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1 SUL MODELLO DI BLACK-SHOLES LUCA LUSSARDI 1. La dinamica di Black-Schols Il modllo di Black-Schols pr i mrcati finanziari assum com ipotsi fondamntal ch i przzi di bni finanziari sguano una bn dtrminata dinamica S = St, con t [0, T ], soluzion dll quazion diffrnzial stocastica ds = µsdt + σsdw 1.1 ssndo µ L 1 0, T la tndnza σ L 0, T la volatilità. Sappiamo si vda [1] pr dttagli ch nl caso µ, σ, S 0 costanti positiv si ha ch l unica soluzion dl problma { ds = µsdt + σsdw S0 = S 0 1. è data da σ µ St = S 0 t+σw t 1.3 ch quindi rapprsnta un procsso stocastico log-normal, cioé il cui logaritmo è distribuito normalmnt in ogni istant. La formula 1.3 si gnralizza al caso in cui µ, σ non siano costanti: St = S 0 t σ 0 µ ds+ t 0 σdw.. L quazion di Black-Schols Black Schols nl 1973 si rano occupati di particolari contratti drivati chiamati opzioni call urop. Vdiamo brvmnt in cosa consist la problmatica. L opzioni call urop lgano il proprio valor a qullo di uno o più bni sottostanti. Pr smplicità ipotizziamo ch di avr un solo bn sottostant S il cui valor pr unità sgu la dinamica 1.1 nlla qual prndiamo anch σ costant; in particolar, al tmpo t = 0 possdiamo una quantità p 0 dl bn S al valor unitario S 0. Al tmpo t = 0 acquistiamo il diritto di vndr ad un succssivo tmpo prstabilito T > 0, una fissata quantità p T dl bn S ad un przzo prstabilito k. Tal acquisto ha un costo incognito ch dipnd da S 0 ch chiamiamo cs 0, 0, dtto anch prmio. Al variar di t [0, T ] dcidiamo di vndr o comprar quantità dl bn S pr comprar o vndr opzioni, snza quindi immttr né prlvar dnaro: al tmpo t [0, T ] avrmo quindi una quantità pt di bn S, con 1

2 LUCA LUSSARDI p0 = p 0, corrispondntmnt il przzo dll opzioni sguirà una dinamica incognita c = cst, t. Si è quindi vnuto a crar il portafoglio V t := ptst + cst, t, t [0, T ]. Pr com è formulato il contratto quindi convin ch sia cst, T = ST k +. Infatti, s così foss al tmpo final T potrmmo usar k pr comprar il bn S immdiatamnt vndrlo guadagnando ST k > 0. Il problma affrontato da Black Schols è stato qullo di dtrminar la dinamica c in particolar l ntità dl prmio. In quanto sgu non mnzionrmo importanti ipotsi sul mrcato ch prmttono di ffttuar alcun smplificazioni di tipo matmatico; pr maggiori dttagli si vda []. La prima ida è qulla di tnr conto ch istantanamnt non è possibil né aggiungr né toglir dnaro al portafoglio ma vntualmnt ridistribuirlo tra il bn sottostant S l opzioni. Qusto si traduc, pr dfinizion, nll affrmar ch il diffrnzial stocastico dl portafoglio è dato da dv t = ptdst + dcst, t. Pr la rgola dlla catna di Itô si ha, grazi alla 1.1, dunqu dcst, t = St, tdst + x t St, tdt + 1 dv t = ptdst + St, tdst + x t St, tdt + 1 c x St, tσ St dt c x St, tσ St dt..1 Si prsnta a qusto punto la domanda fondamntal alla qual vogliamo trovar una risposta: mantnndo il portafoglio autofinanziant, ovvro non immttndo dnaro né prlvando dnaro, possiamo trovar una stratgia di compravndita di S dll opzioni ch ci consnta di annullar l variazioni stocastich dl bn S? Un portafoglio così dtrminato, s sist, si dirà privo di rischio. La risposta sorprndnt è ch tutto ciò è possibil la dinamica di c sguirà una soluzion di un quazion all drivat parziali. Infatti, basta porr pt = St, t x pr avr ch dv t = t St, tdt + 1 c x St, tσ St dt.

