精品欧式期权定价理论及其数值计算方法毕业论文设计.docx
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精品欧式期权定价理论及其数值计算方法毕业论文设计
毕业论文
欧式期权定价理论及其数值计算方法
摘要
随着全球金融市场的迅猛发展，期权也越来越受到很多人的关注，有必要对期权进行更加深入的研究。
前人已经对欧式期权定价进行了很深入的研究，在1973年FischerBlack和MyronScholes建立了看涨期权定价公式并因此获得诺贝尔学奖。
本文对欧式期权的定价的讨论主要在其定价模型和数值计算方法两个方面，探讨其理论知识和进行实例分析，并得出简单的结论。
本文将从以下六个方面讨论。
第一：
介绍问题的背景和意义，先前的研究成果以及本文框架；第二：
讨论期权的基础知识，了解期权损益和定价界限；第三：
研究二项式模型，由浅入深的分别给出股价运动一期、二期和多期的欧式期权定价公式；第四：
研究Black-Scholes模型，通过求解Black-Scholes方程得到Black-Scholes公式
，并探讨Black-Scholes模型和二项式模型的联系，即得到波动率，就可以求出与之相匹配的二项式模型中的，和；
关键词欧式期权定价 二项式模型 Black-Scholes模型 有限差分 二叉树图
1前言1
1.1选题的背景和意义1
1.2前人的研究成果2
1.3论文的研究框架3
2期权基本理论3
2.1期权的相关术语3
2.2期权的损益与期权价格的界限4
2.2.1期权的损益4
2.2.2欧式期权价格的界限5
3二项式模型6
3.1二项期权定价模型介绍6
3.2欧式期权定价模型7
3.2.1一期模型的欧式看涨期权定价7
3.2.2二期模型的欧式看涨期权定价9
3.2.3多期二项式期权定价公式10
4Black-Scholes模型12
4.1股票价格的行为模式12
4.2历史回顾13
4.3Black-Scholes方程14
4.4Black-Scholes公式（欧式看涨期权的定价）15
4.5二项式模型和Black-Scholes的模型的关系17
5欧式期权定价的数值方法18
5.1二项式模型的数值计算18
5.1.1二叉树图方法18
5.1.2实例分析19
5.2Black-Scholes公式（欧式期权定价）的数值计算23
5.2.1有限差分方法23
5.2.2实例分析26
6总结28
6.1本文结论28
6.2展望未来30
致谢31
参考文献32
Abstract33
附录34
本科专业毕业论文成绩评定表39
1前言
1.1选题的背景和意义
期权交易的出现已达几个世纪之久。
在17世纪30年代的“荷兰郁金香热”时期，郁金香的一些品种堪称欧洲最为昂贵的稀世花卉。
1635年，那些珍贵品种的郁金香球茎供不应求，加上投机炒作，致使价格飞涨20倍，成为最早有记载的泡沫经济。
同时，这股投机狂潮却开启了期权交易的大门。
郁金香交易商向种植者收取一笔费用，授予种植者按约定最低价格向该交易商出售郁金香球茎的权利。
同时，郁金香交易商通过支付给种植者一定数额的费用，以获取以约定的最高价格购买球茎的权利。
这种交易对于降低郁金香交易商和种植者的风险十分有用。
1973年4月，芝加哥期权交易所正式成立，标志着期权交易进入了标准化、规范化的全新发展阶段。
芝加哥期权交易所先后推出了股票的买权（CallOptions）和卖权（PutOptions）都取得了成功。
之后，美国商品期货交易委员会放松了对期权交易的限制，有意识地推出商品期权交易和金融期权交易。
1982年，作为试验计划的一部分，芝加哥期货交易所推出了长期国债期货的期权交易。
