옵션 가격 모형 #4 - 블랙-숄즈 모형

briggs·2025년 3월 4일

옵션 가격 모형

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이번 포스팅은 Binomial option pricing and Black-Scholes(John Thickstun)의 내용도 참고하여 작성하였습니다.

블랙-숄즈 모형

현재 주가가 SS, 행사 가격이 KK, 만기가 tt년 후인 콜 옵션의 가치를 구하는 블랙-숄즈의 공식은 이렇게 생겼습니다. 블랙-숄즈의 공식이 어떻게 나온 것인지는 잘 모르겠지만 그 밑에 있는 이항 모형의 공식과 많이 닮았다는 것은 알 수 있습니다.

C=SN(d1)KertN(d2)C=S\cdot N(d_1)-Ke^{-rt}\cdot N(d_2)\\
C=SB(a;nt,ρ)KertB(a;nt,π)C=S\cdot B(a;nt,\rho)-Ke^{-rt}\cdot B(a;nt,\pi)

여기서 N()N(\cdot)은 표준 정규 분포의 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function)입니다. 누적 분포 함수는 확률 변수가 어떤 값보다 작거나 같은 확률을 알려 주는 함수입니다.

N(d1)=p(zd1)N(d2)=p(zd2)\begin{aligned} N(d_1)&=p(z\leq d_1)\\ N(d_2)&=p(z\leq d_2) \end{aligned}

그리고 d1d_1d2d_2의 값은 아래와 같다고 합니다.

d1=ln(S/K)+(r+σ2/2)tσtd2=ln(S/K)+(rσ2/2)tσt\begin{aligned} d_1&=\frac{\ln(S/K)+(r+\sigma^2/2)t}{\sigma\sqrt{t}}\\ d_2&=\frac{\ln(S/K)+(r-\sigma^2/2)t}{\sigma\sqrt{t}}\\ \end{aligned}

nn을 무한대로 보냈을 때 N()N(\cdot)B()B(\cdot)의 값이 같다는 것을 증명하면 이항 모형이 무한의 세계에서는 블랙-숄즈 모형과 같다는 것이 증명됩니다.

limnB(a;nt,ρ)=N(d1)limnB(a;nt,π)=N(d2)\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}B(a;nt,\rho)=N(d_1)\\ \lim_{n\rightarrow\infty}B(a;nt,\pi)=N(d_2) \end{aligned}

일단 드므와브르-라플라스 정리에 따라 nn이 무한히 커지면 이항 분포는 정규 분포에 수렴하게 됩니다.

jB(nt,p)djN(ntp,ntp(1p))j \sim B(nt,p) \xrightarrow{d} j \sim N(ntp,ntp(1-p))

그리고 jj를 표준화한 확률 변수 zz는 표준 정규 분포를 따르게 됩니다.

z=jntpntp(1p)z=\frac{j-ntp}{\sqrt{ntp(1-p)}}
zN(0,1)z \sim N(0,1)

따라서 동전을 ntnt번 던졌을 때 앞면이 aa번 이상 나올 확률은 이렇게 됩니다.

B(a;nt,p)=p(ja)=p(zantpntp(1p))=p(za+ntpntp(1p))=N(a+ntpntp(1p))=N(d?)\begin{aligned} B(a;nt,p)&=p(j\geq a)\\ &=p\left(z\geq \frac{a-ntp}{\sqrt{ntp(1-p)}}\right)\\ &=p\left(z\leq \frac{-a+ntp}{\sqrt{ntp(1-p)}}\right)\\ &=N\left(\frac{-a+ntp}{\sqrt{ntp(1-p)}}\right)\\ &=N(d_?) \end{aligned}

괄호 안의 값을 d?d_?라고 하겠습니다. 이제 p=ρp=\rho일 때 d?=d1d_?=d_1이 되고 p=πp=\pi라면 d?=d2d_?=d_2가 되는 것을 증명하면 됩니다.

