Verso l integrale stocastico

Documenti analoghi
Spazio di probabilità

Sviluppi e derivate delle funzioni elementari

Forme differenziali lineari e loro integrazione

parametri della cinematica

Le Derivate. Appunti delle lezioni di matematica di A. Pisani Liceo Classico Dante Alighieri

Riferimenti: R.Adams, Calcolo Differenziale 2. Capitoli 3.4, 3.9. Esercizi 3.4, 3.9.

Soluzioni dello scritto di Analisi Matematica II - 10/07/09. C.L. in Matematica e Matematica per le Applicazioni

I teoremi della funzione inversa e della funzione implicita

Analisi 2. Roberto Monti. Appunti del Corso - Versione 5 Ottobre 2012

Funzioni vettoriali di variabile scalare

TEMI D ESAME DI ANALISI MATEMATICA I

Esercizi svolti sugli integrali

Equazioni differenziali. f(x, u, u,...,u (n) )=0,

Esercitazioni di Matematica

Calcolo integrale: esercizi svolti

ESERCIZI SVOLTI SUL CALCOLO INTEGRALE

Le derivate parziali

Osservazioni sulle funzioni composte

ANALISI 1 - Teoremi e dimostrazioni vari

INTEGRALI INDEFINITI e DEFINITI Esercizi risolti

Modello di crescita tumorale di Gompertz

1 Portofoglio autofinanziante

DIFFERENZIAZIONE. Sia f una funzione reale di variabile reale con dominio un intervallo. Se f è derivabile in un punto x 0, allora: f(x) f(x 0 ) lim

RICHIAMI MATEMATICI. x( t)

Massimi e minimi vincolati

Mattia Zanella

SPAZI METRICI COMPLETI

Equazioni differenziali ordinarie (ODE) lineari del secondo ordine a coefficienti costanti

Esercizio (tratto dal Problema 1.6 del Mazzoldi)

NOTE DI ALGEBRA LINEARE v = a 1 v a n v n, w = b 1 v b n v n

Analisi Matematica II (Prof. Paolo Marcellini)

Esercizi di Analisi Reale

Funzioni implicite - Esercizi svolti

y (b) f(x, y) = y log x sin x (c) f(x, y) = tan y (d) f(x, y) = e x y (f) f(x, y) = cos(x 2 + y 2 )

Lo studio dell evoluzione libera nei sistemi dinamici

x =0 x 1 x 2 Esercizio (tratto dal Problema 1.4 del Mazzoldi)

Primitive e Integrali Indefiniti

Corso di Analisi Numerica

7. Equazioni differenziali

Integrali indefiniti fondamentali. Integrali indefiniti riconducibili a quelli immediati. a dx ax c. log. e dx e c. cos xdx senx c.

Cinematica: derivate e integrali che ci servono: appunti

Complementi di Analisi Matematica Ia. Carlo Bardaro

Modello Black-Scholes

Raggiungibilità, Controllabilità, Osservabilità e Determinabilità

= 0, y(x, t) < M, e ove 0 < x < L. Poniamo y = X(x) T (t) d 2 X dx 2 = 1. d 2 T dt 2 = κ2 ; v 2 T. dt 2 + v2 κ 2 T = 0.

Analisi Matematica II Corso di Ingegneria Gestionale Compito del f(x, y) = log(1 + x 2 y) lim x 2 x

ESERCIZI SUI PUNTI DI NON DERIVABILITÀ TRATTI DA TEMI D ESAME

Capitolo 1. Gli strumenti. 1.1 Relazioni

Esercizi di prove scritte di Analisi Matematica I con schema di soluzione Paola Loreti. April 5, 2006

Università degli Studi della Calabria Facoltà di Ingegneria. 17 luglio 2012

Derivazione numerica. Introduzione al calcolo numerico. Derivazione numerica (II) Derivazione numerica (III)

1 Ampliamento del piano e coordinate omogenee

SERIE NUMERICHE FAUSTO FERRARI

a) Determinare il dominio, i limiti agli estremi del dominio e gli eventuali asintoti di f. Determinare inoltre gli zeri di f e studiarne il segno.

Integrali inde niti. F 2 (x) = x5 3x 2

A.A CORSO DI ALGEBRA 1. PROFF. P. PIAZZA, E. SPINELLI. SOLUZIONE ESERCIZI FOGLIO 5.

Reti nel dominio delle frequenze. Lezione 10 2

2. Calcolare l area della regione Ω contenuta nel primo quadrante, delimitata dalle seguenti curve. : y = x 2 + x γ 2 : y = x 2 γ 3 : y = 1 x 2.

TEORIA DEI SISTEMI SISTEMI LINEARI

Definizione algebrica di integrale: l'integrale indefinito

2. la ricerca di funzioni che hanno una derivata assegnata.

