鞍山师范学院学报 Journal ofAnshan Normal e 20 1 6-08,1 8(4):1—5 时变波动率和随机利率模型下的动态投资研究 孙瑞娇,杜晓婷 (山东科技大学数学与系统科学学院,山东青岛266590) 摘要在金融市场中,假设风险资产价格的波动率随时间的变化而变化,它的函数表达式由随机环境下 的波动率去掉随机项的部分确定,无风险利率是随机的,用Hull-White随机利率模型来刻画,根据动态规 划中的Bellman最优性原理,建立了基于幂效用函数的风险资产和无风险资产的动态投资组合模型,给出 了使期望效用最大化的最优投资策略. 关键词 时变波动率;Hull—White随机利率模型;动态投资组合;Bellman最优性原理;期望效用最大化 中图分类号F832.48;0211.6 文献标识码A 文章篇号1008-2441(2016)04—0001・05 投资组合是投资者将资金投资于风险资产和无风险资产的组合,它的目的在于分散风险,使终端财 富最大化.自Markowitz提出分散投资和效率投资组合理论l1,2J以来,在最优投资组合问题上出现了许 多显著的研究成果,尤其是波动率随机化或无风险利率随机化下的投资组合.对于随机利率下的投资组 合,国内外学者大部分研究了Ho—Lee随机利率模型、Vasicek随机利率模型或Cox.Ingersoll-Ross(CIR) 随机利率模型l 3 ̄6j下的投资组合问题,而很少与具体的时变波动率或随机波动率结合来研究投资组合 问题. Hull—White随机利率模型作为Ho.Lee随机利率模型的推广模型,比其它随机利率模型能更好地匹 配当前的利率期限结构,并且它所描述的利率过程是一个无套利的Markov过程[7~11 J,具有较好的性 质和研究价值.对于风险资产价格的波动率,有一种随机波动率,其过程遵循几何布朗运动,可以保证波 动率的非负性【l2 J.不确定性下的理性决策有3种准则:一是数学期望最大化准则,二是期望效用准则, 三是后期望效用准则.20世纪5O年代,Von Neumann和Morgenstern提出了期望效用函数理论,针对金 融市场中的投资组合问题,依据期望效用准则,在不确定的情况下,为了最大化期望效用,必须事先做出 适当的投资决策L 13,l4 J. 本文在常浩【l5 J提出的Ho—Lee利率模型下的动态投资组合的基础上,采用Ho.eLe利率的推广模 型——Huu—White随机利率模型,并与具体的时变波动率相结合,研究动态投资组合问题.应用期望效用 函数理论,建立了幂效用函数下的动态投资组合模型,并给出了最优投资策略的显示表达式. 1投资组合模型 假定投资者选择了金融市场中的两种资产进行投资,一种是无风险资产,比如通常情况下的债 券,另一种是风险资产,比如股票或衍生金融产品,投资周期为[0,T].用P(t),S(t)分别表示无风险 资产和风险资产在t时刻的价格,它们的价格过程对应着下面的2个方程: 』{ P ()t ~’z, (()1) 【P(0)=1, 收稿日期2016-04-21 作者简介孙瑞娇(1991一),女,山东聊城人,山东科技大学数学与系统科学学院硕士研究生 2 鞍山师范学院学报 第18卷 』 ㈩+r(圳¨ ㈤, (2) 【s(0):So>0, 其中,r(t)为t时刻的无风险利率,A(t)为风险资产在t时刻的风险溢价, (t)为风险资产价格在t时 刻的波动率,B(t)为一维的标准布朗运动. 先考虑一种遵循几何布朗运动的随机波动率 (t),它满足如下的随机微分方程: : or(t) +叩aB(f), (3) (0)= 0>0. 根据ho公式口J以得剑 ㈤= oexp 一 ㈤】. 假设风险资产价格的波动率 (£)是一个时变函数,去掉 ( )带有随机项的部分,记 )=troexp 一 2 其中, 。为风险资产价格在0时刻的波动率,卢,叼为常数. 对于无风险利率r(t)。假定它是随机的.应用Hul1.White随机利率模型.满足的随机微分方程如下: fdr(£)=[ ( )一 ( )r(f)】d + dB( ), 【r(0)=r0, (4) 则可得: 其中,O(t), (t)是确定的时变函数,or,是常数,B(t)是一维布朗运动,并且dB(t)= P(t)dB(t),Jdr(f)=[ ( )一 ( )r( )】dt+ rp(t)d日( ), 【r(0)= (5) 另外,令Y(t)为t时刻投资者的总财富, (t)为t时刻投资者投资于风险资产的额度占总财富的 比例,本文也称其为投资策略,则1一 (t)为t时刻投资者投资于无风险资产的比例.可以得到财富过程 {y( ),t∈[0,T])满足的随机微分方程是: ㈤】y( ) 州帆) , 【Y(0)=Yo>0, 结合式(1)、(2)得到: [dY(t)=[A(t) (t)+r(t)]Y(t)dt+ (t)Y(t) (t)dB(t), I Y(0)=Yo. (5) 在可行投资策略所组成的集合D={ (t),t∈[0,T])内,投资者希望可以找到一种使期末财富的 期望效用最大化的投资策略.假定投资者是理性的,即厌恶风险的,用幂效用函数 ( ): q ,q≠0,g<1, 来刻画.于是建立以下的动态投资组合模型: …Ef 1 t.dY(£) [A( ) ( )+,( )】l,( )df+ ( )l,( ) (£)d曰(£), .(7) l,(0)=Yo>0. 