Unifying Theory
เชื่อมสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยกับค่าคาดหวัง แล้วปิดภาพด้วยความสัมพันธ์ No-arbitrage ระหว่างออปชันยุโรปและอเมริกัน
สูตรไฟย์นมัน-แคตซ์ (Feynman-Kac Formula)
สูตรไฟย์นมัน-แคตซ์ พัฒนาจากงานของ ริชาร์ด ไฟย์นมัน (Richard Feynman) (Feynman 1948) และ มาร์ก แคตซ์ (Mark Kac) (Kac 1949) เป็นสะพานเชื่อมระหว่างสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยแบบพาราโบลา (parabolic partial differential equation) กับค่าคาดหวังบนกระบวนการสุ่ม วิธีนี้ลดความซับซ้อนของ PDE โดยเปลี่ยนปัญหาให้อยู่ในรูปค่าคาดหวังของฟังก์ชันบนวิถี (trajectory) ของสมการเชิงอนุพันธ์สโทแคสติก (Stochastic Differential Equation) แล้วหาย้อนกลับจากเงื่อนไขปลายทาง (Terminal condition) ที่ทราบ ข้อจำกัดสำคัญคือใช้ได้เมื่อตัวดำเนินการ (operator) ยังคงคุณสมบัติเชิงเส้น (linear) เท่านั้น
Definition 22 (PDE แบบพาราโบลาและตัวกำเนิดเชิงอนุพันธ์). สมการเชิงอนุพันธ์ย่อยอันดับสองในรูป
Definition 23 (ตัวดำเนินการเชิงเส้นและฟังก์ชันตัวชี้บ่ง). ตัวดำเนินการ A\mathcal{A} เป็นเชิงเส้นถ้า A(au+bv)=a Au+b Av\mathcal{A}(a u + b v) = a\,\mathcal{A}u + b\,\mathcal{A}v สำหรับค่าคงที่ a,ba,b ใด ๆ และฟังก์ชัน u,vu,v ที่หาอนุพันธ์ได้พอเพียง; ฟังก์ชันตัวชี้บ่ง (indicator function) นิยามโดย 1A(x)=1\mathbf{1}_{A}(x) = 1 เมื่อ x∈Ax\in A และ 00 เมื่ออื่น ๆ ใช้สำหรับแยกบริเวณเงื่อนไข เช่น เขียนผลตอบแทนออปชันซื้อเป็น (S−K)1{S>K}(S-K)\mathbf{1}_{\{S>K\}}.
Theorem 24 (สูตรไฟย์นมัน-แคตซ์ รูปทั่วไป). ให้ u(x,t)u(x,t) เป็นผลเฉลยของ (5.1) ภายใต้เงื่อนไขปลายทาง u(x,T)=g(x)u(x,T)=g(x) โดยกระบวนการอ้างอิงเป็นไปตาม dXs=μ(Xs,s)ds+σ(Xs,s)dWs\mathrm{d}X_s = \mu(X_s,s)\mathrm{d}s + \sigma(X_s,s)\mathrm{d}W_s, Xt=xX_t=x แล้ว
Proof. นิยามกระบวนการที่คิดลด Ys=e−∫tsr(Xv,v)dvu(Xs,s)+∫tse−∫tvrf(Xv,v)dvY_s = \mathrm{e}^{-\int_t^s r(X_v,v)\mathrm{d}v}u(X_s,s) + \int_t^s \mathrm{e}^{-\int_t^v r}f(X_v,v)\mathrm{d}v. ใช้เล็มมาของอิโตกับ u(Xs,s)u(X_s,s) ร่วมกับตัวประกอบคิดลด แล้วรวมพจน์ที่เป็น ds\mathrm{d}s
Corollary 25 (แบล็ก-โชลส์ที่มีพารามิเตอร์ขึ้นกับเวลา). สำหรับแบบจำลองแบล็ก-โชลส์ที่มีอัตราดอกเบี้ย r(t)r(t) อัตราปันผล q(t)q(t) และความผันผวน σ(t)\sigma(t) ขึ้นกับเวลา (แต่ไม่ขึ้นกับราคา) สูตรไฟย์นมัน-แคตซ์ให้ราคาออปชันซื้อในรูปเดียวกับแบล็ก-โชลส์ โดยแทนพารามิเตอร์คงที่ด้วยค่าเฉลี่ยเชิงปริพันธ์