Esempi di soluzione di equazioni differenziali mediante serie di potenze

ALGEBRA I: ASSIOMI DI PEANO E PROPRIETÀ DEI NUMERI NATURALI

Corso di laurea in Ingegneria civile - ambientale - edile Prova scritta del 3 febbraio Regole per lo svolgimento

APPENDICE 1 CAMPI CONSERVATIVI CIRCUITAZIONE DI UN VETTORE LUNGO UNA LINEA CHIUSA CORRENTE DI SPOSTAMENTO

ALGEBRE DI BOOLE. (d) x, y X x y oppure y x.

Integrale indefinito

ANALISI MATEMATICA III ELM+TEM A.A Traccia della lezione del 27 aprile 2012

Esercizi 2, 1. continuo. Modelli in equazioni di stato Linearizzazione. Prof. Thomas Parisini. Fondamenti di Automatica

Calcolo integrale. Regole di integrazione

9. CALCOLO INTEGRALE: L INTEGRALE INDEFINITO

definita e continua in

NOTE SULLE FUNZIONI CONVESSE DI UNA VARIABILE REALE

LEZIONE 12. v = α 1 v α n v n =

STUDIO DI UNA FUNZIONE INTEGRALE. Z x. ln t ln t 2 2 dt. f(x) =

ESERCIZI DI EQUAZIONI DIFFERENZIALI - FOGLIO N. 4

Parte 8. Prodotto scalare, teorema spettrale

Classificazione Singolarità isolate, Serie di Laurent, Residui, Teorema dei residui e applicazioni

8. Completamento di uno spazio di misura.

1 Equazioni Differenziali

Ancora sui criteri di divisibilità di Marco Bono

INTEGRALI Test di autovalutazione

Esercizi: circuiti dinamici con generatori costanti

Tracce di soluzioni di alcuni esercizi di matematica 1 - gruppo 76-93

ANALISI MATEMATICA PER IL CdL IN INFORMATICA ESERCIZI SULLE DISEQUAZIONI

variabili. se i limiti esistono e si chiamano rispettivamente derivata parziale rispetto ad x e rispetto ad y.

Massimi e minimi relativi in R n

1.4 PRODOTTI NOTEVOLI

Teorema delle Funzioni Implicite

Il problema di Cauchy

Politecnico di Milano Ingegneria Industriale Analisi e Geometria 1 Secondo compito in itinere 3 Febbraio 2014

2. discutere il comportamento dell accelerazione e della tensione nel caso m 1 m 2 ;

DAC Digital Analogic Converter

CALCOLO DEGLI INTEGRALI

Piano cartesiano e retta

SESSIONE SUPPLETIVA QUESTIONARIO QUESITO 1

Sistemi differenziali 2 2: esercizi svolti. 1 Sistemi lineari Stabilità nei sistemi lineari

Derivazione. Lorenzo Pareschi. Dipartimento di Matematica & Facoltá di Architettura Universitá di Ferrara

Pulse Amplitude Modulation (PAM) 2 Scelta delle risposte impulsive dei filtri in trasmissione e ricezione

Esempi. La successione {cos n} è limitata; {n ¾ } è limitata inferiormente ma non è limitata superiormente, quindi non è limitata.

Transcript:

Verso l integrale stocastico Una versione più corretta di è la sua forma integrale ds(t) = σs(t)dx(t) + µs(t)dt S(t) = S() + σs(u)db(u) + µs(u)du Ricordando che S è un processo che descrive la dinamica dei prezzi, B = X è il moto browiano, quello che abbiamo scritto è l integrale di un processo (cioè di una funzione stocastica anziché deterministica) rispetto al moto browniano!

Verso l integrale stocastico Passi l integrale di una funzione aleatoria del tipo X(u)du che possiamo interpretare come il valore di un area che varia al variare della funzione integranda, cioè della traiettoria del processo X. Ma X(u)dB(u) come si interpreta? O più semplicemente, se f è una funzione deterministica, cosa significa f (u)db(u)?

Un passo indietro L integrale stocastico Prendiamo f e g due funzioni, con g derivabile. Si può sempre intendere f (u)dg(u) = f (u)g (u)du Se g non è derivabile, ma ha variazione limitata (ad esempio g(x) = x ), si può sempre calcolare l integrale di f rispetto alla variazione di g come segue n 1 lim n i=1 f (s i )(g(s i+1 ) g(s i )) presi i punti < s 1 < < s i < < s n < t.