1983年1月，芝加哥商业交易所推出了S&P500股票指数期权，随着股票指数期权交易的成功，各交易所将期权交易迅速扩展至其它利率外汇等金融品种上。
1984年到1986年间，芝加哥期货交易所先后推出了大豆、玉米和小麦等品种的期货期权。
除美国之外，全球有影响的期权市场还有欧洲期货交易所（Eurex）、伦敦国际金融期货期权交易所（Liffe）、香港交易所（Hkex）、韩国期货交易所（Kofex）等。
期权市场无论从品种上还是地域上都获得了长足的发展。
2000年以来，全球期权交易发展更为迅猛。
美国期货业协会（FututesIndustryAssociation，FIA）的统计数据表明，2001年至2003年，全球期权的交易量连续超过了期货。
2003年全球期货与期权交易量为81亿手，其中期权51亿手，增长率为32％，期权市场呈现出良好的发展态势和前景。
2003年分资产的成交量统计表明，股指、利率、股票与农产品的期货与期权交易量排名靠前。
韩国的Kospi200指数期权合约以28亿手的全年成交量成为全球最活跃的合约。
韩国期货交易所亦凭此成为全球交易量最大的交易所。
1973年4月，芝加哥交易所（CBOT）成立了一个新的交易所——芝加哥期权交易所，特别用来交易股票期权。
从此以后，期权交易在投资者当中日益普及。
美国股票交易所（AMEX）和费城股票交易所（PHLX）从1975年开始期权交易。
太平洋股票交易所（PSE）从1976年开始期权交易来到了80年代初期，期权交易规模越来越大，每日卖出的期权合约规定的标的股票总数超过了纽约股票交易所日交易量。
在80年代，美国期权合约已经扩展到了外汇期权、股票指数期权、期货期权等领域。
费城期权交易所主要从事外汇期权交易；芝加哥期权交易所交易S&P100和500的股票指数期权；美国股票交易所交易主要市场股票指数（MajorMarketStockIndex）期权；纽约股票交易所交易NYSE指数期权。
现在绝大部分提供期货合约交易的交易所也同时提供期货期权交易服务。
芝加哥交易所提供谷物期货期权交易；芝加哥商品交易所提供家畜期货期权交易服务。
期权交易所现在已经遍布全世界。
改革开放三十年以来，中国同国际金融界的联系越来越密切，如何防范和化解金融风险已引起有关放面的高度重视。
自1995年始，中国期权市场发展仅有十余年的历史，但期权市场需求已相当成熟。
如何对期权风险进行有效的管理控制，已关系到期权开发能否从研究阶段过渡到试运行阶段。
然而，要对期权风险进行有效的管理和控制，首先就必须对期权进行合理的定价。
因此，对期权定价方法的研究更为重要了。
1.2前人的研究成果
1900年法国金融专家LouisBachelier就发表了第一篇关于期权定价的学位论文“TheoriedelaSpeculation”（投机交易理论）[1]，它被公认为是现代金融学的里程碑，他在论文中首次提出用随机游动思想给出股票价格运行的随机模型。
1964年PaulSamuelson对LouisBachelier的模型进行了修正，以股票的回报代替原模型中的股票价格，他还研究了看涨期权的定价问题（C.Sprenkle（1965）和J.Baness（1964）也同样研究了这个问题），但是他们都没有得出的具体的公式。
1973年FischerBlack和MyronScholes发表了论文“Thepricingofoptionsandcorporateliabilities”[2]，在文中他们建立了看涨期权定价公式
，并与1997年获得了诺贝尔经济学奖。
