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Contents
List of Figures and Tables xvii
List of Algorithms xxi
Preface xxiii
I Introduction to Pricing and Management of Financial Secu-
rities 1
1 Mathematics of Compounding 3
1.1 Interest and Return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Amount Function and Return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Simple Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Periodic Compound Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.4 Continuous Compound Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.5 Equivalent Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.6 Continuously Varying Interest Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Time Value of Money and Cash Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1 Equations of Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Deterministic Cash Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Annuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.1 Simple Annuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2 Determining the Term of an Annuity . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3 General Annuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.4 Perpetuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.5 Continuous Annuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4 Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4.1 Introduction and Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4.2 Zero-Coupon Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.3 Coupon Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.4 Serial Bonds, Strip Bonds, and Callable Bonds . . . . . . . . . . . 34
1.5 Yield Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5.1 Internal Rate of Return and Evaluation Criteria . . . . . . . . . . . 36
1.5.2 Determining Yield Rates for Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.5.3 Approximation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.5.4 The Yield Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2 Primer on Pricing Risky Securities 47
2.1 Stocks and Stock Price Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.1 Underlying Assets and Derivative Securities . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.2 Basic Assumptions for Asset Price Models . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2 Basic Price Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.1 A Single-Period Binomial Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.2 A Discrete-Time Model with a Finite Number of States . . . . . . 55
2.2.3 Introducing the Binomial Tree Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.4 Self-Financing Investment Strategies in the Binomial Model . . . . 61
2.2.5 Log-Normal Pricing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3 Arbitrage and Risk-Neutral Pricing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3.1 The Law of One Price . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.2 A First Look at Arbitrage in the Single-Period Binomial Model . . 69
2.3.3 Arbitrage in the Binomial Tree Model . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.4 Risk-Neutral Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.5 Martingale Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.3.6 Risk-Neutral Log-Normal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.4 Value at Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.5 Dividend Paying Stock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3 Portfolio Management 83
3.1 Expected Utility Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1.1 Utility Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1.2 Mean-Variance Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2 Portfolio Optimization for Two Assets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.1 Portfolio of Two Assets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.2 Portfolio Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.2.3 The Minimum Variance Portfolio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.4 Selection of Optimal Portfolios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3 Portfolio Optimization for N Assets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3.1 Portfolios of Several Assets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3.2 The Minimum Variance Portfolio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.3.3 The Minimum Variance Portfolio Line . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3.4 Case without Short Selling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3.5 Ecient Frontier and Capital Market Line . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4 The Capital Asset Pricing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4 Primer on Derivative Securities 115
4.1 Forward Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1.1 No-Arbitrage Evaluation of Forward Contracts . . . . . . . . . . . 116
4.1.2 Value of a Forward Contract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2 Basic Options Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.1 Concept of an Option Contract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.2 Put-Call Parities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2.3 Properties of European Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2.4 Early Exercise and American Options . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.5 Nonstandard European Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3 Basics of Option Pricing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3.1 Pricing of European-Style Derivatives in the Binomial Tree Model 132
4.3.2 Pricing of American Options in the Binomial Tree Model . . . . . . 138
4.3.3 Option Pricing in the Log-Normal Model: The Black{Scholes{Merton
Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.3.4 Greeks and Hedging of Options . . . . . . . . . . .