Proof. เนื่องจากพารามิเตอร์ขึ้นกับเวลาแต่เป็นฟังก์ชันกำหนด (deterministic) การอินทิเกรต ∫tTr(s)ds=rˉτ\int_t^T r(s)\mathrm{d}s = \bar r\tau เป็นค่าคงที่ กระบวนการล็อกราคายังเป็นเกาส์เซียนที่มีค่าเฉลี่ย (rˉ−qˉ−12σˉ2)τ(\bar r-\bar q-\tfrac12\bar\sigma^2)\tau และความแปรปรวน σˉ2τ\bar\sigma^2\tau แทนใน (5.2) ด้วย g(S)=(S−K)+g(S)=(S-K)^+ แล้วดำเนินการเช่นเดียวกับผลสืบเนื่อง 8 โดยใช้ตัวชี้บ่ง 1{ST>K}\mathbf{1}_{\{S_T>K\}} ได้ผลลัพธ์. ◻
Remark 26. ตัวดำเนินการ (operator) ทำหน้าที่ให้เกิดพลวัต (evolution) ของระบบที่สนใจ โดยการนำไปกระทำกับฟังก์ชัน กล่าวได้ว่าตัวดำเนินการทำหน้าที่เป็นตัวกำเนิด (generator) ของพลวัตต่าง ๆ ความเป็นเชิงเส้นของ A\mathcal{A} คือเงื่อนไขที่ทำให้ไฟย์นมัน-แคตซ์ใช้ได้ หาก PDE ไม่เป็นเชิงเส้น (เช่น แบบจำลองที่มีต้นทุนธุรกรรมของเลอลันด์ หรือแบบจำลองความผันผวนไม่แน่นอนแบบแบล็ก-โชลส์-บาเรนบลัตต์) การแทนด้วยค่าคาดหวังอย่างง่ายจะไม่เป็นจริง ทั้งนี้พึงสังเกตว่าแบบจำลองความผันผวนสุ่ม เช่น เฮสตัน ยังคงให้ PDE เชิงเส้น (เพียงแต่มีมิติสูงขึ้น) จึงยังใช้ไฟย์นมัน-แคตซ์ได้.
ฟังก์ชันกรีน (Green Function)
ฟังก์ชันกรีน (Green function) เป็นเครื่องมือเชิงวิเคราะห์ที่ให้ผลเฉลยของ PDE เชิงเส้นในรูปปริพันธ์ของเงื่อนไขปลายทาง แนวคิดคือหาผลเฉลยพื้นฐาน (fundamental solution) ที่ตอบสนองต่อแรงกระตุ้นแบบจุด (point source) แล้วซ้อนทับ (superpose) ด้วยหลักการเชิงเส้น
Definition 27 (ฟังก์ชันกรีน / ผลเฉลยพื้นฐาน). ฟังก์ชันกรีน G(x,t;y,T)G(x,t;y,T) ของตัวดำเนินการ (5.1) (กรณี f=0f=0) คือผลเฉลยของ
Theorem 28 (การแทนด้วยฟังก์ชันกรีน). ผลเฉลยของ (5.1) (กรณี f=0f=0) ที่มีเงื่อนไขปลายทาง u(x,T)=g(x)u(x,T)=g(x) เขียนได้เป็น
Proof. ความเป็นเชิงเส้นของตัวดำเนินการทำให้ผลรวม (integral superposition) ของผลเฉลยพื้นฐานเป็นผลเฉลยด้วย ตรวจสอบเงื่อนไขปลายทางโดยให้ t↑Tt\uparrow T แล้ว G→δ(x−y)G\to\delta(x-y) ทำให้ u(x,T)=∫δ(x−y)g(y)dy=g(x)u(x,T)=\int\delta(x-y)g(y)\mathrm{d}y = g(x) ตามต้องการ. สำหรับแบล็ก-โชลส์ เปลี่ยนตัวแปรเป็น ξ=lnS\xi=\ln S แปลง PDE (2.2) ให้เป็นสมการความร้อนที่มีสัมประสิทธิ์คงที่ (หลังดูดพจน์ดริฟท์และพจน์ −ru-ru) ผลเฉลยพื้นฐานของสมการความร้อนคือเคอร์เนลเกาส์ ให้ (5.6). แทนใน (5.5) ด้วย g(S)=(S−K)+g(S)=(S-K)^+ จะได้สูตรแบล็ก-โชลส์กลับคืน ซึ่งสอดคล้องกับผลจากไฟย์นมัน-แคตซ์ในผลสืบเนื่อง 25 แสดงให้เห็นความเท่าเทียมกันของมุมมองเชิง PDE (กรีน) และเชิงความน่าจะเป็น (ไฟย์นมัน-แคตซ์). ◻
ความสัมพันธ์ระหว่างออปชันแบบยุโรปและแบบอเมริกัน
ท้ายที่สุดเราแสดงความสัมพันธ์เชิงไร้การเก็งกำไรระหว่างออปชันสองประเภท ผลลัพธ์เหล่านี้เป็นเหตุผลว่าเหตุใดวิธีประมาณในบท American Approximations จึงเริ่มจากราคาออปชันยุโรปแล้วบวกส่วนเพิ่ม
Proposition 29 (ออปชันอเมริกันมีค่าไม่ต่ำกว่ายุโรป). สำหรับออปชันชนิดเดียวกันที่มี K,TK,T เท่ากัน CA≥CEC_A \ge C_E และ PA≥PEP_A \ge P_E เสมอ.