1976年，罗斯和约翰·考科斯（JohnCox）在《金融经济学杂志》上发表论文“Thevaluationofoptionsforalternativestochasticprocess”，提出了风险中性定价理论。
1979年，Cox，J.,S.Ross和M.Rubinstein在《金融经济学杂志》上发表论文“OptionPricing：
ASimplifiedApproach”[3]，该文提出了一种简单的对离散时间的期权的定价方法，被称为Cox-Ross-Rubinstein二项式期权定价模型。
1979年，Cox，J.,S.Ross和M.Rubinstein对二叉树图数值方法进行了介绍，采用倒退定价法对期权进行定价，同年Rendleman,R.,andB.Bartter在“TwoStateOptionPricing,”也对二叉树法进行了一定的研究。
1977年，PhelimP.BOYLE发表论文”Options:
AMonteCarloapproach”将蒙特卡罗模拟方法应用到求期权定价中。
同样是在1977年，Brennan，M.J.,andE.S.Schwarts发表了论文“TheValuationofAmericanPutOptions”首次将有限差分方法运用到期权的定价中，有限差分方法主要有内含的有限差分方法和外推的有限差分方法。
本文主要基于对基础知识的研究和探讨，研究期权定价模型的二项式模型和Black-Scholes模型。
分析期权定价的数值方法：
二叉树图法和有限差分方法，详细说明它们的计算方法和步骤，并进行实例分析，探讨方法的有效性和总结自己的结论。
1.3论文的研究框架
整篇论文共分为6章，第一章是对整个论文体系的介绍，包括研究背景和意义和论文的框架两部分；第二章是对期权的相关知识和期权定价的性质进行阐述；第三章研究欧式期权定价模型的二项式模型；第四章主要研究Black-Scholes模型的发展和定价公式；第五章就重点分析欧式期权定价的两种数值方法：
二叉树图方法和有限差分方法，然后举例进行实例分析；第六章对全文进行总结。
2期权基本理论
2.1期权的相关术语
定义1.1：
期权（Options），又称选择权，是一份合约，持有合约的一方有权（但没有义务）向另一方在合约中事先指定的时刻（或此时刻之前）以合约中指定的价格购买或出售某种指定数量的特殊物品。
这些物品大多为战略物资，如石油、小麦、有色金属等，也可以是某公司股票，可提前兑换的债权等。
期权有两种基本类型，看涨期权（calloptions）和看跌期权（putoptions）。
定义2.2：
看涨期权指期权合约中，一方有购买的权利，另一方有出售的义务，简称call。
定义2.3：
看跌期权指期权合约中，一方有出售的权利，另一方有购买的义务，简称put。
定义2.4：
执行价格（exerciseprice），又称敲定价格就是期权合约规定的买卖基础资产的价格。
根据期权的执行方式不同，期权又分为欧式期权（EuropeanOptions）和美式期权（AmericanOptions）。
定义2.5：
欧式期权指只能在到期日那一天执行的期权。
定义2.6：
美式期权指可在到期日之前（包括到期日）任何时刻执行的期权。
定义2.7：
期权价格是指有购买（或出售）一单位基础资产权利的期权的价格，是由买期权者支付给卖期权者（也称写期权者）的。
定义2.8：
一个期权是否执行依赖于对期权持有者有利的机会是否出现，故也称期权为相机权益。
在任何一个时刻,对一个call，如果当时的股票价格，则称call为价内的（inthemoney）；如果，称为平价的（atthemoney）；如果，称为价外的（outthemoney）。
