Ito引理证明
约翰.赫尔,期权期货和其他衍生品(third edition)习题答案
12.1 一个证券组合当前价值为$1000万,β值为1.0,S&P100目前位于250,解释一个执行价格为240。
标的物为S&P100的看跌期权如何为该组合进行保险?当S&P100跌到480,这个组合的期望价值是10 ×(480/500)=$9.6million.买看跌期权10,000,000/500=20,000可以防止这个组合下跌到$9.6million下的损失。
因此总共需要200份合约12.2 “一旦我们知道了支付连续红利股票的期权的定价方法,我们便知道了股票指数期权、货币期权和期货期权的定价”。
请解释这句话。
一个股票指数类似一个连续支付红利的股票12.3 请说明日圆看涨期权与日圆期货看涨期权的不同之处一个日元的看涨期权给了持有者在未来某个时刻以确定的价格购买日圆的权利,一个日圆远期看涨期权给予持有者在未来时刻远期价格超过特定范围按原先价格购买日圆的权利。
如果远期齐权行使,持有者将获得一个日圆远期和约的多头。
12.4请说明货币期权是如何进行套期保值的?12.5 计算3个月期,处于平价状态的欧式看涨股票指数期权的价值。
指数为250。
无风险年利率为10%,指数年波动率为18%,指数的年红利收益率为3%。
一个日元的看涨期权给了持有者在未来某个时刻以确定的价格购买日圆的权利,一个日圆远期看涨期权给予持有者在未来时刻远期价格超过特定范围按原先价格购买日圆的权利。
如果远期齐权行使,持有者将获得一个日圆远期和约的多头。
12.6 有一美式看涨期货期权,期货合约和期权合约同时到期。
在任何情况下期货期权比相应的标的物资产的美式期权更值钱?当远期价格大于即期价格时,美式远期期权在远期和约到期前的价值大于相对应的美式期权/12.7 计算5个月有效期的欧式看跌期货期权的价值。
期货价格为$19,执行价格为$20,无风险年利率为12%。
期货价格的年波动率为20%。
本题中12.8 假设交易所构造了一个股票指数。
Ito's lemma and Black-Scholes model(伊藤定理的简单推导与BS模型的推理)
Ito’s lemma and Black-Scholes modelZhiming Liao (chiminhlyao@)Ito’s lemma and Black-Scholes model are indispensable tools in financial applications. Ito lemma, named after its discoverer, Kishi Ito, is of great importance in finding the differential of a function of a particular type of stochastic process. When Fischer Black and Myron Scholes published their work-the pricing of options and corporate liabilities in the Journal of Political Economy in the 1970s, their prominent work immediately drew the interest of the Chicago option market, in 1997, they were awarded Nobel Prize in economics for this significant contribution to financial theory. Since then, Black-Scholes model has been playing a vital role in calculating options. This short paper will address Ito’s lemma and Black-Scholes model and their proofs.Ito’s lemmaSuppose y(t) follows a diffusive stochastic process, that is to saydy t=u y dt+σy dz tHere, u y is the instantaneous expected rate of change in the y and σy is its instantaneous standard deviation.And f y,t is a function differentiable twice in the first argument and once in the second. Then f also follows a diffusive processd f y,t=ðf+ðfu y+1ð2f2σy2dt+ðfσy z tProof (informal derivation using Taylor series expansion formula) Taylor series expansion in two variablesf(x.y)=f(x0.y0)+x−x01!f x x0.y0+y−y01!f y x0.y0+x−x022!f xx x0.y0+x−x0y−y0f xy x0.y0+y−y02f yy x0.y0+x−x03f xxx x0.y0+x−x022!y−y01!f xxy x0.y0+x−x01!y−y022!f xyy x0.y0+y−y03f yyy x0.y0+⋯Assume that we are initially at some α,t and that a short interval of time ∆t passes. During this ephemeral period there will be some associated∆z. Using the Taylor expansion above,f α+u y∆t+σy∆z,t+∆t=fα,t+ u y∆t+σy∆z f y+∆tf t+1u y∆t+σy∆z 2f yy+ u y∆t2+σy∆z∆t f yt+1∆t2f tt+t ird and ig er order termsTherefore,∆f=f α+u y∆t+σy∆z,t+∆t −fα,t= u y∆t+σy∆z f y+∆tf t+12u y∆t+σy∆z 2f yy+ u y∆t2+σy∆z∆t f yt+12∆t2f tt+t ird and ig er order termsSince z is following a standard Brownian motion, ∆z is normally distributed with expected value 0 and variance ∆t. It is easy to check that, E∆z2=∆t.E∆f=1σy2f yy+u y f y+f t∆t+second and ig er order terms in∆tWhen ∆t tends to 0 or small enough, we can ignore higher order terms, so we can get the expected rate of change in f in accord with Ito’s lemma above.Thus,∆f−E∆f=σy∆zf y+second and ig er order terms in∆t and∆zThis e quation is the last part of the Ito’s lemma expression.A formal correct proof can be fo und in Malliaris and Brock’s paper-Stochastic methods in economics and finance.ExampleIn a world with a constant nominal interest rate r, a bond portfolio with value of $1 at time 0 and continuously reinvested coupon payments will be worth B(t)=e rt at time t. Suppose that the price level evolves randomly according to the stochastic processdP=μPdt+σPdzWhere μ is the expected inflation rate and σ is its proportional standard deviation per unit time. The real value of the bond portfolio at time t will beb t=B tWhat is the expected real return on the bonds?Example 2 in the textbook- copula methods in finance-page 9Notice that, givends t=μS t dt+σS t dz tWe can get f S,t=ln S t to obtaind ln S t= μ−12σ2dt+σdz tIf μ and σ are constant parameters, it is easy to obtainln Sτ∼N ln S t+ μ−1σ2τ−t,σ2τ−tWhere N m.s is the normal distribution with mean m and variance s. Then, Pr Sτℑt is described by the lognormal distribution.Black- Scholes modelIn the simplest form, this model involves two