隐含波动率与有效场论

BSM 期权定价模型用几何布朗运动GBM刻画标的资产的价格变化其噪声项 $W$ 是维纳过程事实上没有体现市场的长尾特性 [1]看起来 BSM 只是一个理想模型

$$dS = \mu S dt + \sigma S dW $$

在金融实践中我们往往直接将期权的价格代入 BSM反向求解出波动率对不同的期限 $T$ 和行权价 $K$我们都可以求得一个波动率称之为隐含波动率Implied Volatility, IV对于市场上所有合约隐含波动率构成一张曲面 $\sigma(K, T)$

$$C = S_0 N(d_1) - K e^{-rT} N(d_2) $$
$$d_1 = \frac{\ln \frac{S_0}{K} + \left( r + \frac{\sigma^2}{2} \right) T}{\sigma \sqrt{T}} $$
$$d_2 = d_1 - \sigma \sqrt{T} $$

因为噪声的影响将原始价格数据中反求的 IV 直接插值为曲面不是一个好主意我们不妨先把来自不同合约的 $(\sigma_i, K_i, T_i)$ 视作零散的数据点从最大后验概率估计MAP的视角下理解这个问题波动率曲面应该是某种意义上的平均或者说平滑同时满足一些约束条件金融直觉告诉我们约束中理所应当要包括无套利条件其次我还希望曲面是光滑的有了这些约束条件我们就可以把数据点代进来解一个优化问题最后得到一张波动率曲面Volatility Surface它是一切期权交易者的生命

波动率曲面

现在我们思考一个本质问题固定波动率的 BSM 显然无法捕捉市场的长尾特性这个硬算的波动率曲面来自 BSM却又不符合 BSM 的基本假设那么它到底是什么它捕捉到了什么超越 BSM 的信息

想想看我们从一个错误的模型中再做一次错误的处理最后得到了某个看起来或许是某种平均的可观测量我们希望依赖这个似是而非的可观测量洞察到真实的市场现象这可能吗

为了回答这些问题我们把目光投向一些超越 BSM 的模型例如 Merton这位是 BSM 中的 M是的还是他的扩散跳跃模型[2]既然维纳过程没法建模长尾那我们干脆加入一个随机的泊松跳跃接着我们可以推导出一个修正后的伊藤公式[3]得到扩散跳跃模型下的微分方程最后得到定价公式最妙的事情来了Merton 模型的定价可以看作若干 BSM 定价的加权和

理一理Merton 跳跃扩散模型的表达能力确实比 BSM 强但似乎并没有强很多长尾不是什么天堑我们甚至可以简单地利用 BSM 的线性组合来建模市场的长尾特征沿着这个思路提出问题BSM 要加上哪些额外的信息才能获得与 Merton 跳跃扩散模型同等的表达能力当然就是加权和的权重

写到这里也许有读者已经看明白了事实上波动率曲面就提供了这些额外的信息它把短时程的跳跃平均成长时程的扩散得到了一个有效波动率Effective Volatility

我似乎已经回答了波动率曲面是什么的问题但还没有解释为什么这种错两次的方法可行

高能物理中早就出现过类似的事情也就是错两次有一个低能标大尺度的模型要求得系统的某些性质我们必须遍历所有的尺度求和然而直接求和的时候致命的问题出现了——这个代表系统某些性质的物理量居然会发散聪明或者说绝望的物理学家们又发现如果我们不遍历所有的尺度而是在求和中截掉那些模型并没有覆盖到的尺度同时调整模型的某些参数最终奇迹般地得到一个正确的结果

简单地说低能标的模型并没有关于高能标细节的知识这是第一个错误截断到一个特定的尺度更没有道理这是第二个错误两个错误加起来却得到了正确的结果

后来的物理学家用重整化群理论描述了这个惊人的现象物理学家们认识到场论永远都是一种有效理论Effective Theory[4]在一个具体的有效理论下一方面我们永远无法知道高能标的细节无法对高能标下的现象做出任何预言但另一方面也是最激动人心的地方我们并不是什么都不能做有效理论允许我们把高能标的细节——那些我们并不知晓的细节——平均到低能标的某些参数下然后做出当前能标下有效的预言

回到 BSM 和 Merton 扩散跳跃模型波动率曲面可以视作一组被重整的参数它反映了小尺度的扩散跳跃过程在大尺度上的平均作用有效理论的又一次胜利为之欢呼吧

不想写了就这么结束感觉要说的点都提到了


  1. 面对黑天鹅事件你和你的模型一样可笑😅 ↩︎

  2. Merton R C. Option pricing when underlying stock returns are discontinuous[J]. Journal of financial economics, 1976, 3(1-2): 125-144. ↩︎

  3. Ito-Levy 公式但 Merton 的原始论文中并没有这么做他直接近似处理了泊松跳跃的效应 ↩︎

  4. 有效理论是一个非常大的主题背后蕴含着深刻的物理和哲学思想这种思想帮助人类认识并理解任何层次化的复杂系统举例而言电动力学是量子电动力学的低能有效场论几何光学是电动力学的低能有效场论更进一步计算机图形学又是几何光学的大尺度有效理论在图形学中我们通过微表面假设把光与环境的相互作用平均到 BRDF 上然后用 roughness mapnormal map 等被重整的参数描述整个系统在这个例子里BRDF 就是有效模型各种贴图是有效参数光通量类似哈密顿量或是配分函数这个主题很有意思我打算专门写写 ↩︎