对put正好把不等式反过来，即如果，则称此时的put为价内的；如果，称它为平价的；如果，则称它为价外的。
2.2期权的损益与期权价格的界限
2.2.1期权的损益
在期权交易市场上，有人买进期权（称为期权持有者），相应地必须有人出售这个期权（称为写期权者），一个欧式看涨期权的持有者希望价格看涨，写期权者希望价格看跌，二者的利益是完全对立的。
任何时候，一方面获益必是另一方面的损失。
一个以价格购进一个欧式看涨期权的持有者，在到期日，如果股票价格，则他就执行权力，以购进，以出售，从而获利；如果，则他选择不执行买的权力，从而损失初始投资。
因此，有如下命题。
命题2.1：
在到期日的“利润”或损益为
（2.1）
命题2.2：
写期权者在到期日的损益为
（2.2）
同理，当一个人以价格购进一个欧式看跌期权，则在到期日，有如下命题。
命题2.3：
持有者的利润函数为
（2.3）
命题2.4：
写期权者的利润函数为
（2.4）
2.2.2欧式期权价格的界限
我们先考虑欧式期权的评价问题。
以欧式看涨期权为例，，讨论一个期权“合理”价格应该是多少。
一个欧式看涨期权，如果在到期日，股票价格，则行使权利的期权的价为，如果，不行使权利则期权价值为零。
因此，期权在时的价值：
（2.5）
在当前（时），是一个随机变量。
如果ST不是随机变量，而是确定性知道的，为了不存在套利机会，时期权价格C0应满足
，
其中为年无风险利率，事实上，若实际期权价，则在时借元并购买期权，从而在时，行使权利得
。
这就是无风险套利，反之，若,则在时，卖期权并把得来的钱贷出即可无风险套利。
当为随机变量时，自然把时的“合理”价格定义为
（2.6）
此处数学期望是以某个适当的概率分布计算的。
故用表示这个数学期望。
由此看出，写在一个标的资产上的期权的价值依赖于标的资产的价格，故把标的资产称为基础证券，把像期权这类（价值依赖于基础资产价格的）证券称为衍生证券。
一般说来，人们并不知道这个概率分布，只能给出的估计结果。
下面命题给出期权价值的上、下界估计，并且证明如果期权的价格超过上界或低于下界，就存在套利机会。
命题2.5：
欧式看涨期权开始价值
（2.7）
命题2.6：
对一个欧式看涨期权，若在到期日，有，且，则
（2.8）
命题2.7：
对一个欧式看跌期权，若在时有，且，则有
（2.9）
由于欧式看跌期权的初始价值。
所以有
（2.10）
命题2.8：
对同一种股票，同一个执行价格及同样到期日且股票在到期日之前不分红的欧式看涨和看跌期权价格有如下关系：
（2.11）
介绍了关于期权的一些知识和欧式期权价格的性质，接下来就要了解期权定价的模型。
第三章和第四章就是介绍离散型的二叉树模型和连续型的Black-Scholes模型。
原理2.1：
风险中性定价原理，任何依附于股票价格的衍生证券可以在风险中性世界的基础上进行估值。
这个原理在期权定价中不容忽视，风险中性原理意味着：
为了计算期权的价值，我们可以假设：
（1）所有可交易的证券的期望收益都是无风险利率；
（2）未来现金可以用其期望值按无风险利率贴现来计算[4]。
3二项式模型
3.1二项期权定价模型介绍
二项期权定价模型最早由考克斯（Cox）、罗斯（Ross）和鲁宾斯坦（Rubinstein）提出的一种期权定价模型，主要用于计算美式期权的价值。
其优点在于比较直观简单，不需要太多数学知识就可以加以应用。
二项期权定价模型假设股价波动只有向上和向下两个方向，且假设在整个考察期内，股价每次向上（或向下）波动的概率和幅度不变。
模型将考察的存续期分为若干阶段，根据股价的历史波动率模拟出该股在整个存续期内所有可能的发展路径，并对每一路径上的每一节点计算权证行权收益和用贴现法计算出的权证价格。