underlying assets, a riskless asset like cash bond and a risky asset such as stock. The riskless asset appreciates at the short rate, or riskless rate of return r t, which is assumed to be nonrandom, although possibly time-varying. Thus, the price of the riskless at time t is assumed to satisfy the differential equationdB t=r t B t Whose solution for the value B 0=1is B t =exp r s ds t0 ProofdB t dt =r t B t ⇔dB t B t =r t dt ⇒dln B tdt =r t ⇔ln B t = r s tds +c⟹B t =exp r s t0 ds (As B 0=1, c=0)The share price S t of the risky asset stock at time t is assumed to follow a stochastic differential equation of the formdS t =μt S t dt +σS t dW t ,Where W t is a standard Brownian motion, μt is a nonrandom function of t, and σ>0 is a constant called the volatility of the stock. Lemma 1If the drift coefficient function μt is bounded, then the SDE(stochastic differential equation) has unique solution with initial condition S 0; and it is given byS t =S 0exp σW t −σ2t2+ μs ds tMoreover, under the risk-neutral measure, it must be the case thatr t =μt .Proof.dW t =0+1dW t (u w =0,σw =1) Consider function S W t ,t =S 0exp σW t −σ2t 2+ μsds t0 Applying Ito’s Lemma,S W =S t σ S WW =S t σ2S t =S t μt −σ22Then,d S W t ,t = ðS ðt +ðS ðW u w +12ð2S ðW 2σw 2 dt +ðS ðW σWdW t = S t μt −σ22 +12S t σ2 dt +S t σdW t =μt S t dt +σS t dW tSo dS t =μt S t dt +σS t dW t , thus proved the first argument of this lemma.Under risk-neutral assumption, the discounted share price of stock must be a martingale. The discount factor is B t , so the discounted share price of stock isS t ∗=S t t =S 0exp σW t −σ2t2+ μs ds t 0 exp r sds t 0=S 0exp σW t −σ2t + μS −r s ds t 0 Applying Ito’s lemma once more, we can havedS t ∗=σS t ∗dW t +S t ∗ μS −r s dtIn order that S t∗ be a martingale, the dt term must be 0; this implies that r t=μt.Lemma 2Under the risk-neutral measure, the ln of the discounted stock price at time t is normally distributedwith mean lnS0−σ2t2 and variance σ2t.Proof,Consider function f S t∗,t=lnS t∗,From the proof of Lemma 1, we can saydS t∗=σS t∗dW t+S t∗μS−r s dt=σS t∗dW t (Under risk-neutral assumption,μS−r s=0) That is dS t∗=σS t∗dW tApplying Ito’s lemma, dlnS t∗=−σ22dt+σdW tAnalogous with example 2 in Ito’s lemma,E(lnS t∗)=E lnS0−σ22t+σdW t=lnS0−σ22tVar(lnS t∗)=Var lnS0−σ22t+σdW t=VarσdW t=σ2Var dW t=σ2tThe Black-Scholes formula for the price of a European Call optionEuropean Call on the asset Stock with strike K and expiration date T is a contract that allows the owner to purchase one share of stock at price K at time T. Thus, the value of the Call at time T is S T−K+. According to the fundamental theorem of arbitrage pricing, the price of the asset Call at time t=0 must be the discounted expectation, under the risk-neutral measure, of the value at time t=T, which, byLemma 1, isC S0,0;K,T =E S T∗−KB T+Where S T∗ has the distribution specified in Lemma 2. A routine calculation, using integration by parts, shows that C x,0;K,T may be rewritten asC x,0;K,T=xΦz−KB TΦ z−σTWhere z=ln xB TK+σ22TσTand Φis the cumulative normal distribution function.ProofAs proved before,S t∗=S tB t=S0exp σW t−σ2t2+μS−r s dstUnder the risk-neutral measure, we haveS T∗=S0exp σW T−σ2T 2Where W T follows standard Brownian motion, W T~N0,T Let W T=g T, so g~N0,1ThereforeS T∗=S0exp σg T−σ2T2g~N0,1C X,0;K,T=E S T∗−KT+S T∗−KT≥0 ⟺xexp σg T−σ2T≥KT⟹σg T−σ2T≥lnKT⟺g≥σ2T2−lnxB TKσTDenote z=ln xB TK+σ22TσT, then S T∗−KB T≥0 ⟺g≥σT−ZC X,0;K,T=E S T∗−KB T+=E xexp σg T−σ2T2−KB T+= xexp σy T−σ2T2−KB Te−y222π∞σT−Z= xexp σy T−σ2T2e−y222π∞σT−Z −KBe−y222π∞σT−Z=x exp σy T−σ2T2e−y222π−∞σT−Z KB Te−y222π∞σT−Z=x exp −σy T−σ2T2e−y222π−z−σT −∞KB T−y222πz−σT−∞=x exp −σy T−σ2T e−y222π−KTΦ z−σTz−σT −∞While x exp −σy T−σ2T2−y222πz−σT −∞=x2π −σ s−σT T−σ2T2− s−σT22d s−σTz(Substitute y=s−σT)=x12π−s22ds z−∞=xΦz。
伊藤引理
where
u(XT , T ) − u(X0, 0) = ∆uk ,
tk <T
∆uk = u(Xk + ∆Xk, tk + ∆t) − u(Xk, tk) , ∆Xk = Xk+1 − Xk .
The Taylor expansion is
∆uk
=
∂x uk ∆Xk
+
1 2
∂x2uk
(∆Xk )2
+
3
≤ C∆t 2 .
2
up the terms (∆X)2 and adding up the terms v(Xt)∆t have the same limit as ∆t → 0. Both of these arguments use ideas from Lesson 3 and Assignment 3.
There also is an application of Borel Cantelli to show that the arguments are
∂t uk ∆t
+ O(|∆Xk|3) + O(∆t |∆Xk|) + O(∆t2) .
We sum over k. On the left side we get u(XT , t) − u(X0, 0). There are six sums on the right to consider.