4.3.5 Black{Scholes Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
II Discrete-Time Modelling 157
5 Single-Period Arrow{Debreu Models 159
5.1 Specication of the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.1.1 Finite-State Economy. Vector Space of Payos. Securities . . . . . 159
5.1.2 Initial Price Vector and Payo Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.1.3 Portfolios of Base Securities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.2 Analysis of the Arrow{Debreu Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.2.1 Redundant Assets and Attainable Securities . . . . . . . . . . . . . 164
5.2.2 Completeness of the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.3 No-Arbitrage Asset Pricing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.3.1 The Law of One Price . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.3.2 Arbitrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.3.3 The First Fundamental Theorem of Asset Pricing . . . . . . . . . . 171
5.3.4 Risk-Neutral Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.3.5 The Second Fundamental Theorem of Asset Pricing . . . . . . . . . 178
5.3.6 Investment Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.4 Pricing in an Incomplete Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.4.1 A Trinomial Model of an Incomplete Market . . . . . . . . . . . . . 183
5.4.2 Pricing Nonattainable Payos: The Bid-Ask Spread . . . . . . . . 185
5.5 Change of Numeraire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.5.1 The Concept of a Numeraire Asset . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.5.2 Change of Numeraire in a Binomial Model . . . . . . . . . . . . . . 192
5.5.3 Change of Numeraire in a Multinomial Model . . . . . . . . . . . . 194
5.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6 Introduction to Discrete-Time Stochastic Calculus 207
6.1 A Multi-Period Binomial Probability Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.1.1 The Binomial Probability Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.1.2 Random Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.2 Information Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.2.1 Partitions and Their Renements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.2.2 Sigma-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.2.3 Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.2.4 Filtered Probability Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.3 Conditional Expectation and Martingales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.3.1 Measurability of Random Variables and Processes . . . . . . . . . . 229
6.3.2 Conditional Expectations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.3.3 Properties of Conditional Expectations . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.3.4 Conditioning in the Binomial Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.3.5 Sub-, Super-, and True Martingales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.3.6 Classication of Stochastic Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.3.7 Stopping Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
6.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7 Replication and Pricing in the Binomial Tree Model 257
7.1 The Standard Binomial Tree Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.2 Self-Financing Strategies and Their Value Processes . . . . . . . . . . . . 259
7.2.1 Equivalent Martingale Measures for the Binomial Model . . . . . . 262
7.3 Dynamic Replication in the Binomial Tree Model . . . . . . . . . . . . . . 265
7.3.1 Dynamic Replication of Payos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
7.3.2 Replication and Valuation of Random Cash Flows . . . . . . . . . 273
7.4 Pricing and Hedging Non-Path-Dependent Derivatives . . . . . . . . . . . 274
7.5 Pricing Formulae for Standard European Options . . . . . . . . . . . . . . 278
7.6 Pricing and Hedging Path-Dependent Derivatives . . . . . . . . . . . . . . 281
7.6.1 Average Asset Prices and Asian Options . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.6.2 Extreme Asset Prices and Lookback Options . . . . . . . . . . . . 283
7.6.3 Recursive Evaluation of Path-Dependent Options . . . . . . . . . . 283
7.7 American Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.7.1 Writer's Perspective: Pricing and Hedging . . . . . . . . . . . . . . 287
7.7.2 Buyer's Perspective: Optimal Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.7.3 Early-Exercise Boundary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
7.7.4 Pricing American Options: The Case with Dividends . . . . . . . . 299
7.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8 General Multi-Asset Multi-Period Model 307
8.1 Main Elements of the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.2 Assets, Portfolios, and Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8.2.1 Payos and Assets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8.2.2 Static and Dynamic Portfolios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
8.2.3 Self-Financing Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
8.2.4 Replication of Payos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
8.3 Fundamental Theorems of Asset Pricing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
8.3.1 Arbitrage Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
8.3.2 Enhancing the Law of One Price . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
8.3.3 Equivalent Martingale Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.3.4 Calculation of Martingale Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
8.3.5 The First and Second FTAPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
8.3.6 Pricing and Hedging Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
8.3.7 Radon{Nikodym Derivative Process and Change of Numeraire . . . 324
8.4 Examples of Discrete-Time Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
8.4.1 Binomial Tree Model with Stochastic Volatility . . . . . . . . . . . 327
8.4.2 Binomial Tree Model for Interest Rates . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
III Continuous-Time Modelling 335
9 Essentials of General Probability Theory 337
9.1 Random Variables and Lebesgue Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
9.2 Multidimensional Lebesgue Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
9.3 Multiple Random Variables and Joint Distributions . . . . . . . . . . . . . 353
9.4 Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
9.5 Changing Probability Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
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