประเมินที่ (Yₜ,t) สำหรับกระบวนการที่มีเงื่อนไขความเรียบและการมีอยู่ของคำตอบเหมาะสม
| พจน์ | สิ่งที่ทำให้ F เปลี่ยน |
|---|---|
| Fₜ dt | เวลาเดินไป แม้ตรึงค่า Y |
| aFᵧ dt | drift ของ Y ผ่านความชันของ F |
| ½b²Fᵧᵧ dt | ความผันผวนผ่านความโค้งของ F หรือ Itô correction |
| bFᵧ dW | ช็อกที่เหลืออยู่ใน F |
ที่มาของพจน์ใหม่คือการขยาย Taylor: เมื่อ dY มีขนาดช็อกตาม √dt พจน์ (dY)² จึงมีส่วน b²dt ที่ยังต้องเก็บไว้ หาก F เป็นเส้นตรงจะไม่มี Fᵧᵧ แต่เมื่อ F โค้ง พจน์แก้ไขนี้มักไม่เป็นศูนย์
เชื่อมกลับไปยังสมการการแพร่
ในบทก่อน dY = √2 c dW จึงมี a = 0 และ b = √2 c เมื่อเลือก F(Y) = Y² จะได้
เทอม c²Fᵧᵧ จึงเป็นตัวเดียวกับสัมประสิทธิ์ในสมการ Backward ของบทก่อน ส่วน 2c²(T−t) ตรงกับความแปรปรวนที่เราได้จาก Gaussian
ถ้า F เป็นมูลค่าสัญญา V(S,t) สูตรนี้ช่วยหาการเปลี่ยนแปลงของ V โดยใช้ความชันและความโค้ง แต่ Itô’s lemma เพียงอย่างเดียวยังไม่กำหนดราคา Option ต้องมีเงื่อนไข payoff, no arbitrage และแบบจำลองการคิดราคาที่สอดคล้องกันด้วย
5. ใช้กับ GBM: ทำไม log ของราคาจึงมี −½σ²
สมมติราคาตาม Geometric Brownian Motion ที่มี μ,σ คงที่ และ S₀ > 0
เมื่อเวลาเป็นปี μ มีหน่วยต่อปี และ σ มีหน่วยต่อ √ปี ในตัวอย่างจะใช้ μ = 0.10 และ σ = 0.20 ค่า μ เป็น drift ของผลตอบแทนแบบสัดส่วนในโมเดล ไม่ใช่ผลตอบแทนที่เส้นทางจริงต้องได้
เลือก F(S) = log S จะมี F_S = 1/S และ F_SS = −1/S² จึงได้
log เป็นฟังก์ชันเว้า อนุพันธ์อันดับสองจึงติดลบและทำให้ drift ของ log ต่ำกว่า μ เมื่อ σ ไม่เป็นศูนย์ นี่คือผลของ Itô correction ไม่ใช่ค่าธรรมเนียมหรือการหักผลตอบแทนตามใจ
อินทิเกรตจาก 0 ถึง t โดยใช้ W₀ = 0:
คำตอบนี้เป็นบวกทุกเวลาจำกัดเมื่อ S₀ > 0 และทำให้ log return เป็น Normal ส่วนราคาเป็น Lognormal ไม่ใช่เพราะ simple return ถูกสมมติให้เป็น Normal แล้วราคาจะเป็น Lognormal โดยทันที
สำหรับ σ > 0 และ t > 0:
เมื่อ S₀ = 100, μ = 0.10, σ = 0.20 และ t = 1 ปี จะมี
| สิ่งที่วัด | สูตร | ค่า |
|---|---|---|
| ค่าคาดหมายของราคา | S₀e^(μt) | 110.5171 |
| มัธยฐานของราคา | S₀e^((μ−σ²/2)t) | 108.3287 |
| ค่าคาดหมายของ log return | (μ−σ²/2)t | 0.08 |
| SD ของ log return | σ√t | 0.20 |
ค่าเฉลี่ยกับมัธยฐานต่างกันเพราะการแจกแจงราคาเบ้ ค่า 108.3287 จึงไม่ใช่ E[S₁] และไม่มีค่าใดเป็นการทำนายราคาจริง ณ สิ้นปี
อีกตัวอย่าง: ราคายกกำลังสอง
เลือก F(S) = S² มี F_S = 2S และ F_SS = 2 ดังนั้น
คราวนี้ฟังก์ชันนูนทำให้ Itô correction เป็นบวก สังเกตเครื่องหมายเทียบกับกรณี log S แล้วจะเห็นบทบาทของความโค้งโดยไม่ต้องท่องสูตรแยกกัน