第0章、数学基础:拉格朗日法
动态规划的基础:拉格朗日法我们首先学习多元函数的微分,然后使用多元函数的微分学习无约束的极值问题,并推广到有约束的极值问题,最后学习包络定理、动态规划的基本原理和Ito 引理。
这些数学知识是非常重要的。
我们只需要掌握它们就可以求解绝大部分经济学和金融学中的动态规划问题。
第1节 多元函数微分定义:设列向量12(,,...,)'n x x x =x ,此处上标“’”表示矩阵的转置(有时我们也用上标T 表示矩阵的转置),多元函数(向量函数):n f R R →,那么多元函数的微分()f ∂∂x x定义为如下n 维列向量1()/()()/n f x f f x ∂∂⎛⎫∂ ⎪≡ ⎪∂ ⎪∂∂⎝⎭x x x x 例:基于两种商品的效用函数为12()U Ax x αβ=x ,那么11211221()A x x U A x x αβαβαβ--⨯⎛⎫∂= ⎪∂⎝⎭x x 例:基于劳动和资本的生产函数为()F AL K αβ=z ,那么11()A L K F A L K αβαβαβ--⎛⎫∂= ⎪∂⎝⎭z z 引理:a 和x 都是n 维列向量,A 是n 维矩阵,那么如下等式成立:(1)、1(')n ⨯∂=∂a xa x;(2)、()'∂=∂Ax A x ;(3)、(')(')∂=+∂x Ax A A x x。
证明:因为a’x 和x’Ax 都是一维的,所以都可以视为关于x 的多元函数。
因此,使用多元函数微分的定义就可以很容易证明(1)和(3)。
对(1)使用n 次,就可以得到(2)。
证明结束。
定义:多元函数()f x 的海塞(Hessian )矩阵2()'f ∂∂∂x x x 定义为22()'i jn nf fx x ⨯⎛⎫∂∂= ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭x x x 即矩阵的第i 行第j 列是函数f 关于i x 和j x 的二阶偏导数。
第2节 无约束极值问题由于研究函数()f x 的极大值问题与研究函数()f -x 的极小值问题是等价的,所以为了方便,我们主要研究函数的极大值问题。
伊藤引理
Itō's lemmaIn mathematics,Itō's lemma is used in Itōstochastic calculus to find the differential of a function of a particular type of stochastic process. It is named after its discoverer,Kiyoshi Itō.It is the stochastic calculus counterpart of the chain rule in ordinary calculus and is best memorized using the Taylor series expansion and retaining the second order term related to the stochastic component change.The lemma is widely employed in mathematical finance and its best known application is in the derivation of the Black–Scholes equation used to value options.Ito's Lemma is also referred to currently as the Itō–Doeblin Theorem in recognition of the recently discovered work of Wolfgang Doeblin.[1]Mathematical formulation of Itō's lemmaIn the following subsections we discuss versions of Itō's lemma for different types of stochastic processes.Itōdrift-diffusion processesIn its simplest form,Itō's lemma states the following:for an Itōdrift-diffusion processand any twice differentiable functionƒ(t,x)of two real variables t and x,thenThis immediately implies thatƒ(t,X)is itself an Itōdrift-diffusion process.In higher dimensions,Ito's lemma stateswhere is a vector of Itōprocesses, is the partial differential w.r.t.t,is the gradient of ƒw.r.t.X,and is the Hessian matrix ofƒw.r.t.X.[edit]Continuous semimartingalesMore generally,the above formula also holds for any continuousd-dimensional semimartingale X=(X1,X2,…,X d),and twice continuously differentiable and real valued function f on R d.Some people prefer to present the formula in another form with cross variation shown explicitly as follows,f(X)is a semimartingale satisfyingrepresents the partial derivative of f(x) In this expression,the term fiwith respect to x i,and[X i,X j]is the quadratic covariation process of X i and X j.[edit]Poisson jump processesWe may also define functions on discontinuous stochastic processes. Let h be the jump intensity.The Poisson process model for jumps is that the probability of one jump in the interval[t,t+Δt]is hΔt plus higher order terms.h could be a constant,a deterministic function of time or a stochastic process.The survival probability p s(t)is the probability that no jump has occurred in the interval[0,t].The change in the survival probability isSoLet S(t)be a discontinuous stochastic process.Write S(t−)for the valueof S as we approach t from the left.Write d j S(t)for the non-infinitesimalchange in S(t)as a result of a jump.ThenLet z be the magnitude of the jump and letη(S(t−),z)be the distribution of z.The expected magnitude of the jump isDefine dJ S(t),a compensated process and martingale,asThenConsider a function g(S(t),t)of jump process dS(t).If S(t)jumps byΔsthen g(t)jumps byΔg.Δg is drawn from distributionηg()which may dependon g(t−),dg and S(t−).The jump part of g isIf S contains drift,diffusion and jump parts,then Itō's Lemma for g(S(t),t) isItō's lemma for a process which is the sum of a drift-diffusion process and a jump process is just the sum of the Itō's lemma for the individual parts.[edit]Non-continuous semimartingalesItō's lemma can also be applied to general d-dimensional semimartingales, which need not be continuous.In general,a semimartingale is a càdlàg process,and an additional term needs to be added to the formula to ensure that the jumps of the process are correctly given by Itō's lemma.For anycadlag process Yt ,the left limit in t is denoted by Yt-,which is aleft-continuous process.The jumps are written asΔYt =Yt-Yt-.Then,Itō's lemma states that if X=(X1,X2,…,X d)is a d-dimensional semimartingale and f is a twice continuously differentiable real valued function on R d then f(X)is a semimartingale,andThis differs from the formula for continuous semimartingales by the additional term summing over the jumps of X,which ensures that the jump of the right hand side at time t isΔf(Xt).[edit]Informal derivationA formal proof of the lemma requires us to take the limit of a sequence of random variables,which is not done here.Instead,we give a sketch of how one can derive Itō's lemma by expanding a Taylor series and applying the rules of stochastic calculus.Assume the Itōprocess is in the form ofExpanding f(x,t)in a Taylor series in x and t we haveand substituting a dt+b dB for dx givesIn the limit as dt tends to0,the dt2and dt dB terms disappear but the dB2term tends to dt.The latter can be shown if we prove thatsinceDeleting the dt2and dt dB terms,substituting dt for dB2,and collecting the dt and dB terms,we obtainas required.The formal proof is somewhat technical and is beyond the current state of this article.[edit]Examples[edit]Geometric Brownian motionA process S is said to follow a geometric Brownian motion with volatility σand driftμif it satisfies the stochastic differential equation dS =S(σdB+μdt),for a Brownian motion B.Applying Itō's lemma with f(S)=log(S)givesIt follows that log(St )=log(S)+σBt+(μ−σ2/2)t,andexponentiating gives the expression for S,[edit]The Doléans exponentialThe Doléans exponential(or stochastic exponential)of a continuous semimartingale X can be defined as the solution to the SDE dY=Y dXwith initial condition Y= 1.It is sometimes denoted byƐ(X).Applying Itō's lemma with f(Y)=log(Y)givesExponentiating gives the solution[edit]Black–Scholes formulaItō's lemma can be used to derive the Black–Scholes formula for an option. Suppose a stock price follows a Geometric Brownian motion given by the stochastic differential equation dS=S(σdB+μdt).Then,if thevalue of an option at time t is f(t,St),Itō's lemma givesThe term(∂f/∂S)dS represents the change in value in time dt of the trading strategy consisting of holding an amount∂f/∂S of the stock.If this trading strategy is followed,and any cash held is assumed to grow at the risk free rate r,then the total value V of this portfolio satisfies the SDEThis strategy replicates the option if V=f(t,S).Combining these equations gives the celebrated Black-Scholes equation。
第19讲Ito公式
第19讲Ito公式Ito公式是金融数学中的一个重要定理,它由日本数学家伊藤清提出,被广泛应用于金融领域的随机微分方程和随机积分的计算中。
本讲将对Ito公式进行详细介绍。
1. Ito过程Ito过程是一个随机过程,它可以用随机微分方程来描述。
一个典型的Ito过程可以表示为以下形式:dX(t) = a(t)dt + b(t)dW(t)其中,X(t)是随机过程,a(t)和b(t)是确定性函数,dW(t)是一个Wiener过程(或布朗运动)的随机微分项。
2. Ito公式的基本形式Ito公式给出了一个随机函数在Ito过程下的微分形式。
设Y(t)是一个随机函数,它可以表示为以下形式:Y(t)=f(t,X(t))其中,f(t, x)是一个确定性函数。
那么,根据Ito公式,Y(t)的微分形式可以表示为:dY(t) = (∂f/∂t)dt + (∂f/∂x)dX(t) + (1/2)(∂²f/∂x²)dt其中,(∂f/∂t)和(∂f/∂x)分别是f(t,x)对时间t和状态x的偏导数,(∂²f/∂x²)是f(t,x)对状态x的二阶偏导数。
3. Ito公式的推导Ito公式的推导基于Taylor展开和Ito引理。
首先,根据Taylor展开,我们可以将函数f(t, x)在(t, X(t))附近展开为:f(t+dt, X(t+dt)) = f(t, X(t)) + (∂f/∂t)dt + (∂f/∂x)dX(t) +(1/2)(∂²f/∂x²)(dX(t))²其中,(dX(t))²是Wiener过程的二阶微分项。
然后,应用Ito引理将(dX(t))²替换为dt,得到:f(t+dt, X(t+dt)) = f(t, X(t)) + (∂f/∂t)dt + (∂f/∂x)dX(t) +(1/2)(∂²f/∂x²)dt最后,将上述等式两边同时减去f(t, X(t))并除以dt,可以得到Ito公式的基本形式。
2.4-Ito引理
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在信息集Ik-1给定的条件下,利用Talyor展开式将 F(Sk,k)在Sk-1和k-1展开:
F(Sk,k) F(Sk1,k1)Fs[Sk Sk1]
Ft
[h]
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由此,对于一阶项
lim
h0
Fs k h h
Fs k
lim
h0
Ft h h
Ft
当 h 0 时 ,Fs W k 越 来 越 大 h
所以,所有一阶项都无法忽略不计。
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由此,对于二阶项
limFuh2 0 h0 2h
limFss[ak2h2
h0
(kWk)2
2h
2akkhWk]
S
2 t
2 t
]dt
F St
t
dWt
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感谢您的阅读收藏,谢谢!