d?=a+ntpntp(1p)d_?=\frac{-a+ntp}{\sqrt{ntp(1-p)}}

기하 브라운 운동

증명에 들어 가기 전에 잠시 기하 브라운 운동을 복습해 보겠습니다. 주가가 기하 브라운 운동을 한다면 주식의 (로그) 수익율은 산술 브라운 운동을 합니다. 동전을 던져서 앞면이 나오면 xi=1x_i=1, 뒷면이 나오면 xi=1x_i=-1입니다.

ln(Si/Si1)=μΔt+σxiΔt\ln(S_{i}/S_{i-1})=\mu\cdot\Delta t+\sigma\cdot x_i\cdot\sqrt{\Delta t}
E(ln(Si/Si1))=E(μΔt+σxiΔt)=μΔt+σΔtE(xi)=μΔtE(xi)=0\begin{aligned} E(\ln(S_{i}/S_{i-1}))&=E(\mu\cdot\Delta t+\sigma\cdot x_i\cdot\sqrt{\Delta t})\\ &=\mu\cdot \Delta t+\sigma\cdot\sqrt{\Delta t}\cdot E(x_i)\\ &=\mu\cdot \Delta t\quad\because E(x_i)=0 \end{aligned}
Var(ln(Si/Si1))=Var(μΔt+σxiΔt)=σ2ΔtVar(xi)=σ2ΔtVar(xi)=1\begin{aligned} Var(\ln(S_{i}/S_{i-1}))&=Var(\mu\cdot\Delta t+\sigma\cdot x_i\cdot\sqrt{\Delta t})\\ &=\sigma^2\cdot\Delta t\cdot Var(x_i)\\ &=\sigma^2\cdot \Delta t\quad\because Var(x_i)=1 \end{aligned}

1년에 동전을 nn번 던지면 Δt=1/n\Delta t=1/n년입니다. 그리고 tt년이면 동전을 ntnt번 던지게 됩니다. 그리고 동전 던지기는 모두 서로 독립입니다. 따라서 tt년이 지났을 때 주식 수익율의 기대값과 분산은 이렇게 됩니다.

ln(SntS)=ln(S1SS2S1...SntSnt1)=ln(S1S)+ln(S2S1)+...+ln(SntSnt1)=i=1nt(ln(Si/Si1))E(ln(SntS))=E(i=1nt(ln(Si/Si1)))=i=1ntE(ln(Si/Si1)))=ntμΔt=μtVar(ln(SntS))=Var(i=1nt(ln(Si/Si1)))=i=1ntVar(ln(Si/Si1)))=ntσ2Δt=σ2t\begin{aligned} \ln\left(\frac{S_{nt}}{S}\right)&=\ln\left(\frac{S_1}{S}\cdot\frac{S_2}{S_1}\cdot...\cdot\frac{S_{nt}}{S_{nt-1}}\right)\\ &=\ln\left(\frac{S_{1}}{S}\right)+\ln\left(\frac{S_{2}}{S_1}\right)+...+\ln\left(\frac{S_{nt}}{S_{nt-1}}\right)\\ &=\displaystyle\sum_{i=1}^{nt}(\ln(S_{i}/S_{i-1}))\\ \therefore E\left(\ln\left(\frac{S_{nt}}{S}\right)\right)&=E\left(\displaystyle\sum_{i=1}^{nt}(\ln(S_{i}/S_{i-1}))\right)\\ &=\displaystyle\sum_{i=1}^{nt}E\left(\ln(S_{i}/S_{i-1}))\right)\\ &=nt\cdot\mu\cdot \Delta t\\ &=\mu t\\ Var\left(\ln\left(\frac{S_{nt}}{S}\right)\right)&=Var\left(\displaystyle\sum_{i=1}^{nt}(\ln(S_{i}/S_{i-1}))\right)\\ &=\displaystyle\sum_{i=1}^{nt}Var\left(\ln(S_{i}/S_{i-1}))\right)\\ &=nt\cdot\sigma^2\cdot \Delta t\\ &=\sigma^2 t \end{aligned}