6. ใช้กับ mean reversion: กลับเข้าหาค่าเฉลี่ยได้โดยยังมีช็อก
GBM ให้ขนาดช็อกโตตามราคา แต่อีกกลุ่มหนึ่งของแบบจำลองมีแรงดึงกลับเข้าหาค่ากลางหรือ mean reversion ตัวอย่างคือ Ornstein–Uhlenbeck process หรือ Vasicek model เมื่อใช้กับอัตราดอกเบี้ยระยะสั้น
θ เป็นระดับระยะยาว κ เป็นความเร็วในการกลับเข้าหา θ และ σᵣ เป็นขนาดช็อกของระดับ r สมมติทั้งสามเป็นค่าคงที่สำหรับคำตอบในหัวข้อนี้ ในบทนี้เปลี่ยน γ และ r̄ ของต้นฉบับเป็น κ และ θ เพื่อให้อ่านง่าย
เมื่อ r ต่ำกว่า θ พจน์ drift เป็นบวก เมื่อ r สูงกว่า θ drift เป็นลบ แต่ช็อกยังอาจผลักให้เดินออกห่างได้ mean reversion เป็นแรงดึงใน drift ไม่ใช่คำสัญญาว่าทุก step ต้องเข้าใกล้ค่าเฉลี่ย
ตั้ง uₜ = rₜ − θ จะได้ du = −κu dt + σᵣ dW แล้วใช้ integrating factor e^(κt):
จึงได้คำตอบ
สำหรับ r₀ ที่กำหนดแน่นอนและ σᵣ > 0 คำตอบมีการแจกแจง Normal โดย
เมื่อเวลายาวขึ้น อิทธิพลของ r₀ ลดลงและการแจกแจงเข้าใกล้ stationary distribution
นี่หมายถึงการแจกแจงระยะยาวคงรูป ไม่ได้หมายความว่าเส้นทางแต่ละเส้นหยุดสุ่ม หากเริ่มจาก r₀ คงที่ กระบวนการยังไม่อยู่ใน stationary distribution ตั้งแต่เวลา 0
ตัวอย่างสมมติให้ r₀ = 5%, θ = 3%, κ = 1.5 ต่อปี และ σᵣ = 0.01 ต่อ √ปี หรือ 1 จุดเปอร์เซ็นต์ต่อ √ปี หลังหนึ่งปี ค่าคาดหมายประมาณ 3.4463% และ SD ประมาณ 0.5628 จุดเปอร์เซ็นต์ ส่วน SD ระยะยาวประมาณ 0.5774 จุดเปอร์เซ็นต์
OU/Vasicek มีหาง Gaussian บนเส้นจำนวนจริง จึงยอมให้อัตราดอกเบี้ยติดลบได้ การเลือกใช้ต้องพิจารณาว่าสมบัตินี้เหมาะกับสิ่งที่กำลังจำลองหรือไม่
7. SDE หนึ่งสมการ เชื่อมกับความหนาแน่นสองมุมมอง
กลับไปที่ตัวแปรทั่วไป dY = a(Y,t)dt + b(Y,t)dW และใช้สัญลักษณ์เดิมจากบทก่อน k(y,t;z,T) เมื่อมี transition density และความเรียบเพียงพอ สมการ Forward คือ
Forward ตรึงจุดเริ่มต้น y,t แล้วติดตามการแจกแจงปลายทาง สัมประสิทธิ์อยู่ภายในอนุพันธ์ เพราะอาจเปลี่ยนตามตำแหน่ง z ส่วน Backward ตรึงปลายทาง z,T และทำงานกับจุดเริ่มต้น:
ถ้า a = 0 และ b = √2 c คงที่ ทั้งคู่จะกลับเป็นสมการในบท Transition Density ทันที แต่เมื่อสัมประสิทธิ์ขึ้นกับสถานะ จะสลับตัวแปรและเปลี่ยนเครื่องหมายอย่างเดียวไม่ได้
จาก log ของ GBM กลับเป็นความหนาแน่นของราคา
เพราะ log return เป็น Normal เราจึงแปลงกลับเป็นความหนาแน่นของราคาปลายทาง z > 0 ได้ สำหรับ τ = T − t > 0, ราคาเริ่มต้น s > 0 และ σ > 0:
ตัวคูณ 1/z มาจากการเปลี่ยนตัวแปร log z กลับเป็น z จะลืมพจน์นี้ไม่ได้ เพราะพื้นที่ใต้ความหนาแน่นราคาต้องยังเป็น 1