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Ito引理的第二种推证方法 令F(St,t)是关于t和随机过程St的二次可微函 数,
dSt t dt t dWt (t 0)
漂移项at和扩散项 t都有很好的性质。于是,我们有
dFt
F St
dSt
F t
dt
1 2
2F St2
2 t
d
t
将dSt代入上式得到
dFt
F [
St
at
F t
1 2
2F
1 2
Fss[Sk
Sk1]2
12 Fu[h]2 Fst[h(Sk Sk1)]R
布莱克_斯科尔斯期权定价公式的推导及推广
t) ] ( T - t ) , d2= d1- T - t , X 是期 权执 行价格, N ( %) 为累积标准正态分布函数。
同理, 用欧式买卖期权的平价公式可以得到欧式 卖出期权的定价公式:
P ( S , t ) = X e- r( T - t) N ( - d 2) - SN ( - d 1)
( 一) Bachelier 公式 期权定价理论的开 创性论文是 1900 年法国数 学 家 Bachelier L 的博士学位论文 #投资理论∃, 在这篇
论文中, Bachelier 假设股票价格的动态过程为布朗运 动, 股票收益为正态分布, 得到不分红股票的欧式买 入期权的定价公式为:
S- T
S- K
( 三) Boness 公式 Boness ( 1964) 假定股票收 益率为一个 固定的对 数分布, 利用股票的期望收益率, 通过将到期股票价 格贴现, 其欧式买入期权公式为: c ( S , T ) = SN ( d 1) - K e- TN ( d 2)
其中: d 1=
1 T
[ ln
(
S K
)
方法进行定价。
四、布莱克 斯科 尔斯 ( Black- Scholes) 公 式 的推导
( 一) 无风险投资组合方法 假设基础资产的价格过程为:
dS = !Sdt+ Sdw
( 3)
定义于 S 上的欧式期权的价格为 C ( S , t ) , 应
用 ITO 引理, 得:
dC= CSdS + Ctdt +
瞬时 标准 差, N ( %) 为标 准正 态分布 的分布 函数,
n ( %) 为标准状态分布的概率密度函数。该公式允许
有负的证券价格和期权价格, 而且没有考虑资金的时
金融工程模拟试卷及答案
一、金融工程模拟试卷及答案1、下列关于远期价格和期货价格关系的说法中,不正确的有:()A.当无风险利率恒定,且对所有到期日都不变时,交割日相同的远期价格和期货价格应相等。
B.当利率变化无法推测时,假如标的资产价格与利率呈正相关,那么远期价格高于期货价格。
C.当利率变化无法推测时,假如标的资产价格与利率呈负相关,那么期货价格高于远期价格。
D.远期价格和期货价格的差异幅度取决于合约有效期的长短、税收、交易费用、违约风险等因素的阻碍。
2、期货合约的空头有权选择具体的交割品种、交割地点、交割时刻等,这些权益将对期货价格产生如何样的阻碍?()A.提高期货价格B.降低期货价格C.可能提高也可能降低期货价格D.对期货价格没有阻碍3、下列说法中,不正确的有:()A.坚持保证金是当期货交易者买卖一份期货合约时存入经纪人帐户的一定数量的资金B.坚持保证金是最低保证金,低于这一水平期货合约的持有者将收到要求追加保证金的通知C.期货交易中的保证金只能用现金支付D.所有的期货合约都要求同样多的保证金5、假定某无红利支付股票的预期收益率为15%(1年计一次复利的年利率),其目前的市场价格为100元,已知市场无风险利率为5%(1年计一次复利的年利率),那么基于该股票的一年期远期合约价格应该等于:()A.115元B.105元C.109.52元D.以上答案都不正确6、下列因素中,与股票欧式期权价格呈负相关的是:()A.标的股票市场价格B.期权执行价格C.标的股票价格波动率D.期权有效期内标的股票发放的红利7、已知某种标的资产为股票的欧式看跌期权的执行价格为50美元,期权到期日为3个月,股票目前的市场价格为49美元,估量股票会在1个月后派发0.5美元的红利,连续复利的无风险年利率为10%,那么该看跌期权的内在价值为:()A.0.24美元B.0.25美元C.0.26美元D.0.27美元8、拥有无红利股票美式看涨期权多头的投资者有可能采取下列行动中的哪些?()A.一旦有钱可赚就赶忙执行期权B.当股价跌到执行价格以下时,购买一补偿性的看跌期权C.当期权处于深度实值时,该投资者能够赶忙出售期权D.关于投资者而言,提早执行该期权可能是不明智的10、下列期权的组合中,能够构成牛市差价组合的是:()A.一份看涨期权多头与一份同一期限较高协议价格的看涨期权空头B .一份看跌期权多头与一份同一期限较高协议价格的看跌期权空头C .一份看涨期权多头与一份同一期限较低协议价格的看涨期权空头D .一份看跌期权多头与一份同一期限较低协议价格的看跌期权空头二、 判定题(各2分,共20分)1、 其他条件均相同,β值高的股票的期货价格要高于β值低的股票的期货价格。
BlackScholes期权定价模型(2)
独立。
特征的理解
特征1: 特征2: 马尔可夫过程:只有变量的当前值才与未来的 2024/预1/29 测有关,变量过去的历史和变量从过去到现在的演5
标准布朗运动〔续〕
考察变量z在一段较长时间T中的变化情形:
z〔T〕-z(0)表示变量z在T中的变化量
这正好与μ作为预期收益率的定义相符。
2024/1/29
15
〔2〕股票价格对数收益率服从正态分 布 由于dG实际上就是连续复利的对数收益率。
因此几何布朗运动实际上意味着对数收益率遵 循普通布朗运动,对数收益率的变化服从正态 分布,对数收益率的标准差与时间的平方根成 比例。
将t与T之间的连续复利年收益率定义为η,那
衍较生长证时券间的段定后价的与连标续的复资利产收的益预率期的收期益望率值等μ是于无关的22。 ,这是因 为较长时间段后的连续复利收益率的期望值是较短时间内收益率 几何平均的结果,而较短时间内的收益率那么是算术平均的结果。
σ:
是证券价格的年波动率,又是股票价格对数收益率的年标准差
因此一般从历史的价格数据中计算出样本对数收益率的标准差, 再对时间标准化,得到年标准差,即为波动率的估计值。
时间变化。这就是伊藤过程。
I假to设引变理量dGx遵(循Gx a伊 G藤t 过12 2x程G2 b,2)dt那 G么x bd变z 量x和t的函数G将遵
循如下过程:
b都是x和(tG其的x )2中函b2 ,数z,遵因循此一函个数标G准也布遵朗循运伊动藤。G过x a由程 于,Gt a它12和2xG2 b2
几何布朗运动的深入分析
在很短的时间Δt后,证券价格比率的变化值 为: S t t
维纳过程和伊藤引理
Weak-Form Market Efficiency
市场弱式有效
This asserts that it is impossible to produce consistently superior returns with a trading rule based on the past history of stock prices. In other words technical analysis does not work. 这表明不可能利用基于历史股价的交易规则来获取持续的超额 收益
12
Generalized Wiener Processes
广义维纳过程
A Wiener process has a drift rate (i.e. average change per unit time) of 0 and a variance rate of 1 维纳过程的漂移率(即变量每单位时间的平均变 化)为0,方差率为1