한편 로그 수익율이 산술 브라운 운동을 한다면 기대 수익율이 수익율의 기대값 보다 크다는 것을 기억하고 계실 겁니다.

ln(E(SntS))=(μ+σ22)t>μt\ln\left(E\left(\frac{S_{nt}}{S}\right)\right)=\left(\mu+\frac{\sigma^2}{2}\right)t > \mu t

이항 모형의 극한

주가의 움직임을 기하 브라운 운동으로 가정한다면 이항 모형의 상승 계수 uu와 하락 계수 dd는 이렇게 됩니다. 기하 브라운 운동과 이항 모형이 만나는 지점이 바로 여기입니다.

ln(uS/S)=ln(u)=μΔt+σΔtln(dS/S)=ln(d)=μΔtσΔt\begin{aligned} \ln(uS/S)=\ln(u)&=\mu\Delta t+\sigma\sqrt{\Delta t}\\ \ln(dS/S)=\ln(d)&=\mu\Delta t-\sigma\sqrt{\Delta t}\\ \end{aligned}

그런데 기하 브라운 운동과는 달리 이항 모형에서는 실제 동전을 던져서 앞면이 나올 확률은 전혀 의미가 없습니다. 이미 살펴 보았듯이 이항 모형 그 어디에서도 실제 확률은 찾을 수 없습니다. 대신에 위험 중립 확률이라는 가상의 확률이 사용됩니다. 동전을 던져서 앞면이 나올 이 가상의 확률을 pp라고 하면 1-기간 동안 수익율의 기대값은 이렇게 됩니다.

E(ln(Si/Si1))=p(μΔt+σΔt)+(1p)(μΔtσΔt)=μΔt+(2p1)σΔt=:μΔtp=μΔtμΔt+σΔt2σΔt\begin{aligned} E(\ln(S_{i}/S_{i-1}))&=p\cdot(\mu \Delta t+\sigma\sqrt{\Delta t})+(1-p)(\mu\Delta t-\sigma\sqrt{\Delta t})\\ &=\mu \Delta t+(2p-1)\sigma\sqrt{\Delta t}\\ &=:\mu'\Delta t\\ \\ \therefore p&=\frac{\mu'\Delta t-\mu\Delta t+\sigma\sqrt{\Delta t}}{2\sigma\sqrt{\Delta t}} \end{aligned}

그리고 만기가 되었을 때 수익율의 기대값은 이렇게 됩니다(주석 (2)).

E(ln(Snt/S))=nt(pln(u/d)+ln(d))=nt(p2σΔt+μΔtσΔt)=ntμΔt=μtln(u/d)=ln(u)ln(d)=μΔt+σΔt(μΔtσΔt)=2σΔt\begin{aligned} E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)&=nt\left(p\cdot\ln\left(u/d\right)+\ln(d)\right)\\ &=nt(p\cdot 2\sigma\sqrt{\Delta t}+\mu\Delta t-\sigma\sqrt{\Delta t})\\ &=nt\mu'\Delta t\\ &=\mu't\\ \\ \because \ln(u/d)&=\ln(u)-\ln(d)\\ &=\mu\Delta t+\sigma\sqrt{\Delta t}-(\mu\Delta t-\sigma\sqrt{\Delta t})\\ &=2\sigma\sqrt{\Delta t} \end{aligned}

복잡해 보이기는 하지만 1-기간 동안 수익율의 분산은 이렇게 계산됩니다(주석 (2)).