สำหรับ OU, drift ดึงมวลกลับเข้าหา θ ขณะที่ diffusion กระจายมวลออก จึงมีการแจกแจงระยะยาวที่สมดุลกันได้ การมีสัมประสิทธิ์ที่ไม่ขึ้นกับเวลาเพียงอย่างเดียวไม่ได้รับประกันว่าจะมี stationary distribution สำหรับทุกแบบจำลอง
สมการเหล่านี้ต้องใช้ร่วมกับเงื่อนไขเริ่มต้น ขอบเขต และกฎความน่าจะเป็นที่เลือก การหาความหนาแน่นภายใต้แบบจำลองยังไม่เท่ากับการกำหนดราคาสัญญาภายใต้ risk-neutral measure อ่านเรื่องตัวดำเนินการและเงื่อนไขต่อได้ใน Lecture 10: Forward and Backward Equations for SDEs
8. จากสมการต่อเนื่อง สู่ขั้นตอนที่คอมพิวเตอร์คำนวณได้
วิธี Euler–Maruyama ประมาณการเปลี่ยนแปลงโดยประเมินสัมประสิทธิ์ที่ต้นช่วง แล้วใช้ช็อกใหม่ในแต่ละ step:
ช็อกในสูตรนี้คูณด้วย √Δt หากใช้ Δt แทน ความแปรปรวนรวมจะยุบลงเมื่อแบ่งเวลาละเอียดขึ้นและได้คนละแบบจำลอง
สำหรับ GBM สูตร Euler เป็น
ใช้ค่าจากตัวอย่างในเอกสาร: S₀ = 100, μ = 0.1, σ = 0.2, Δt = 0.01 ปี และช็อกสองค่า 0.12, −0.25 จะได้
| step | การคำนวณ | ราคาหลังจบ step |
|---|---|---|
| 1 | 100 × (1 + 0.1×0.01 + 0.2×0.1×0.12) | 100.34 |
| 2 | 100.34 × (1 + 0.1×0.01 + 0.2×0.1×(−0.25)) | 99.93864 |
ต้นฉบับปัดค่าที่สองเป็น 99.94 สำหรับการแสดงผล แต่การคำนวณต่อควรเก็บความละเอียดไว้
เมื่อมีคำตอบ exact ให้ใช้เป็นตัวเทียบ
GBM ที่ μ,σ คงที่มีสูตรเปลี่ยนสถานะที่แน่นอนบนจุดเวลาที่เลือก:
Euler กับ exact ควรใช้ ช็อกเดียวกัน เพื่อดูความคลาดเคลื่อนจากวิธีคำนวณ หากสุ่มคนละเส้นทาง ผลต่างจะปนทั้งความสุ่มและความคลาดเคลื่อนของวิธี
คำว่า exact ในที่นี้หมายถึงคำตอบของ GBM ที่สมมติไว้ ณ จุดเวลาที่คำนวณ เส้นเชื่อมจุดบนกราฟเป็นภาพช่วยอ่าน ไม่ใช่การแสดงรายละเอียดทุก step ของเส้นทางต่อเนื่อง และคำตอบ exact ของแบบจำลองไม่ได้รับประกันความถูกต้องของแบบจำลองต่อโลกจริง
Euler อาจให้ราคาศูนย์หรือติดลบถ้าตัวคูณ 1 + μΔt + σ√Δt Z ไม่เป็นบวก แม้คำตอบ GBM จริงจะเป็นบวก ตัวอย่างสมมติ μ = 0.1, σ = 1, Δt = 1 และ Z = −2 ให้ตัวคูณ Euler = −0.9 แต่ตัวคูณ exact = e^(−2.4) > 0 การตัดค่าติดลบให้เป็นศูนย์จะเปลี่ยนวิธีและการแจกแจง จึงไม่ควรทำโดยไม่อธิบาย
เมื่อย่อ Δt ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม Euler–Maruyama ลู่เข้าในความหมายทางความน่าจะเป็นที่กำหนด แต่ error ของเส้นทางเดียวไม่จำเป็นต้องลดทุกครั้ง การตรวจความแม่นควรใช้หลายเส้นทางร่วมกับช็อกที่จับคู่กัน
| แหล่งความคลาดเคลื่อน | เกิดจากอะไร | สิ่งที่ช่วยลด |
|---|---|---|
| การแบ่งเวลา | แทน SDE ด้วย step ที่ยังมีขนาดจำกัด | ย่อ Δt หรือเลือกวิธีเหมาะสม |
| Monte Carlo sampling error | ประมาณค่าคาดหมายด้วยเส้นทางจำนวนจำกัด | เพิ่มจำนวนเส้นทางและวัด standard error |