Proof. เซตของกลยุทธ์การใช้สิทธิของออปชันอเมริกัน (เวลาหยุด τ∈[t,T]\tau\in[t,T] ใด ๆ) ครอบคลุมกลยุทธ์ของยุโรป (บังคับ τ=T\tau=T) เป็นเซตย่อย ดังนั้นซูพรีมัมใน (1.3) ย่อมไม่ต่ำกว่าค่าเฉพาะใน (1.2) เชิงการเก็งกำไร หากสมมติว่า CA<CEC_A < C_E ผู้ลงทุนสามารถซื้ออเมริกัน ขายยุโรป ได้กำไรทันทีโดยไม่มีความเสี่ยง (เพราะสิทธิของอเมริกันเหนือกว่า) ซึ่งขัดกับหลักไร้การเก็งกำไร. ◻
Theorem 30 (ออปชันซื้อแบบอเมริกันบนหุ้นไม่จ่ายปันผลเท่ากับแบบยุโรป). ถ้าสินทรัพย์อ้างอิงไม่จ่ายปันผลระหว่างช่วงชีวิตของออปชัน และ r≥0r\ge 0 แล้วการใช้สิทธิออปชันซื้อแบบอเมริกันก่อนกำหนดไม่เคยเหมาะสม ดังนั้น CA=CEC_A = C_E.
Proof. จากขอบเขตล่างของราคาออปชันซื้อยุโรป (no-arbitrage lower bound) เรามี
พิจารณาเวลาหยุด τ∈T[t,T]\tau\in\mathcal{T}_{[t,T]} ใด ๆ นำอสมการข้างต้น ณ เวลา τ\tau มาใช้ได้ (Sτ−K)+≤CE(Sτ,τ)(S_\tau-K)^+ \le C_E(S_\tau,\tau) และเนื่องจากกระบวนการราคายุโรปที่คิดลด e−rsCE(Ss,s)\mathrm{e}^{-rs}C_E(S_s,s) เป็นมาร์ทิงเกลภายใต้ Q\mathbb{Q} (เพราะเป็นค่าคาดหวังแบบมีเงื่อนไขของผลตอบแทนคิดลดที่ตายตัว) ทฤษฎีบทการสุ่มหยุดเหมาะสม (optional sampling) ให้
Remark 31. สำหรับออปชันขายแบบอเมริกัน ผลลัพธ์ต่างออกไป เพราะขอบเขตล่าง PE≥Ke−r(T−t)−StP_E \ge K\mathrm{e}^{-r(T-t)} - S_t อาจต่ำกว่ามูลค่าการใช้สิทธิทันที K−StK - S_t เมื่อออปชันอยู่ในเงินลึก ทำให้การใช้สิทธิก่อนกำหนดอาจเหมาะสม จึงเกิดส่วนเพิ่ม PA>PEP_A > P_E อย่างแท้จริง และเป็นเหตุผลที่ต้องอาศัยวิธีเชิงต้นไม้หรือวิธีประมาณเชิงวิเคราะห์ในบท American Approximations สำหรับกรณีนี้.