Un passo avanti L integrale stocastico Purtroppo se come g prendiamo la traiettoria del moto browniano, si ha che questa è non differenziabile e in più è anche a variazione illimitata (FV t (B) = + ). Servono quindi alcuni condizioni sul nostro processo in modo da compensare il comportamento bizzarro del moto browniano. Torniamo al caso generale e proviamo a definire l integrale stocastico in analogia a quanto visto sopra n 1 X(u)dB(u) = lim X(s i )(B(s i+1 ) B(s i )) n cercando di capire cosa serve i=1

Un passo avanti L integrale stocastico Se X(s i ) è indipendente dall incremento (B(s i+1 ) B(s i )), si ha che E {X(s i )(B(s i+1 ) B(s i ))} 2 =EX 2 (s i )E(B(s i+1 ) B(s i )) 2 =EX 2 (s i ) (s i+1 s i ) quindi, riprendendo la nostra definizione di integrale stocastico e utilizzando la proprietà di indipendenza, abbiamo lim E n { n 1 2 X(s i )(B(s i+1 ) B(s i ))} = i=1 EX 2 (u)du

Un passo avanti L integrale stocastico Infatti E E { n 1 2 X(s i )(B(s i+1 ) B(s i ))} = i=1 { n 1 } X(s i ) 2 (B(s i+1 ) B(s i )) 2 + A = i=1 n 1 EX(s i ) 2 (s i+1 s i ) i=1 dove il termine A contenente i prodotti incrociati è nullo per le proprietà di B.

Integrale stocastico L integrale stocastico Quindi, in definitiva l integrale stocastico esiste se esiste finito EX 2 (u)du e se il X(u) è indipendente da B(s) B(u) (con s > u), ovvero se X è un processo adatto alla filtrazione generata dal moto browniano (diremo semplicemente adattato ). Quando esiste, l integrale stocastico rispetto al moto browniano è definito come precedentemente introdotto.

Ipotesi e contro esempio Abbiamo visto che l esistenza dell integrale stocastico è determinata dalla condizione EX 2 (u)du < Supponiamo di prendere X(s) = s 1 B(s) e verifichiamo la condizione EX 2 (u)du = u 2 EB 2 (u)du = u 2 udu = u 1 du = ln t ln = Se invece scegliamo come X(s) = B(s) allora la condizione è rispettata EB 2 (u)du = udu = t2 2 <

ancora sulle ipotesi L integrale stocastico Oltre alla condizione di integrabilità sul momento secondo della funzione integranda, c è anche quella sulla adattabilità del processo integrando alla filtrazione del moto browniano. As esempio, un processo del tipo X(s) = B(s + 1) non è più un processo adattato. Inoltre, nella definizione si è scelto di calcolare il processo integrando nel punto iniziale di ciascun intervallo (s i, s i+1 ). Se invece avessimo scelto di procedere, come si fa per l integrale ordinario, prendendo il punto centrale dell intervallo, avremmo ottenuto il seguente integrale di Stratonovich n 1 X(u)dB(u) = lim X n i=1 ( si + s i+1 2 ) (B(s i+1 ) B(s i )) che rispetta le regole ordinarie di calcolo integrale ma non può essere utilizzato in finanza poiché viene meno l ipotesi di adattabilità.

Proprietà dell integrale stocastico E Var X(s)dB(s) = X(s)dB(s) = adb(s) = a EX 2 (s)ds db(s) = ab(t) (ax(s) + Y (s))db(s) = a X(s)dB(s) + Y (s)db(s)

Esempio di calcolo L integrale stocastico Proviamo a calcolare direttamente l integrale stocastico del tipo T B(s)dB(s). Con alcuni passaggi algebrici si può mostrare che 1 n 1 (B(s i+1 ) B(s i )) 2 = 1 2 2 B(t n) 2 j= n 1 B(s i )(B(s i+1 ) B(s i )) j= noi dobbiamo calcolare il limite per n di n 1 B(s i )(B(s i+1 ) B(s i )) = 1 2 B(t n) 2 1 n 1 (B(s i+1 ) B(s i )) 2 2 i=1 che sarà pari a j= 1 2 B2 (t) 1 2 [B, B](t) = 1 2 B2 (t) 1 2 t

Verso la formula di Ito Quindi B(s)dB(s) = 1 2 B2 (t) 1 2 t mentre, per l integrale classico, presa f deterministica, con f () = come per il moto browniano, si ottiene f (s)df (s) = f (s)f (s)ds = 1 2 f 2 (t) Le due formule differiscono perché in quella dell integrale stocastico vi è un termine correttivo in più rispetto a quella dell integrale ordinario.

Verso la formula di Ito Quindi B(s)dB(s) = 1 2 B2 (t) 1 2 t mentre, per l integrale classico, presa f deterministica, con f () = come per il moto browniano, si ottiene f (s)df (s) = f (s)f (s)ds = 1 2 f 2 (t) Le due formule differiscono perché in quella dell integrale stocastico vi è un termine correttivo in più rispetto a quella dell integrale ordinario.

