爲什麼使用對數價格?——從連續時間模型下的利息理論說起

       無論是在形式化的有效市場假說中,還是在期權定價的股價運動微分方程中,我們都可以見到其對於股票的價格都使用的是對數價格,而不是價格本身,那麼爲何要對做價格取對數處理呢?本文將從連續時間下的利息理論中的概念說起,一步步推導出對數價格的存在原因。本文的總體結論是:由於投資者關注的是相對概念(比如收益率),而非價格本身,因此在相對概念的前提下,引入利息強度,然後在連續時間模型下,導出對數價格。

目錄

一、利息強度——連續時間模型下的資產增值能力的衡量方式

二、常值利息強度下的資產函數

三、從利息強度到連續複利

四、連續時間下的價格運動描述

五、有效市場假說下(EMH)的隨機變量V服從正態分佈

六、絕對價格爲何不合理?


一、利息強度——連續時間模型下的資產增值能力的衡量方式

       在離散時間情況下,我們可以通過利率來衡量一個產品的增值能力,那麼,在連續時間模型下,我們通過什麼來衡量一個產品的增值能力呢?直觀上,資產的增值能力肯定是一個相對的值,就和離散時間下的利率概念一樣,這樣纔不會受資產本身大小所影響,然後這個指標的定義肯定和時間有關,只有控制住時間變量,一定的增長量纔有可比性。基於此,提出了利息強度概念,定義如下。其中a(t)表示財富值隨時間變化的函數,Q表示利息強度。

Q(t)=\frac{a(t)^{'}}{a(t)}=\lim_{\Delta t\rightarrow 0}\frac{a(t+\Delta t)-a(t)}{a(t)\Delta t}

由上述定義可知,Q(t)表示在時刻t,資產的變化率和該點資產值的比值。資產的變化率表示該點資產絕對值的變化快慢,其跟該點資產值的比值,表示在該點資產相對值的變化快慢。換句話說,Q(t)表示在時刻t,資產保持變化率不變,在單位時間內的實際利率。所以,Q(t)值越大,表示在時刻t,資產的增值能力越強,也即生息能力越強,所以叫利息強度,可以用來衡量在連續時間下,資產的增值能力。

二、常值利息強度下的資產函數

       當一個資產隨時間的函數的利息強度爲常數Q時,那麼該函數的形式是怎樣的呢?很顯然,通過簡單的常微分方程知識,忽略指數常數項,我們可以求得資產函數具有如下形式。

\frac{a(t)^{'}}{a(t)}=Q\rightarrow a(t)=e^{Qt}

可知,當利息強度爲常數時,資產累計函數是一個自然底數e爲底數的指數函數。同時對兩邊取對數,可得如下結果。

loga(t)=Qt\rightarrow loga(t+1)-loga(t)=Q

即利息強度Q等於單位時間的對數財富值的差值。

三、從利息強度到連續複利

       連續複利是連續時間語境下的計息方式,根據定義,利息強度Q(t)可以表示成在時刻t的瞬時實際利率在單位時間內的累和,如下所示。n倍的瞬時實際利率趨向於Q,所以用Q/n表示小時間區間內的實際利率,單位時間內,共有n個小區間,那麼根據複利計算方式,在n趨於無窮大的時候,可以得到下面最右邊的結果。該結果和在單位時間內常值利息強度得到的結果是一樣的。所以,常值利息強度下的資產增值過程,和連續複利過程是一樣的。

Q=\frac{a(t)^{'}}{a(t)}=\lim_{n\rightarrow \infty }\frac{a(t+\frac{1}{n})-a(t)}{\frac{1}{n}\cdot a(t)}=\lim_{n\rightarrow \infty }\frac{a(t+\frac{1}{n})-a(t)}{a(t)} \cdot n

\rightarrow \frac{Q}{n}=\frac{a(t+\frac{1}{n})-a(t)}{a(t)}     as   n\rightarrow \infty\rightarrow\lim_{n\rightarrow \infty } (1+\frac{Q}{n})^{n}=e^{Q}

       根據上述Q的定義,即等於單位時間內的瞬時實際利率之和,這也利息理論中的名義利率是類似的,因此,實際上,我們還可以認爲Q是連續時間下的名義利率。具體關於名義利率的定義和信息,可以參考筆者的這篇文獻《利率、連續複利和利息強度》

四、連續時間下的價格運動描述

       在金融市場,在交易時間,資產價格的變化可以認爲是連續的,其每時每刻都受市場信息的影響發生變動,因此,股價運動過程更應該被認爲是一個連續時間下的過程,且是一個連續複利過程,因爲在較小的時間尺度上,投資者獲取的資本利得往往不會立馬被出金,而是繼續留在資本市場中進行復利運動。所以,資產價格的運動可以通過利息強度來描述,不同的是,由於上述的利息強度是一個常值,而市場中的價格是一個隨機變量,因此我們預期資產價格對應的利息強度也是一個隨機變量,即其不是一個常值,但是期望爲Q。這裏的利息強度同時也是名義利率,如果讀者對利息強度的概念比較陌生,也可以用名義利率去理解。所以,根據第二部分,我們對價格可以得到如下的形似。其中V表示一個期望爲Q的隨機變量。

logP_{t+1}=logP_{t}+V

五、有效市場假說下(EMH)的隨機變量V服從正態分佈

       根據利息強度定義,其爲單位時間內無數個瞬時實際收益率之和;在小區間時間內,資產收益率是一個隨機變量, 在有效市場假說下, 不同時間區間內的收益率是相互獨立的,那麼根據中心極限定理,V必然服從正態分佈,同時,由於是在EMH下,在不考慮貨幣時間價值(無風險利率)的情況下,V的期望應該是0。因此,就得到了有效市場假說的形式化表達。

logP_{t+1}=logP_{t}+\varepsilon\varepsilon \sim N(0,\sigma ^{2})

這裏的\sigma表示單位時間對數收益率的波動率。

六、絕對價格爲何不合理?

       爲何不能直接用價格,而是要用對數價格呢?我們上述對於對數價格的推導是基於利息強度的,根本是在於用了利息強度去描述連續時間下的價格運動過程,而且我們知道這是合理的。但是問題在於,爲什麼直接用如下形式,即直接用價格描述是不合理的呢?

P_{t+1}=P_{t}+\varepsilon

       其實價格的一階差分可以認爲是平穩的,而且由於價格的可加性,\varepsilon也必然是正態分佈,這些都沒有什麼問題。問題在於,這樣正太分佈中的波動率將表示的是價格差分的波動率,不再是相對概念下的收益率。價格差分是一個絕對概念,波動率對於高價股和低價股,兩者具有很大的差別,所以波動率是收價格本身的影響的,不具有普適性。事實上,我們其實並不在意絕對價格,更在意的是不受價格影響的相對概念,比如簡單收益率或者對數收益率;對數價格下的波動率就是由對數收益率log\frac{P_{t+1}}{P_{t}}計算得到的,這裏的對數收益率中的價格的比值就已經剔除了價格本身帶來的影響。

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