3 SUL MODELLO DI BLACK-SHOLES 3 Crchiamo ora di imporr ch il nostro portafoglio abbia un rndimnto garantito r, ovvro ch sia dv t = rv tdt. Sarà quindi r St, tst + rcst, t = x t St, t + 1 c x St, tσ St cioé t St, t + 1 c x St, tσ St + r St, tst rcs, t = 0. x Da tal dinamica si stra quindi un quazion all drivat parziali pr c, data da t s, t + 1 σ s c s, t + rss, t rcs, t = 0.. dtta quazion diffrnzial di Black-Schols. 3. La formula di Black-Schols Tnuto conto dll considrazioni prcdnti siamo ricondotti allo studio dl problma t s, t + 1 σ s c s, t + rss, t rcs, t = 0, s > 0, t [0, T ] 3.1 cs, T = s k + s > 0, t = T. Mostriamo ch con un opportuno cambiamnto di variabili l quazion diffrnzial nl problma 3.1 si riconduc all quazion dl calor. Infatti, poniamo x := log s + r σ T t τ := σ T t ux, τ := r T τ σ c x r σ 1 τ, T τ. Ossrviamo ch si ha x r σ 1 τ = s, Inoltr, si trova facilmnt ch r x, τ = τ σ r T τ σ cs, t + r T τ σ s x x, τ = r T τ σ u x x, τ = r T τ σ s c T τ σ = t. σ 1 r σ s, t s, t, σ t s s, t, s, t + s s, t.

4 4 LUCA LUSSARDI N sgu ch τ x, τ u x, τ x = σ r T τ σ rcs, t sr s, t t s, t s σ c s, t = 0. Riguardo all condizioni al bordo ossrviamo prima di tutto ch pr cui ni punti x, 0 dv ssr da cui cs, T = rt ux, 0 x k + = s k + = rt ux, 0 ux, 0 = rt x k + =: fx. In dfinitiva, va risolto quindi il problma τ x, τ = u x, τ, x ux, 0 = fx, x R. σ x R, 0 τ T 3. Pr risolvr il problma 3. lavoriamo in trasformata di Fourir; non dttaglirmo sull ipotsi in gioco pr rndr vri i conti ch sguono. Pr dfinizion, poniamo Fgω := 1 gx iωx dx. π La trasformata di Fourir vrifica alcun proprità fondamntali pr l applicazioni all quazioni all drivat parziali. Prcisamnt si ha ssndo Fg ω = iωfgω, u vx := Fu vω = FuωFvω ux yvy dy. Trasformando il problma 3. mdiant la trasformata di Fourir risptto alla variabil spazial x si prvin a da cui, considrando ω com paramtro, Fu ω, τ = ω Fuω, τ τ Fuω, 0 = Ffω Fuω, τ = Ffω ωτ. 3.3

5 SUL MODELLO DI BLACK-SHOLES 5 Posto Γx, τ := 1 x 4τ si ha facilmnt Dunqu, da cui FΓ, τω = ωt. Fuω, τ = FfωFΓ, τω = FΓ, τ fω ux, τ = Γ, τ fx = 1 La soluzion dl problma 3. è quindi data da ux, τ = rt x y 4τ fy dy. x y 4τ y k + dy. Noi siamo intrssati alla dinamica cst, t ch val dunqu cst, t = rt u log St + r T σ t, σ T t rt t = πσ T t In particolar, il prmio sarà dato da cs 0, 0 = ch è la formula di Black-Schols. rt πσ T log St+r σ /T t y σ T t y k + dy. log S 0 y σ T y k + dy Rifrimnti bibliografici [1] L. C. Evans, An Introduction to Stochastic Diffrntial Equations, Amrican Mathmatical Socity, 013. [] M. Baxtr and A. Rnni, Financial Calculus: An Introduction to Drivativ Pricing, Cambridg Univrsity Prss, 1996.

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