Outline L integrale stocastico 1 L integrale stocastico

Verso la formula di Ito Una versione generale del risultato precedente è fornita dal lemma (o formula) di Ito, che è l equivalente della formula di Taylor per i processi. In realtà è molto di più in quanto permette di calcolare gli integrali stocastici anche di funzioni di moti browniani (come il valore delle opzioni) del tipo f (B(t)).

Se prendiamo f e g differenziabili, possiamo sempre scrivere e quindi ovvero d dt f (g(t)) = f (g(t))g (t) f (g(t)) = f (g()) + f (g(s))g (s)ds f (g(t)) = f (g()) + f (g(s))dg(s)

Lemma di Ito per il moto browniano Sostituendo a g il moto browniano B si avrebbe f (B(t)) = f () + f (B(s))dB(s) ma la formula precedente non è corretta. Si dimostra invece che f (B(t)) = f () + f (B(s))dB(s) + 1 f (B(s))ds 2 fatte salve alcune condizioni di regolarità su f.

Esempio L integrale stocastico Supponiamo di avere f (x) = x 2 e di voler calcolare f (B(t)). Dalla formula di Ito f (B(t)) = f (B()) + otteniamo da cui si ricava f (B(s))dB(s) + 1 2 B 2 (t) = 2 + 2B(s)dB(s) + 1 2ds 2 B(s)dB(s) = 1 2 B2 (t) 1 2 t f (B(s))ds

formula di Ito e integrale stocastico Come si vede, la formula di Ito è molto utile per calcolare l integrale stocastico. Infatti, la definizione dell integrale stocastico non è particolarmente operativa ai fini del calcolo dell integrale stesso!

Lemma di Ito: forma differenziale La formula di Ito f (B(t)) = f (B()) + f (B(s))dB(s) + 1 2 f (B(s))ds può essere vista come la versione integrale dello sviluppo di Taylor di f (B(t)) arrestato al secondo ordine, infatti df (B(t)) = f (B(t))dB(t) + 1 2 f (B(t))(dB(t)) 2 + resto

Introduciamo la seguente notazione f (t, x) t = f t (t, x) f (t, x) x = f x (t, x) 2 f (t, x) x 2 = f xx (t, x)

Lemma di Ito per processi più generali Per i processi che possono essere scritti nella forma X(t) = x + Y (s)db(s) + Z (s)ds con Y e Z due processi integrabili rispetto a B, si ha che f (t, X(t)) =f (, x) + Y (s)f x (s, X(s))dB(s) + f t (s, X(s)) + Z (s)f x (s, X(s)) + 1 2 Y 2 (s)f xx (s, X(s))ds

Lemma di Ito: forma differenziale La formula precedente, che risulta piuttosto ostica, permette di fatto di lavorare con qualsiasi modello di dinamica dei prezzi. La sua forma differenziale meno impressionante è la seguente df (t, X(t)) =f t (t, X(t))dt + f x (t, X(t))dX(t) + 1 2 f xx(t, X(t))(dX(t)) 2 che non è altro se non lo sviluppo in serie di Taylor di f (t, X(t)) nell intorno del punto f (, X()).

Processo di Ornstein-Uhlenbeck Il processo di OU è della forma U(t) = e λ(t s) db(s) Come possiamo ricavarne la dinamica? Attraverso il lemma di Ito nella sua forma differenziale. Dobbiamo riscrivere U(t) nella forma X(t) = X() + Y (s)db(s) + Z (s)ds e cercare una opportuna funzione f (t, x) per applicare il lemma. Poniamo f (t, x) = e λt x, X(t) = Y (s) = e λs Z (s) = Y (s)db(s)

Processo di Ornstein-Uhlenbeck Quindi f t (t, x) = t e λt x = λe λt x ovvero applicando abbiamo f t (t, x) = x e λt x = e λt f tt (t, x) = 2 x 2 e λt x = df (t, X(t)) =f t (t, X(t))dt + f x (t, X(t))dX(t) + 1 2 f xx(t, X(t))(dX(t)) 2 du(t) = λe λt X(t)dt + e λt dx(t) + 1 2 (dx(t))2

Processo di Ornstein-Uhlenbeck Ricordando che e che abbiamo posto dx(t) = e λt db(s) U(t) = e λt X(t) da otteniamo du(t) = λe λt X(t)dt + e λt dx(t) du(t) = λu(t)dt + db(t)

Esercizi L integrale stocastico 1) Dimostrare che: 2) Calcolare: sdb(s) = tb(t) B(s)ds B 2 (s)db(s) 3) Si utilizzi il lemma di Ito per scrivere le e.d.s. che governano i processi a) X(t) = B 2 (t) b) X(t) = 2 + t + e B(t)

Formula di integrazione per parti Sia f = f (s) non dipendente da ω, f continua e a variazione limitata su [, t]. Allora, vale la seguente formula di integrazione per parti f (s)db(s) = f (t)b(t) B(s)df (s) [ ] Di cui l esercizio 1) è un caso particolare