Var(ln(Snt/S))=ntp(1p)(ln(u/d))2=ntμΔtμΔt+σΔt2σΔt(1μΔtμΔt+σΔt2σΔt)(2σΔt)2=nt((μΔtμΔt)+σΔt)((μΔtμΔt)σΔt)=ntσ2Δtnt(μμ)2Δt2=σ2tt(μμn)2\begin{aligned} Var\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)&=ntp(1-p)\cdot\left(\ln\left(u/d\right)\right)^2\\ &=nt\cdot\frac{\mu'\Delta t-\mu\Delta t+\sigma\sqrt{\Delta t}}{2\sigma\sqrt{\Delta t}}\cdot\left(1-\frac{\mu'\Delta t-\mu\Delta t+\sigma\sqrt{\Delta t}}{2\sigma\sqrt{\Delta t}}\right)\cdot(2\sigma\sqrt{\Delta t})^2\\ &=-nt\cdot((\mu'\Delta t-\mu\Delta t)+\sigma\sqrt{\Delta t})((\mu'\Delta t-\mu\Delta t)-\sigma\sqrt{\Delta t})\\ &=nt\cdot\sigma^2\Delta t-nt\cdot(\mu'-\mu)^2{\Delta t}^2\\ &=\sigma^2t-t\cdot\left(\frac{\mu'-\mu}{\sqrt{n}}\right)^2\\ \end{aligned}

nn을 무한대로 보내면 분산이 σ2t\sigma^2t가 됩니다. 기하 브라운 운동일 때와 같아지는 겁니다.

limnVar(ln(Snt/S))=σ2t\therefore \lim_{n\rightarrow\infty}Var\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)=\sigma^2t

그렇다면 수익율의 기대값도 기하 브라운 운동일 때와 같아야 될 것 같습니다.

limnE(ln(Snt/S))=μt\therefore \lim_{n\rightarrow\infty}E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)=\mu t

그런데 이렇게 되려면 pp가 1/2이 되어야 합니다. 정말 신기하게도 무한대에서는 위험 중립 확률이 실제 확률과 같습니다. 달리 말하자면 무한의 세계에서는 이항 모형이 기하 브라운 운동이 된다는 겁니다.

limnp=12\therefore \lim_{n\rightarrow\infty}p=\frac{1}{2}

증명 1 단계

aa를 구해 보면 다음과 같습니다(주석 (1)).

a=ln(K/S)ntln(d)ln(u/d)+ζa=\frac{\ln\left(K/S\right)-nt\ln(d)}{\ln\left(u/d\right)}+\zeta

aad?d_?에 집어 넣고 전개하겠습니다.

d?=a+ntpntp(1p)=ln(K/S)ntln(d)ln(u/d)+ζ+ntpntp(1p)=ln(S/K)+ntln(d)+ntpln(u/d)ln(u/d)ntp(1p)+ζntp(1p)=ln(S/K)+ntln(d)+ntpln(u/d)ln(u/d)ntp(1p)limnζ=0\begin{aligned} d_?=\frac{-a+ntp}{\sqrt{ntp(1-p)}}&=\frac{-\frac{\ln\left(K/S\right)-nt\ln(d)}{\ln\left(u/d\right)}+\zeta+ntp}{\sqrt{ntp(1-p)}}\\ &=\frac{\ln\left(S/K\right)+nt\ln(d)+ntp\ln\left(u/d\right)}{\ln\left(u/d\right)\sqrt{ntp(1-p)}}+\frac{\zeta}{\sqrt{ntp(1-p)}}\\ &=\frac{\ln\left(S/K\right)+nt\ln(d)+ntp\ln\left(u/d\right)}{\ln\left(u/d\right)\sqrt{ntp(1-p)}}\quad\because \lim_{n\rightarrow\infty}{\zeta}=0 \end{aligned}

이항 모형에서 주식 수익율의 기대값과 분산은 다음과 같습니다(주석 2). 그리고 이 값들이 분모, 분자에 숨어 있었습니다.