第4期 孙瑞娇,等:时变波动率和随机利率模型下的动态投资研究 3 2最优投资策略 上文定义的幂效用函数在投资周期[O,71]内是一个光滑的严格凹函数,并且—dU (y):yq-t>0, d2 U(y)—=(g一1)y <。,根据凹函数的性质,存在唯一的最优投资策略 +(£)使得模型中的期望效用 最大. 定义值函数 (t,r,y)= s u p E []z(t),Lgl r(£)=r,l,(t)=),], (8) r,y)一. q 结合式(5)、(6),根据Bellman最优性原理 ,值函数 (£,r,y)对应下面的HJB方程 { +[A( ) ( )+r】), +[ ( )一 ( )r] + + I, +(9) ro p(£) (t)yx(t) )=0, 其中, , , , , , 分别是I,(f,r,y)关于t,r,Y的一阶偏导与二阶偏导数.对式(9)左边大括号 内的部分关于 (t)求偏导数,由于是凹规划问题,一阶最优性条件也是充分条件.进而由一阶最优性条 件得: A(t)yV ̄+ (t)y (t)+ P(t)Or(t)y =0, (10) 从而得最优解 O'rp(t) V ̄y一 , ) 这是模型的隐式解. 将式(11)代人式(9)可以得到: Ⅷ㈤ 咖】 + + A (t) 2p ( ) A(£) ,p( ) (f) 2 rO(t) =0.(12) 以下定理给出最优投资策略的显示表达式: 定理在时变波动率和Hull—White随机利率模型下,如果效用函数是U(y)= ,g≠0且g<1,则 模型(7)的最优投资策略的显示表达式是 ( )= —二 A( )exp[(7/2- B) 】一 兰 exp[( 一 )t] exp【 (s) 】d后.( 3) 证明 由于U(y)= ,q≠0且q<1,假设值函数 V(t,r,Y)=exp[M(t)r+N(t)] =g(t,r)L,M(T)=N(T)=0, 其中,g(t,r)=exp[M(t)r+N(t)】,则值函数关于t,r,Y的一阶和二阶偏导数为 = 等,g =g,等,g =gy l, =g 鲁,g ’ =(9—1)gyq-2, D一 g, q-1. 将它们代人式(12)可得 4 鞍山师范学院学报 第18卷 {gl+ 其中,记 (£)= 又因为 加一 】gr+ +r一 , ( )= (£).可以得到 一 譬)等-o, 】qg一 警2一o. 咖一 】gr+8 2(t) +r一 g =[rM’( )+N ( )】g,g,=M(t)g,g =M ( )g, 其中,M (t),N (t)分别表示它们关于t的导数,代入式(14)得 删 一 一 芝詈 二 )exp[ (t)r+Ⅳ( )】=0. 消除式(15)对r的依赖性可以得到下面两个方程: M (t)一Ol(t)M(t)+q=0,M(T)=0, Ⅳ ㈤+ 解得 一 卜 ㈣一 -o, . (t)=一q exp【 (s)ds】d , = 所以 : 一 ,一 一 yr. q’ yV= q 1= 1 一 一J Lxp J ~ J叫舨 。 q 又风险资产价格在 时刻的波动率为 ( )=oroexp【(卢一 ) 】,根据式(11)可得 ( ) —二 A( )exp[(叼 一z ) 】一 : exp[( 2一/3)t】 exp[ (s)ds】d . 3小结和展望 在时变波动率和Hull-White随机利率模型下的最优投资策略 (£)与波动率参数卢,叼和随机利率 参数a(t),or,有关,而与随机利率参数O(t)无关.因此波动率与利率共同影响着投资者做何种决策.本 文所建立的动态投资组合模型是在时变波动率和随机利率下建立的,在随机波动率和随机利率下也可 以建立相应的动态投资组合模型,求得最优解. 参考文献 [1]埃尔顿.现代投资组合理论和投资分析[M].6版.北京:中国人民大学出版社,2006. [2]张卫国.现代投资组合理论[M].北京:科学出版社,2007. [3]皮里沃.随机利率模型及相关衍生品定价[M].伟晓,译.天津:南开大学出版社,2010. [4]Hao R,Liu Y,Wang S.Pricing Credit Default Swap under Fractiona/Vasicek Interest Rate Model[J].Journal ofMathematica/ r}r} 第4期 孙瑞娇,等:时变波动率和随机利率模型下的动态投资研究 m 5 Finance,2014,4(1):10-20. Inoue A,Moriuchi s,Nakamura Y.A Vasicek—Type sh0n Rate Model With Memory Effect[J].Stochastic Analysis&Applica— tions,2015,33(6):1068-1082. Alfonsi A.Hish order discretization schemes for the CIR process:Application to affine term stlaleture and Heston models[J]. 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Key words timevarying vo!atility;Hull-White stochastic interest rate model;dynamic portfolio;Bellman prin— ciple of optimality;expected utility maximization (责任编辑:张冬冬)