In this respect, stochastic calculus is analogous to ordinary calculus 随机微积分可以类比于普通微积分
15
Taking Limits . . .取极限
16
The Example Revisited 回到上面例子
A stock price starts at 40 and has a probability distribution of f(40,100) at the end of the year 股票价格开始为40美元,年末股票价格服从f(40,100) 的正态 分布
为什么广义维纳过程对股票不合适
For a stock price we can conjecture that its expected percentage change in a short period of time remains constant (not its expected actual change) 对于股票价格,我们可以猜测在短期内股票价格百分比变化的期望 保持不变(不是实际价格变化的期望)
期权定价的Black-Scholes-Merton模型
dƒ
ƒ S
mS
ƒ t
½
2ƒ S 2
s2S
2
dt
ƒ S
sS
dz
W e set up a portfolio consisting of
1: derivative
+ ƒ : shares S
22
Black-Scholes 微分方程的推导
The value of the portfolio is given by ƒ ƒ S S
函数的过d程x 。a数x,学td表t 达b式x为,t:dz
其中,参数a和b是标的变量 x 和 t 的函数。
股票价格的 Itoˆ 过程
dS mSdt sSdz
其中,m是期望收益率,s是波动率。 等价地,离散时间过程表示为
DS mSDt sS Dt蒙特卡罗模拟 蒙特卡罗模拟是一种工具,可用来评估在 未来某个时期可能实现的各种不同损益的 可能性。它是通过模拟市场价格和波动率 的变动,得到在某个指定时期该证券组合 盈亏的整个概率分布。对于包含许多不同 标的资产的证券组合,在已知这些标的资 产之间相关性的条件下,蒙特卡罗模拟可 用于评估该组合的风险。
N(d 1)e– qT 支付股息率为q 的欧式看跌期权的delta值为
e– qT [N (d 1) – 1]
39
Delta对冲
对冲策略要不断的调整,这种调整过程被 称为再平衡
Delta对冲一个书面的期权涉及到“买高, 卖低” 交易规则
40
运用期货的Delta对冲
期货合约的delta值是现货交易合约的e(r-q)T倍 因此用于delta对冲期货合约的头寸是对应现
ito引理 matlab
ito引理matlabITO引理是一种用于求解线性常微分方程的一般方法。
在MATLAB中,我们可以使用ITO引理来解决一阶和高阶线性常微分方程。
在本文中,我们将介绍ITO引理的基本概念,并演示如何在MATLAB中应用ITO引理来求解不同类型的微分方程。
ITO引理是由数学家Kiyoshi Ito提出的,它是微分方程理论中的一个重要工具。
根据ITO引理,给定一个一阶线性常微分方程:\frac{dy(t)}{dt} = A(t)y(t) + f(t) \quad \quad \quad (1)其中A(t)是t的函数,y(t)是未知函数,f(t)是已知函数,我们可以将该方程表示为矩阵形式:\frac{d\mathbf{y}}{dt} = \mathbf{A}(t)\mathbf{y}(t) + \mathbf{f}(t) \quad \quad \quad (2)其中\mathbf{y}(t)是一个列向量,\mathbf{A}(t)是随t变化的方阵,\mathbf{f}(t)是一个列向量。
现在,我们将演示如何使用MATLAB来解决方程(2)。
首先,我们需要定义时间变量t的范围和步长。
假设我们希望在t=0到t=10的范围内求解微分方程,步长为0.01,我们可以使用MATLAB的`linspace`函数来定义时间变量t:MATLABt = linspace(0, 10, 1001); 定义时间范围和步长接下来,我们需要定义已知函数\mathbf{f}(t)和方阵\mathbf{A}(t)。
假设我们已经知道\mathbf{f}(t)=2t和\mathbf{A}(t)=\begin{bmatrix} 1 & -2 \\ 3 & 0 \end{bmatrix},我们可以在MATLAB中定义它们:MATLABf = 2*t; 定义已知函数f(t)A = (t) [1, -2; 3, 0]; 定义随t变化的方阵A(t)现在,我们可以使用ITO引理来求解微分方程。
ito引理 matlab -回复
ito引理matlab -回复ITO引理(ITO's Lemma in Matlab)Introduction:ITO引理(ITO's Lemma)是数学中一种经典的微积分工具,广泛应用于金融数学和随机过程领域。
本文将以Matlab语言为工具,对ITO引理进行详细解析和实现。
1. 理论基础1.1 随机微积分概述随机微积分是研究随机过程的微积分方法,其中ITO引理是最重要的基础。
随机微积分主要用于描述财务衍生品定价、投资组合管理和风险管理等问题。
1.2 ITO引理ITO引理是用来求解随机过程表达式的微分形式,它描述了具有随机组成的函数的导数的计算方法。
通过ITO引理,我们可以将随机微分方程转化为随机微分方程。
2. ITO引理的数学公式ITO引理的数学表达式如下:dY(t) = a(t)dt + b(t)dW(t)其中,dY(t)表示函数Y(t)的微分形式,a(t)和b(t)是已知的函数,dW(t)表示一个Wiener过程。
3. ITO引理的使用步骤在Matlab中,我们可以通过以下步骤实现ITO引理的计算和应用:步骤1:导入必要的库首先,我们需要导入Matlab中的金融数学工具包,例如“Financial Toolbox”。
步骤2:定义函数和随机过程接下来,我们需要定义函数Y(t)和随机过程W(t)。
步骤3:应用ITO引理利用ITO引理,我们可以计算函数Y(t)的微分形式dY(t)。
根据ITO引理的数学公式,我们需要求解函数a(t)和b(t)。
步骤4:进行数值计算和模拟仿真在使用ITO引理进行数值计算和模拟仿真之前,我们需要设定参数值、时间步长和仿真区间等。
步骤5:绘制结果图表最后,我们通过Matlab的绘图功能,将计算和模拟结果可视化,以便更好地理解和分析。
4. ITO引理在金融数学中的应用ITO引理在金融数学中有广泛的应用,例如用于财务衍生品定价、风险管理和投资组合管理等问题。
随机积分与Ito定理
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一、多变量情况
其中
02
则
03
设 为 两个受维纳过程影响的随机过程
01
首页
04
01
02
03
04
05
06
07
08
由此可得
这些等式代入上式即得双变量Ito公式
首页
前面讨论的随机微分等式,其中的项 都只是近似讨论,而没给出精确的解释。但如果给出Ito积分的定义,反过来才能更确切地讨论。
即若用微分方程
代表资产价格 的动态行为,
那么能否对两边取积分,即
也就是说,是否等式右边第二项的积分有意义?