E(ln(Snt/S))=nt(pln(u/d)+ln(d))Var(ln(Snt/S))=ntp(1p)(ln(u/d))2\begin{aligned} E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)&=nt\left(p\cdot\ln\left(u/d\right)+\ln(d)\right)\\ Var\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)&=ntp(1-p)\cdot\left(\ln\left(u/d\right)\right)^2 \end{aligned}

이 값들을 이용하여 마저 정리하면 d?d_?는 일단 이렇게 됩니다.

d?=ln(S/K)+E(ln(Snt/S))Var(ln(Snt/S))=ln(S/K)+E(ln(Snt/S))σtlimnVar(ln(Snt/S))=σ2t\begin{aligned} d_?&=\frac{\ln\left(S/K\right)+E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)}{\sqrt{Var\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)}}\\ &=\frac{\ln\left(S/K\right)+E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)}{\sigma\sqrt{t}}\quad\because \lim_{n\rightarrow\infty}Var\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)=\sigma^2t \end{aligned}

증명 2 단계

먼저 p=πp=\pi일 때 정말 d?=d2d_?=d_2가 되는 지 보겠습니다. π\pi는 위험 중립 확률이라서 1 기간이 지났을 때 기대 수익율은 이렇게 됩니다.

E(Si)=πuSi1+dSi1(1π)=Si1erΔtE(S_i)=\pi uS_{i-1}+dS_{i-1}(1-\pi)=S_{i-1}e^{r\Delta t}
E(Si)/Si1=E(Si/Si1)=erΔtE(S_i)/S_{i-1}=E(S_i/S_{i-1})=e^{r\Delta t}
ln(E(Si/Si1))=rΔt\therefore \ln(E(S_i/S_{i-1}))=r\Delta t

그래서 tt년이 지나고 나서 주식의 기대 수익율은 이렇게 됩니다.

ln(E(Snt/S))=ln(E(S1SS2S1...SntSnt1))=ln(E(S1S)E(S2S1)...E(SntSnt1))=i=0ntln(E(SiSi1))=ntrΔt=rt\begin{aligned} \ln(E(S_{nt}/S))&=\ln\left(E\left(\frac{S_1}{S}\cdot\frac{S_2}{S_1}\cdot...\cdot\frac{S_{nt}}{S_{nt-1}}\right)\right)\\ &=\ln\left( E\left(\frac{S_1}{S}\right)\cdot E\left(\frac{S_2}{S_1}\right) \cdot...\cdot E\left(\frac{S_{nt}}{S_{nt-1}}\right) \right)\\ &=\displaystyle\sum_{i=0}^{nt}\ln\left( E\left(\frac{S_i}{S_{i-1}}\right)\right)\\ &=nt\cdot r\Delta t\\ &=rt \end{aligned}

그런데 무한의 세계에서는 이항 모형이 기하 브라운 운동이 된다고 했으니 기대 수익율도 같아야 될 겁니다.

limnln(E(Snt/S))=(μ+σ22)t=μt+σ22t=E(ln(Snt/S))+σ22tlimnE(ln(Snt/S))=μt=rtE(ln(Snt/S))=(rσ22)t\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\ln(E(S_{nt}/S))&=\left(\mu+\frac{\sigma^2}{2}\right)t\\ &=\mu t+\frac{\sigma^2}{2}t\\ &=E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)+\frac{\sigma^2}{2}t\quad\because \lim_{n\rightarrow\infty}E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)=\mu t \\ &=rt\\ \therefore E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)&=\left(r-\frac{\sigma^2}{2}\right)t \end{aligned}

따라서 p=πp=\pi일 때 d?=d2d_?=d_2가 됩니다.

d?=ln(S/K)+E(ln(Snt/S))σt=ln(S/K)+(rσ2/2)tσt=d2\begin{aligned} d_?&=\frac{\ln\left(S/K\right)+E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)}{\sigma\sqrt{t}}\\ &=\frac{\ln\left(S/K\right)+(r-\sigma^2/2)t}{\sigma\sqrt{t}}=d_2 \end{aligned}

증명 3 단계

이제 p=ρp=\rho일 때 정말 d?=d1d_?=d_1가 되는 지 보겠습니다. ρ\rho의 정의를 잘 보면 1 기간 후의 기대 주가가 주어졌을 때 시간을 거꾸로 돌려서 현재 주가를 구하는 확률이라는 것을 알 수 있습니다. 시간을 거꾸로 돌리니까 상승 계수와 하락 계수는 역수가 되어 각각 1/u1/u, 1/d1/d이 됩니다.