3.2欧式期权定价模型
二叉树模型的假设条件[5]
（1）.股票市场是有效的；
（2）.存在着股票的卖空机制，但不存在套利机会；
（3）.股票和期权合约的买卖不设计交易成本、也不考虑税收；
（4）.市场参与者可按已知的无风险利率无限制地借入借出资金；
（5）.无风险利率为常数；
（6）.金融市场上的投资者都是风险中立者；
（7）.假设基础资产的价格在离散的或不连续的时间内服从一个倍增的二项式过程。
3.2.1一期模型的欧式看涨期权定价
为简单起见，假设不存在交易费用、税收等成本，还假设资本市场上存在一种无风险证券（债权），人们可以用无风险利率不受限制地借或贷。
因为股票的价格下一期的股价只有两种可能的状态：
上升或下降，而且可能上升到的概率为，下降到的概率为。
其中。
所以的运动如图1所示：
图1股票价格的一期运动
一个执行价格为的欧式看涨期权在时，以的概率取，的概率取。
记这个期权在的价格。
命题3.1：
股票价格运动一期的情况下,期权在的价格为
证明：
构造一个在的总投资为的投资组合，在期权到日，它以概率取值，以概率取值。
选择使得这个投资组合在的两种状态下取值相等，即
由此解出
（3.1）
为了不存在套利机会，这个投资组合的期初投资在时的价值必须等于
即
由此解
（3.2）
式（3.2）可改写为
（3.3）
如记：
（3.4）
则式（3.3）可记为
（3.5）
由命题3.1中的式（3.4）知道：
及，从而可把看做一个概率分布，称它为风险中性（RiskNeutral）概率或对冲概率（HedgingProbablity），从而式（3.5）可改写为
其中是指按风险中性概率，而不是按实际概率计算的数学期望。
从形式上看，以“概率”取，以“概率”取。
这里概率打引号意指和不是实际概率，是一个人为的概率。
一个风险中性的投资者对在任何股票上投资要求的期望回报率都为无风险利率，所以在这种情况下风险中性投资者认为就是股票从上升到的概率。
这就是为什么把称为风险中性概率的原因。
这个证明过程对欧式看跌期权也成立。
因此当股价运动模式如图1所示，欧式看跌期权在时的价值
（3.6）
式中：
；；由式（3.4）给出。
3.2.2二期模型的欧式看涨期权定价
接下来考虑的是二期问题，在时刻时，股价以概率上升到，以概率下降到。
在时刻，又在的基础上分别以概率和上升和下降。
二期股价运动的二项式模式如图2所示。
图1股票价格的二期运动
命题3.2：
股票价格运动二期的情况下,期权在的价格为
。
证明：
假设每一期的无风险利率都是。
在得知二期期权价格、和，利用一期的评价公式来求出和，则有：
（3.7）
（3.8）
其中和是式（3.4）的风险中性概率。
再用一次一期的评价公式，就推得在时期权的价值
.
把式（3.7）（3.8）代入上式，得
（3.9）
注意：
命题3.2的证明过程中的式（3.10）右边方括号内的系数正好满足
故如果把，和分别看成取值在，和的概率，则式（3.10）也可以改写成为
其中数学期望是按风险中性概率分布[，，]计算的。
和一期模型一样，此推导过程对二期欧式看跌期权定价也同样合适，欧式看跌期权在时的价值
（3.10）
式中：
；；，由式（3.4）给出。
3.2.3多期二项式期权定价公式
在了解了一期和二期二项式期权定价公式，现在来推广到期的情形。
命题3.3：
股票价格运动期的情况下,期权在的价格为
证明：
设在期内股价上升次（从而下降了次），则最终股价为，从而在期权的价值为
.
一个有二项分布的随机变量，取的概率为，取的概率为,则取值的概率为
其中为风险中性概率，参见式（3.4）。
由于可取值0，1，2，…，T,所以期权的期望价值为
.