例2
求
解
因
故有Ito定理可得
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例4
计算Ito积分
解
设
得
其相关积分等式
故
即
注
这个结果与本章第二节计算出来的结果相同,可作为计算Ito积分的工具。
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例5
01
计算积分
02
解
03
定义
04
由Ito定理得
05
其对应的积分等式
06
故
07
首页
08
STEP5
第八章 随机积分 — Ito积分
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第一节 引 言
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第三节 Ito积分的特征
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第五节 更复杂情况下的Ito公式
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weyl 引理的证明
weyl 引理的证明Weyl引理是谱几何中的一个重要结果,它描述了紧致流形上的特征值分布与流形的几何性质之间的关系。
下面简要介绍Weyl引理的证明思路:首先,考虑一个紧致Riemann流形M上的Laplace算子Δ和它的特征值问题Δφ = λφ,其中φ是紧支撑的C^∞函数。
我们的目标是证明Δ的特征值λ的个数在λ趋于正无穷时的增长速度取决于流形的几何性质。
证明思路可以分为两步:步骤一:通过构造适当的截断函数,将特征值问题转化为控制函数所在的有界区域上的问题。
具体来说,我们引入一个光滑函数χ: M → [0, 1],使得χ(x) = 1当|x| ≤ R,χ(x) = 0当|x| ≥ 2R,其中R是一个足够大的正实数。
然后我们考虑修正的Laplace算子Δ_R = χΔ,它在R半径的球内有效,在2R 半径的球外为零。
对于特征值问题Δφ = λφ,我们改写为Δ_Rφ = λφ。
步骤二:使用Sobolev不等式和Poincaré不等式来控制特征函数的增长速度。
利用Sobolev不等式,我们可以得到一个常数C > 0,使得对于任意的R半径的球内的φ,有||φ||_2 ≤ C||Δ_Rφ||_2。
此外,根据Poincaré不等式,我们有关于L^2范数的估计||φ - μ||_2 ≤ D||∇φ||_2,其中μ是φ在整个流形上的平均值。
结合这两个不等式,我们可以得到一个关于特征函数的估计,即||φ - μ||_2 ≤ Eλ^k/2||φ||_2,其中k是流形的维度。
通过步骤一和步骤二的分析,我们可以得出结论:特征值λ的增长速度满足定理所述形式,即随着λ趋于正无穷,特征值个数的增长速度受到流形几何性质的限制。
Weyl引理的证明是一个相对复杂而技术性较强的过程,涉及了谱几何、椭圆偏微分方程的理论和不等式估计等领域的知识。
ITO薄膜的能带结构和电导特性
第27卷 第5期2006年5月半 导 体 学 报C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RSVol.27 No.5May ,2006通信作者.Email :qzzzg @ya 2005207230收到,2006201226定稿Ζ2006中国电子学会ITO 薄膜的能带结构和电导特性张治国(泉州师范学院功能材料研究所,泉州 362000)摘要:从ITO 薄膜的电镜照片、XRD 分析出发,构造了该材料的平衡及非平衡能带结构简图.用克龙尼克2潘纳模型给出了带尾态分布.通过测量,得到了一个未见报道过的滞回式I 2V 特性曲线,这个实验值和理论模型给出的值大体相当.分析了I 2V 特性的形成机制,证明了能带结构模型的合理性.最后,ITO 薄膜的温度特性,结果显示,方块电阻与温度的关系曲线斜率从正变化到负.关键词:ITO 薄膜;能带结构;I 2V 特性PACC :6855;7125T ;7360中图分类号:O 47115 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)0520840206 1 引言I TO 薄膜是一种优秀的具有广泛应用性的透明导电薄膜,应用于彩色显示器的有机发光器件(OL ED ),具有优秀的图像质量,特别是在亮度以及对比度等方面.另外,I TO 薄膜还被广泛应用于固态平板显示器件、液晶屏、汽车贴膜、电磁屏蔽、国防航空、隔热防晒、保温隔紫外线等.I TO 薄膜具有低电阻率和高可见光透过率[1],高红外光反射率、较强的硬度、良好的抗酸碱及有机溶剂的能力等优良特性.I TO 薄膜还有一些未知的奇妙特性,为了拓宽这种材料的应用领域,对它的一些未知性能进行进一步研究是必要的.本文研究了I TO 薄膜的能带结构、晶粒间界的I 2V 特性以及温度电导特性.2 实验实验中采用反应蒸发工艺.使用普通MD 450型真空镀膜机,将面积为240m m ×220m m 的玻璃衬底置于特制的托架上.用机械泵将真空抽至2166Pa 时,关闭真空测量系统,充入氧气;继续抽真空至216×10-3Pa 时加热衬底.衬底温度控制在320℃.再次充入氧气,氧分压控制在8166×10-2Pa ,而后加热铟锡合金.加热功率为175W.生长时间为30mi n ,膜厚为400nm 左右.3 材料形貌分析和能带结构为了研究这种材料的导电机理,对不同功率膜材料作了电镜形貌观察和X RD 分析.由图1(a )所示的X RD 谱可以看出,样品由一个无序相和一个结晶相组成,结晶相属于立方晶系,晶格常数a 分别为11020(1#),11027(2#)和11024nm (3#).其中1#样品的结晶度较好,2#次之,3#最差.但是择优取向均为(222),晶面间距d =01294nm.由此可以判断,膜结构是由一种微晶结构(主体结构)和晶间相的非晶结构(次要结构)组成的.