Si1=ρSi1+(1ρ)Si1=ρ1uuSi1+(1ρ)1ddSi1=ρ1uE(Si)+(1ρ)1dE(Si)=πuerΔtuE(Si)+(1π)derΔtdE(Si)=E(Si)erΔt\begin{aligned} S_{i-1}&=\rho S_{i-1}+(1-\rho)S_{i-1}\\ &=\rho \cdot \frac{1}{u} \cdot uS_{i-1}+(1-\rho) \cdot \frac{1}{d} \cdot dS_{i-1}\\ &=\rho \cdot \frac{1}{u} \cdot E(S_{i})+(1-\rho) \cdot \frac{1}{d} \cdot E(S_{i})\\ &=\frac{\pi\cdot u\cdot e^{-r\Delta t}}{u} \cdot E(S_{i})+\frac{(1-\pi)\cdot d\cdot e^{-r\Delta t}}{d} \cdot E(S_{i})\\ &=E(S_{i})\cdot e^{-r\Delta t} \end{aligned}
Si1/E(Si)=E(Si1/Si)=erΔtS_{i-1}/E(S_i)=E(S_{i-1}/S_i)=e^{-r\Delta t}
ln(E(Si1/Si))=rΔt\therefore \ln(E(S_{i-1}/S_i))=-r\Delta t

그리고 tt년을 거꾸로 돌려 보면 수익율은 이렇게 됩니다.

ln(E(S/Snt))=rt\ln(E(S/S_{nt}))=-rt

한편 시간을 거꾸로 돌리면 로그 수익율은 이렇게 산술 브라운 운동을 하게 됩니다.

ln(S/uS)=ln(1/u)=μΔtσΔtln(S/dS)=ln(1/d)=μΔt+σΔt\begin{aligned} \ln(S/uS)=\ln(1/u)&=-\mu\Delta t-\sigma\sqrt{\Delta t}\\ \ln(S/dS)=\ln(1/d)&=-\mu\Delta t+\sigma\sqrt{\Delta t}\\ \end{aligned}

nn을 무한대로 보내면 이항 모형은 역시 아래와 같이 기하 브라운 운동을 하게 될 겁니다.

limnVar(ln(S/Snt))=σ2tlimnE(ln(S/Snt))=μtlimnln(E(S/Snt))=(μ+σ22)t\begin{aligned} &\lim_{n\rightarrow\infty}Var\left(\ln\left({S}/{S_{nt}}\right)\right)=\sigma^2t\\ &\lim_{n\rightarrow\infty}E\left(\ln\left({S}/{S_{nt}}\right)\right)=-\mu t\\ &\lim_{n\rightarrow\infty}\ln(E(S/S_{nt}))=\left(-\mu+\frac{\sigma^2}{2}\right)t\\ \end{aligned}

마찬가지로 시간을 거꾸로 돌려도 기대 수익율은 기하 브라운 운동일 때와 같아야 될 겁니다.

limnln(E(S/Snt))=(μ+σ22)t=μt+σ22t=E(ln(S/Snt))+σ22tlimnE(ln(S/Snt))=μt=rtE(ln(S/Snt))=(rσ22)t=E(ln(Snt/S))\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\ln(E(S/S_{nt}))&=\left(-\mu+\frac{\sigma^2}{2}\right)t\\ &=-\mu t+\frac{\sigma^2}{2}t\\ &=E\left(\ln\left({S}/{S_{nt}}\right)\right)+\frac{\sigma^2}{2}t\quad\because \lim_{n\rightarrow\infty}E\left(\ln\left({S}/{S_{nt}}\right)\right)=-\mu t \\ &=-rt\\ \therefore E\left(\ln\left({S}/{S_{nt}}\right)\right)&=\left(-r-\frac{\sigma^2}{2}\right)t\\ &=-E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right) \end{aligned}