บทสรุป (Conclusion)
บทความนี้ได้ทบทวนพัฒนาการของแบบจำลองการกำหนดราคาออปชันอย่างเป็นระบบ เริ่มจากแบบจำลองบาเชอลิเยที่รองรับราคาติดลบ ไปสู่แบล็ก-โชลส์-เมอร์ตันและแบล็ก-76 สำหรับสัญญาที่ต่างชนิดกัน ในส่วนของออปชันแบบอเมริกันเราได้แสดงแบบจำลองเชิงต้นไม้ทั้งทวินามและไตรนามพร้อมบทพิสูจน์การลู่เข้าสู่แบล็ก-โชลส์ด้วยทฤษฎีบทลิมิตกลาง และยืนยันอัตราการลู่เข้าเชิงคำนวณ ตลอดจนวิธีประมาณเชิงวิเคราะห์ของบาโรเน-อาเดซี-เวลีย์และบเยิร์กซุนด์-สเตนสลันด์ สุดท้ายเราได้ร้อยเรียงแบบจำลองเหล่านี้เข้ากับเครื่องมือเชิงทฤษฎีคือสูตรไฟย์นมัน-แคตซ์และฟังก์ชันกรีน ซึ่งแสดงความเท่าเทียมกันระหว่างมุมมองเชิงความน่าจะเป็นและเชิงสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย พร้อมทั้งพิสูจน์ความสัมพันธ์ไร้การเก็งกำไรระหว่างออปชันแบบยุโรปและอเมริกัน
Amin, Kaushik, and Ajay Khanna. 1994. “Convergence of American Option Values from Discrete- to Continuous-Time Financial Models.” Mathematical Finance 4 (4): 289–304. https://doi.org/10.1111/j.1467-9965.1994.tb00059.x.
Bachelier, Louis. 1900. “Théorie de La Spéculation.” Annales Scientifiques de l’École Normale Supérieure 17: 21–86. https://doi.org/10.24033/asens.476.
Barone-Adesi, Giovanni, and Robert E. Whaley. 1987. “Efficient Analytic Approximation of American Option Values.” The Journal of Finance 42 (2): 301–20. https://doi.org/10.1111/j.1540-6261.1987.tb02569.x.
Bjerksund, Petter, and Gunnar Stensland. 1993. “Closed-Form Approximation of American Options.” Scandinavian Journal of Management 9: S87–99. https://doi.org/10.1016/0956-5221(93)90009-H.
Black, Fischer. 1976. “The Pricing of Commodity Contracts.” Journal of Financial Economics 3 (1–2): 167–79. https://doi.org/10.1016/0304-405X(76)90024-6.
Black, Fischer, and Myron Scholes. 1973. “The Pricing of Options and Corporate Liabilities.” Journal of Political Economy 81 (3): 637–54. https://doi.org/10.1086/260062.
Boyle, Phelim P. 1986. “Option Valuation Using a Three-Jump Process.” International Options Journal 3: 7–12.
CME Group. 2020a. Advisory Notice #20-152: CME Clearing Plan to Address the Potential of a Negative Underlying in Certain Energy Options Contracts. CME Group Advisory.
CME Group. 2020b. Advisory Notice #20-171: Switch to Bachelier Options Pricing Model – Effective April 22, 2020. CME Group Advisory.
Cox, John C., Stephen A. Ross, and Mark Rubinstein. 1979. “Option Pricing: A Simplified Approach.” Journal of Financial Economics 7 (3): 229–63. https://doi.org/10.1016/0304-405X(79)90015-1.
Feynman, Richard P. 1948. “Space-Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics.” Reviews of Modern Physics 20 (2): 367–87. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.20.367.
Hull, John C. 2018. Options, Futures, and Other Derivatives. 10th ed. Pearson.
Kac, Mark. 1949. “On Distributions of Certain Wiener Functionals.” Transactions of the American Mathematical Society 65 (1): 1–13. https://doi.org/10.2307/1990512.
Karatzas, Ioannis, and Steven E. Shreve. 1991. Brownian Motion and Stochastic Calculus. 2nd ed. Vol. 113. Graduate Texts in Mathematics. Springer. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0949-2.
Merton, Robert C. 1973. “Theory of Rational Option Pricing.” The Bell Journal of Economics and Management Science 4 (1): 141–83. https://doi.org/10.2307/3003143.
Shreve, Steven E. 2004. Stochastic Calculus for Finance II: Continuous-Time Models. Springer Finance. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-4296-1.