为了比较三个样品的晶粒尺度,分别对三个样品进行了形貌观图1 I TO 薄膜的S EM 照片(a )和XRD 谱(b )Fig.1 (a )Surf ace morp hologies of t hree sa mples ;(b )XRD p rofiles of t he I TO films第5期张治国: ITO 薄膜的能带结构和电导特性察,1#样品的晶粒大小约为140n m ,2#为80nm ,3#为20n m ,如图1(b )所示.由X RD 谱和S EM 照片的分析可以大致得出结论:I TO 膜是一种微晶材料,它们是由大小不同的晶粒子铺砌而成.它们的横断面应是像柏油路的卵石层,薄膜的主相类似卵石,晶间相(无序结构)类似于卵石间的小沙粒填充了晶粒间界.为了简化,作一些近似处理.现作几个近似假定:(1)在薄膜平面任意方向都是一列规则排列大小相等的方形晶粒子;(2)如果薄膜厚度大于晶粒子线度,就使其平均归一化.即认为薄膜是单层晶粒子的有序排列;(3)晶间相对于晶粒子而言可以看成是扩展态的散射势垒,而且散射势垒电势远大于格点电势[2,3].这样,就把薄膜看作是由一样大小的晶粒子有间隔地排列而成.特别地,这和方晶粒的机械排列不同,因为方晶粒的二维排列只能在经纬两个方向上,而非在任意方向上.本文的假设有助于处理问题,而且与实际情况相符,因为测到的电性能是各向同性的.对于每一个晶粒子而言,它的表面应该存在大量的悬键,由于悬键的存在使表面层原子离化,出现一个偶极层.故而沿x 方向在晶粒界面处能带上翘.由此可以构造任意方向晶粒子的一维能带图,如图2所示.图中的q Φc 为表面电离层形成的势垒,qV 0为电子的亲和势,其值约为414eV.qΦf 为费米能级与导带底之间的距离,E f 为费米能级,E v 为晶图2 一维晶粒列平衡能带示意图Fig.2 Schematic diagra m of equilibriume nergy band a nd t he dist ribution of ba nd tail state on one di 2mensional crystallite grain line体I TO 的价带顶,E c 为导带底;a 为等效后的晶粒子线度,b 为晶间宽度,X m 为电离层厚度,E ′c 为迁移率边.按图2和克龙尼克2潘纳模型,可以计算它的导带带尾和价带带尾态能量分布,由计算可得与能量有关的函数是F (E )=β2-α22βαsinh (βb )sin (cb )+cosh (βb )cos (cb )F (E )=cosk (a +b )(1)其中 α2=2m 0E/∂2;β2=2m 0(qV 0-E )/∂2;由于k 为实数,故上述两式亦可以写成-1≤F (E )≤1-1≤cos k (b +a )≤1(2)可见,F (E )的值被限制在-1~+1之间.再由(β2-α2)/2αβ=(qV 0-2E )/2(qV 0-E )E(3)可知,F (E )的定义域为0<E <qV 0;若进一步假定b/a =1/5,步长ΔE =0101qV 0,由计算机给出F (E )与E 之间的关系如图3所示.可以看到,这些电子态是间隔分布的(也可以把它叫做带尾态),但不论其中哪一条允带,其能量均低于晶界势垒.载流子在一维晶列中运动的时候仍然要受到晶界势垒的散射.可以估算对电导有主要贡献的自由载流子应位于带尾态的最高允带层.位于这一层的载流子能量距真空能级距离较近,受晶界势垒散射相对较小,隧道电流较大.这也是为什么我们可以把这类透明导电膜的电导做得非常高的主要原因之一.图3 带尾态能量分布图Fig.3 Distribution of band tail state b/a =1/5其次,从图中还可以看出,从0到0111qV 0以下的部分是和晶粒ITO 材料的禁带相连接,这使得ITO 薄膜材料的光学带隙在导带尾和价带尾双向加宽,意味着对短波长谱带的透过率展宽.这正是我们能够制成透明度很高的薄膜材料的原因.4 非平衡态下一维晶粒列的能带结构及电流 为了说明其导电机制,现在给晶列加上电压.在电压加了之后,晶界势垒左右两侧晶粒界面附近的电离层会发生变化.在反偏压一边电离层变厚,势垒变高;在正偏压一边电离层变薄,势垒变低;整个晶148半 导 体 学 报第27卷列能带倾斜,如图4所示.图4 非平衡态下一维晶粒列的能带结构Fig.4 Schematic diagram of the non 2equilibrium ener 2gy band of one dimensional crystallite line图4给出了位于导带底附近电子穿越势垒和被势垒散射的情形.由能带图可见,如果电子从右边向左边移动,它首先需要克服晶界势垒电场的反作用力,还需要克服一个反偏压势垒,因此电子沿-x 方向移动困难.相反地,电子反方向运动则容易得多,只要电子有机会越过晶界势垒便形成电流.按上述势垒模型可知,即使在外电压的作用下晶间势垒宽度也是不会变的,只是两侧的偶极层X m 在外偏压的作用下展缩,反偏侧扩展,正偏侧缩减,总势垒宽度近似地是Δ=b +X m (V ),如果考虑到两电极间所跨的势垒宽度,它应该是∑n1Δ,这是一维晶粒列模型的理想情况.对于一个膜元件来说,它是由这些晶粒列组成的二维模型.因此,Δ势垒对电阻率的贡献应该是一维晶粒列模型的并联效应.为了方便,结合微晶薄膜的实际情况可以估算一个等效势垒宽度:Δ′=B∑n1Δ,0<B ≤1,B 为比例系数.可以想象,假定纵向有A 个势垒,横向有C 个势垒,那么整个元件就有一个A ×C 的势垒阵列.显然,元件两电极间的等效势垒宽度就应该是Δ′.那么,通过该势垒的电流就应该是通过晶间势垒的隧道电流,并且通过一个类p n 结的(偶极层)电流,它们是一种串联形式;通过一个势垒的电流密度与施加在势垒两端的电压U 成正比,与势垒宽度Δ′成反比;与通过势垒的几率成正比;在外加偏压下势垒近似等效一个方型势垒,几率可表示为P =exp (-4πΔ′2m3qV 0/h )[4];因为它串联了一个类p n 结,那么它还应该与一个p n 结的电流因子J ′=A (U ,Δ′)[exp (qU/kt )-1]成正比,A 是一个与U 和Δ有关的电流量.因此,在上述模型中越过势垒的电流密度可以近似地用一个数学砌堆来表示:J =PJ ′.