由风险中性评价公式，得期权在时的价值
（3.11）
命题3.3的证明过程中（3.11）式比较复杂，所以要对其进行简化，令为使得的最小正整数，则当，，从而式（3.11）可以改写为
（3.12）
如记
，，
则
，
从而（3.12）可写成为
（3.13）
这就是期二项式模型欧式看涨期权的定价公式[6]。
4Black-Scholes模型
4.1股票价格的行为模式
在第三章我们讨论了期权的离散模型，它只是假设股价在离散的时点上才发生变化没，而且每次变化只能取两个可能的状态之一。
接下来的这部分就要考虑期权定价的连续模型，即考虑时间和股价都是连续的。
在本节，我们将提供一种循序渐进的方法去了解股票价格遵循的随机过程。
定义4.1：
马尔可夫过程，是一种说明只有变量的当前值和未来的预测有关的随机过程。
人们通常假设股票价格遵循马尔可夫过程，所以股票价格行为模型通常采用马尔科夫随机过程的一种特殊形式，即维纳过程来表达，也称布朗运动。
我们要理解遵循Wiener过程的变量的行为，可以考虑在小时间间隔上变量值的变化。
定义4.2：
设一个小的时间间隔长度为，定义为在时间内的变化。
要使遵循Wiener过程，必须满足:
（1）:
与的关系满足方程式
（4.1）
其中为从N（0，l）分布中抽取的一个随机值。
（2）:
对于任何两个不同时间间隔，的值相互独立。
从定义4.2中可以看出本身具有正态分布，即的均值=，的方差=.
变量的一般化Wiener过程用定义如下:
（4.2）
其中，为常数。
方程（4.2）给出的一般性Wiener过程其漂移率的期望值为，方差率的期望值为。
但是股票期权的价格是该标的股票价格和时间的函数。
更一般地，我们可以说任何一个衍生证券的价格都是这些标的衍生债券的随机变量和时间的函数。
所有任何研究衍生证券的严谨学者都必须对随机变量函数的行为有所了解，在这一领域内的一个重要结论由一个叫K.Ito的数学家在1951年发现。
因此称为Ito定理。
定理4.1：
假设变量的值遵循Ito过程：
（4.3）
其中是一个维纳过程，和是和的函数。
变量的漂移率为和方差率为.Ito定理表明和的函数遵循如下过程：
（4.4）
由于是维纳过程，所以也遵循Ito过程。
4.2历史回顾
1990年LouisBachelier发表了他的学位论文“投机交易理论”，在论文中首次利用随机游动的思想给出了股票价格运行的随机模型，在这篇论文中，他提到了期权定价问题。
1964年PaulSamuelson对L.Bachelier的模型进行了修正。
以股票的回报代替原模型中的股票价格。
若表示股票价格，那么表示股票的回报，P.Samuelson提出的随机微分方程是
（4.5）
这个模型克服了原先模型中可能使股票价格出现负值的不合理情况。
基于这个模型，P.Samuelson还研究了看涨期权的定价问题，可表述为：
设是看涨期权的期权金，是股价，是敲定价，是到期时间，则
（4.6）
其中
（4.7）
这里，分别是原生资产价格和期权的价格的回报在时刻的期望值。
这两个量依赖于投资人的个人爱好，所以美足不足的是它在实际交易中不能运用。
1973年FischerBlack和MyronScholes建立了看涨期权定价公式
（4.8）
和公式比较，这里用无风险利率代替了，，创新之处在于不依赖于投资人的偏好，因此他们获得诺贝尔经济学奖。
4.3Black-Scholes方程
基本假设:
（1）.原生资产价格演化遵循几何Brown运动
（4.9）
（2）.无风险利率是常数且对所有到期日都相同。
（3）.原生资产不支持股息。
（4）.不支付交易费和税收。
（5）.不存在无风险套利机会。
（6）.允许使用全部所得卖空衍生证券。
（7）.证券交易是连续的。
（8）.在衍生证券的有效期内没有红利支付。
命题4.1：
Black-Scholes方程为
。
证明：
设是欧式看涨期权价格，它在期权的到期日时，
，
这里是期权的敲定价，现在要求期权在有效时间内的价值。
利用对冲技巧，我们给出欧式期权定价的数学模型。
形成投资组合
，
（是原生资产的份额），选取适当的使得在时段内，是无风险的。
设在时刻形成投资组合，并在时间段内，不改变份额。
那么由于是无风险的，因此在时刻，投资组合的回报是
即
（4.10）
由于
，
其中是由随机微分方程（4.9
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