| Model error | สมมติฐานไม่ตรงกับสิ่งที่ต้องการอธิบาย | ตรวจแบบจำลองกับข้อมูลและโจทย์จริง |
9. ตัวสุ่มที่มีค่าเฉลี่ยและ SD ถูก ยังอาจมีหางผิด
สองเอกสารพูดถึงการสร้างตัวสุ่ม Normal สำหรับจำลอง SDE แนวคิด inverse transform คือ ถ้า U กระจายสม่ำเสมอบน (0,1) แล้ว Z = Φ⁻¹(U) จะมีการแจกแจง Standard Normal โดย Φ เป็น CDF ของ Normal
อีกวิธีในเอกสารคือผลรวม uniform 12 ตัวลบ 6 ซึ่งมีค่าเฉลี่ย 0 และความแปรปรวน 1 จริง แต่มีค่าจำกัดอยู่ในช่วง [−6,6] จึงเป็นเพียง Normal approximation และไม่สามารถแทนหาง Normal ได้ทุกระดับ
ห้องทดลองในบทใช้ตัวสร้างเลขสุ่มที่ระบุ seed และแปลงเป็น Normal เพื่อให้ทดลองซ้ำได้ ส่วน Notebook ระบุวิธีและ seed ของตนเอง การใช้ seed เดียวกันต่างภาษาไม่ได้รับประกันว่าจะได้เลขชุดเดียวกัน ถ้าอัลกอริทึมสุ่มต่างกัน
การตรวจตัวสุ่มต้องดูทั้งชนิดการแจกแจงและหาง ควบคู่กับค่าเฉลี่ยและ SD
10. จากช็อกเดียว สู่ช็อกสองตัวที่สัมพันธ์กัน
ถ้าจำลองสองสินทรัพย์โดยให้ช็อกเป็นอิสระเสมอ เรากำลังกำหนดโครงสร้างความเสี่ยงบางอย่างไว้แล้ว การสร้าง correlated increments เริ่มจากช็อก Standard Normal ที่มี correlation ρ โดยใช้ Z₁,Z₂ ซึ่งเป็น อิสระต่อกัน และต่างก็เป็น Standard Normal:
จะได้ E[φ₁] = E[φ₂] = 0, Var(φ₁) = Var(φ₂) = 1 และ
ตัวอย่าง ρ = −0.6, Z₁ = 1, Z₂ = −0.5 ให้ φ₁ = 1 และ φ₂ = −0.6×1 + 0.8×(−0.5) = −1 นี่เป็นเพียงช็อกหนึ่งคู่ ค่า correlation เป็นคุณสมบัติของการแจกแจงร่วม ต้องดูหลายคู่จึงประมาณจากตัวอย่างได้
เมื่อ ρ = 1 จะมี φ₂ = φ₁ และเมื่อ ρ = −1 จะมี φ₂ = −φ₁ ทุกคู่ ส่วน ρ = 0 ให้ช็อกสองตัวอิสระในโครงสร้าง Gaussian นี้ การเลื่อน ρ ใช้ Z₁,Z₂ ชุดเดิมเพื่อให้เห็นผลของพารามิเตอร์
ในการจำลองตามเวลา ให้สุ่มคู่ Z₁,Z₂ ใหม่อย่างอิสระจากคู่ในช่วงก่อนหน้า เมื่อแปลงเป็น step Brownian ด้วย ΔW₁ = √Δt φ₁ และ ΔW₂ = √Δt φ₂ จะมี Cov(ΔW₁,ΔW₂) = ρΔt หรือเขียนย่อว่า
ρ นี้เป็น correlation ของ ช็อกในช่วงเวลาเดียวกัน ไม่ใช่ correlation ของระดับราคาที่วัดตามเวลาบนเส้นทางหนึ่งโดยอัตโนมัติ และ sample correlation จากจำนวนคู่จำกัดไม่จำเป็นต้องเท่ากับค่าเป้าหมายพอดี
เมื่อบวกตัวแปร Normal ต้องดู covariance ด้วย
ผลรวมเชิงเส้นของตัวแปรที่เป็น jointly Gaussian ยังเป็น Normal หากตัวแปรอิสระและแต่ละตัวเป็น Normal จะเข้าเงื่อนไขนี้ ส่วนการรู้ว่าแต่ละตัวมี marginal Normal อย่างเดียวไม่พอ
จะตัดพจน์ covariance ทิ้งได้เมื่อเป็นศูนย์ ในสูตรสร้าง φ₁,φ₂ เราเริ่มจาก Z₁,Z₂ อิสระ แล้วจึงสร้างความสัมพันธ์ขึ้นอย่างควบคุมได้ ข้อสมมตินี้เติมให้ชัดจากสูตรสรุปในเอกสาร