따라서 p=ρp=\rho일 때 d?=d1d_?=d_1가 됩니다.

d?=ln(S/K)+E(ln(Snt/S))σt=ln(S/K)+(r+σ2/2)tσt=d1\begin{aligned} d_?&=\frac{\ln\left(S/K\right)+E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)}{\sigma\sqrt{t}}\\ &=\frac{\ln\left(S/K\right)+(r+\sigma^2/2)t}{\sigma\sqrt{t}}=d_1 \end{aligned}

주석

(1) 앞면이 적어도 나와야 할 회수

만기에 옵션이 가치를 가지려면 만기 주가가 행사 가격 보다는 높아야 합니다.

uadntaS>Kln(uadntaS)>ln(K)aln(u)+(nta)ln(d)+ln(S)>ln(K)a(ln(u)ln(d))>ln(K)ln(S)ntln(d)a>ln(K/S)ntln(d)ln(u/d)\begin{aligned} u^ad^{nt-a}S&>K\\ \ln(u^ad^{nt-a}S)&>\ln(K)\\ a\ln(u)+(nt-a)\ln(d)+\ln(S) &> \ln(K)\\ a(\ln(u)-\ln(d)) &> \ln(K)-\ln(S)-nt\ln(d)\\ \therefore a &> \frac{\ln\left(K/S\right)-nt\ln(d)}{\ln\left(u/d\right)} \end{aligned}

aa는 정수이기 때문에 이렇게 쓸 수 있습니다. ζ\zeta는 제타라고 읽습니다.

a=ln(K/S)ntln(d)ln(u/d)+ζ,0ζ<1a=\frac{\ln\left(K/S\right)-nt\ln(d)}{\ln\left(u/d\right)}+\zeta,\quad 0\leq\zeta < 1

nn이 무한대로 가면 SS가 가질 수 있는 경우의 수도 무한이 됩니다. 따라서 그중에 하나는 행사 가격 KK가 됩니다. 따라서 nn이 무한대로 가면 ζ\zeta는 0으로 수렴합니다.

(2) 주식 수익율의 기대값과 분산

이항 모형에서 콜 옵션의 만기가 되었을 때 주식의 로그 수익율은 이렇게 됩니다.

ln(Snt/S)=ln(ujdntjSS)=jln(u)+(ntj)ln(d)=jln(u/d)+ntln(d)\begin{aligned} \ln\left({S_{nt}}/{S}\right)&=\ln\left(\frac{u^jd^{nt-j}S}{S}\right)\\ &=j\ln(u)+(nt-j)\ln(d)\\ &=j\ln\left(u/d\right)+nt\ln(d) \end{aligned}

그리고 기대값과 분산은 다음과 같습니다.

E(ln(Snt/S))=E(jln(u/d)+ntln(d))=E(j)ln(u/d)+ntln(d)=ntpln(u/d)+ntln(d)=nt(pln(u/d)+ln(d))\begin{aligned} E\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)&=E\left(j\ln\left(u/d\right)+nt\ln(d)\right)\\ &=E(j)\cdot\ln\left(u/d\right)+nt\ln(d)\\ &=ntp\cdot\ln\left(u/d\right)+nt\ln(d)\\ &=nt\left(p\cdot\ln\left(u/d\right)+\ln(d)\right) \end{aligned}
Var(ln(Snt/S))=Var(jln(u/d)+ntln(d))=Var(j)(ln(u/d))2=ntp(1p)(ln(u/d))2\begin{aligned} Var\left(\ln\left({S_{nt}}/{S}\right)\right)&=Var\left(j\ln\left(u/d\right)+nt\ln(d)\right)\\ &=Var(j)\cdot\left(\ln\left(u/d\right)\right)^2\\ &=ntp(1-p)\cdot\left(\ln\left(u/d\right)\right)^2 \end{aligned}

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