ลองเชื่อมเครื่องมือเข้าด้วยกัน
- ถ้า Δt = 0.01 และ Z = 2 step ΔW และกำลังสองของ step เป็นเท่าไร กฎ (dW)² = dt บอกว่าค่านี้ต้องเท่ากับ 0.01 หรือไม่
- ถ้า dY = 0.3dt + 0.4dW และ F(Y) = Y² จงหา dF
- GBM มี μ = 0.10 และ σ = 0.20 drift ของ log S เป็นเท่าไร และเท่ากับ drift ของผลตอบแทน dS/S หรือไม่
- ใน OU ถ้า r สูงกว่า θ จะสรุปได้หรือไม่ว่า step ถัดไป r ต้องลด
- ถ้าจะเปรียบเทียบ Euler กับ exact ควรใช้ช็อกชุดเดียวกันหรือคนละชุด และเพราะเหตุใด
- ถ้าเพิ่มจำนวนเส้นทาง Monte Carlo อย่างเดียว ความผิดพลาดจาก Δt ที่หยาบและสมมติฐานโมเดลจะหายหรือไม่
เปิดเฉลยพร้อมเหตุผล
- ΔW = √0.01 × 2 = 0.2 และ (ΔW)² = 0.04 กฎเชิง differential ไม่ใช่การบังคับให้กำลังสองของ step ที่มีขนาดจำกัดเท่ากับ Δt
- F_Y = 2Y, F_YY = 2 จึงได้ dF = (0.6Y + 0.16)dt + 0.8Y dW พจน์ 0.16 มาจาก Itô correction
- 0.08 ต่อปี เทียบกับ drift 0.10 ต่อปีของผลตอบแทนเชิง differential dS/S จึงไม่เท่ากัน
- สรุปไม่ได้ drift เป็นลบ แต่ช็อกอาจเป็นบวกและมีขนาดใหญ่กว่าแรงดึงกลับ
- ชุดเดียวกัน เพื่อแยกความต่างของวิธีคำนวณออกจากความต่างของเส้นทางสุ่ม
- ไม่หาย การเพิ่มเส้นทางลด sampling error แต่ยังต้องตรวจ discretization error และ model error แยกกัน
ดาวน์โหลด Notebook ของบท Applied Stochastic Calculus เพื่อรันเอกลักษณ์ Itô ตรวจ moments ของ GBM/OU และทดลองการแบ่งเวลากับช็อกที่สัมพันธ์กัน
เครื่องมือแต่ละชิ้นมีหน้าที่ต่อกัน: quadratic variation อธิบายพจน์ที่กฎธรรมดาทิ้งไม่ได้, Itô’s lemma แปลงฟังก์ชันของกระบวนการ, Kolmogorov อธิบายการแจกแจง และการจำลองช่วยคำนวณเมื่อไม่สะดวกใช้คำตอบวิเคราะห์
อ้างอิงและขอบเขตการเรียบเรียง
- เนื้อหาเรียบเรียงภาษาไทยใหม่จากสองไฟล์ เปลี่ยน X ของ Brownian เป็น W และเปลี่ยน γ,r̄ ของ Vasicek เป็น κ,θ เพื่อรักษาความต่อเนื่องกับบทก่อน ไม่เผยแพร่ PDF หรือภาพสไลด์ต้นฉบับ
- ส่วนที่ขยายให้ชัด ได้แก่ การแยก coin increments จาก Gaussian increments, ความหมายของ (dW)² = dt, เงื่อนไข Itô integral และความเรียบของ F, ค่าเฉลี่ยกับมัธยฐานของ GBM, moments ระหว่างทางของ OU, ความคลาดเคลื่อนสามประเภท และข้อสมมติ jointly Gaussian / covariance ตัวอย่างและห้องทดลองคำนวณขึ้นใหม่ ยกเว้นตัวอย่าง Euler สอง step ที่ระบุว่ามาจากเอกสาร
- Miranda Holmes-Cerfon, Applied Stochastic Analysis (Spring 2022): Lecture 7 — Stochastic Integration, Lecture 8 — Stochastic Differential Equations, Lecture 10 — Forward and Backward Equations ใช้ตรวจนิยาม เงื่อนไข และการเชื่อม SDE กับสมการความหนาแน่น