详细一点我们有J =[q 2U2m 3qV 0′/(h 2Δ′)]× exp [-4πΔ′2m 3qV 0′/h ]×[exp (qU/k T )-1](4)这里 q 是电子电荷;U 是势垒两端的电压;m 3是载流子的有效质量;qV 0′是电子能级距势垒顶部的平均距离.由图2和图3可以看出,在导带带尾中的第一允带的电子对电流的贡献可以忽略;还可以认为允带电子的分布是费米分布,则可以取第二允带(0147~0187qV 0)的电子平均能量为(1-e -1)qV 0,如此可以认为,所有第二允带的电子距真空能级的距离均为1122e V.此外,一般认为[5,6]m 3=0130m 0,m 0是薄膜的自由电子质量,h 为普朗克常数,k 为玻尔兹曼常数,T 为温度,取300K.Δ′的等效值在9~11nm 左右,我们取Δ′=10nm.势垒两端的电压可以这样估算:由于晶界势垒区、偶极层和晶粒子相比较是个高阻区,因此外加电压的绝大部分是被晶间区和偶极层分担.现设元件的总长度为L ,由图2可知,在L 的尺度下应该有的晶间数为n =L/(a +b ),那么每一个晶间所承担的电压为U ′=V/n(5)其中 V 为元件两端所施加的电压.(5)式可以改写为:U ′=V (a +b )/L(6) 为了比较,我们将已知数据带入(4)式,以外加偏压为自变量进行了计算并且作图,见图5.这是一个典型的整流结构,在外加偏压大于015V 时电流会急剧上升;在小于014V 时电流非常小.那么,实际的电流是否就如(4)式表示的那样,当qU 远大于k T 时,电流会急剧增加呢?我们用装有钨丝探针(2图5 由理论计算所描绘的I 2V 特性Fig.5 Computable I 2V characteristic探针相距1cm )的微动台和晶体管图示仪在材料表面的任意两点做了测量(在较大的薄膜面上探针相距1cm 测出的方块电阻正好等于按实际尺寸的测量值,而元件两电极间正好是一个正方形),发现结248第5期张治国: ITO 薄膜的能带结构和电导特性果(见图6)和由理论计算所做的图形(图5)相当接近.这证明了上述分析的合理性和所建立模型的合理性.图6 实测膜材料的滞回式I 2V 特性Fig.6 Hysteresis loop I 2V characteristic curve ofgrains boundaries由图6可以看出,材料的I 2V 特性(或者说晶粒间的I 2V 特性)几乎像一个双向稳压二极管的I 2V 特性;当外电压V =0时,电流I =0;当电压增加到a 点,约0148V 时,电流有转折点,而后急剧上升.这个趋势基本上与(4)式吻合.当测量反向特性时,电压在约-0148V 时电流为负亦有转折点g ,而后急剧下降,与正向特性高度对称.这一结果恰恰说明在文章开始时所做的三点假设是基本合理的.但是如果仔细观察这一曲线,就会发现电流似乎形成一个闭合环:正向时从oabcdo;反向时从oef g ho.现在只看正向情况,在acd 段出现了负电流.如果在外偏压下有方向不同的两股电子流,他们的和I 1+(-I 2)=I 也应该是一个值,不应该有两条电流线,这就不得不考虑其他因素的作用了.5 偶极层的电荷储放效应由图2平衡态能带图可以看出,平衡时晶间势垒两侧的偶极层是对称的,当外偏压出现并随时间增大时,这两个偶极层一个变薄,一个变厚;当外偏压由大变小时,一个变厚一个变薄;当外偏压为0时晶间势垒两侧的偶极层厚度相同,即偶极层厚度X m 是时间的函数.在前面称偶极层变厚的一侧为反偏压区,另一侧为正偏压区.在反偏压区的晶粒子侧面必然有电子富集,在内部正电荷区扩展,这就形成了第一阶段的电荷储存.如果恰在这个时候外偏压由大变小,那么反偏压区就要变薄,或者说富集的电子要反向运动,以完成反偏区的变薄运动,这是一个电荷的放电过程,即产生了负电流.这就是I 2V 特性中的acd 段.这个现象姑且称之为偶极层的电荷储放效应.我们知道晶体管图示仪所用的扫描电压是V =V m sin314t ,t =0101s 为一个周期.正好能完成上述全过程.至于在屏幕上同时看到正向电流和反向电流可以这样解释:由于上述原因我们明白像这样闭合环式的I 2V 曲线其实是由两个时间段完成的.在前一个01005s 内扫描电压由0上升到最大值,它扫出oab 段;在后一个01005s 内完成的是bc 2do 段.由于荧光屏的余辉和扫描电压的适时性使我们同时看到正负两个电流.也可以注意到,这条曲线亦具有电滞回线的特点,在扫描电压回扫的时侯电流并没有沿原线返回,而是稍有滞后直线下降直到负电流出现.这可能是由于扫描电压在上升的时候和下降的时候在同一个电压值的情况下,晶间势垒两侧的正偏压区和反偏压区的厚度不一样造成的.特别是正偏区没有电荷富集,它的电压2厚度变化率要优于反偏区,这就是说,扫描电压虽然是同一个值,但势垒区的厚度却不相同,在回扫电压时要大些.通常把势垒区看成高阻区,那么此时该区域的阻值较大,故在相同电流的情况下结压降要大些.最后分析一下cd 段和g h 段的形状.可以看出cd 段和g h 段是典型的电容放电曲线,这就证明了偶极层的电荷储放效应的实在性.按理,电容放电曲线应该是一个缓变过程,而现在看到的在d 点和h 点分别出现了一个拐点,然后迅速变为0,这似乎不合情理.但是可以设想,如果在这个时候恰好下一个扫描电压来临,就会迅速中和反向放电电流,从而形成这样的曲线.6 电导2温度特性为了研究ITO 薄膜的电导与温度的关系,我们特意对1号样品进行了测量.结果发现在不同的温度段有不同的温度系数,如图7,8所示.图7 高温段的电导温度特性Fig.7 Character of conductivity 2temperature athigher temperatures348半 导 体 学 报第27卷图8 低温下的电导温度特性Fig.8 Character of conductivity2temperature at lower temperatures由图可见,ITO薄膜材料的电阻率对温度的变化是相当敏感的.在20~200℃左右,样品的方块电阻随温度的升高呈缓慢下降趋势,在200~500℃之间又呈现出上升趋势.由此可以看出:如果将ITO 薄膜用于测量温度的话,用一个足够好的数字多用表直接测量方块电阻即可得到所测温度.材料是由晶粒子组成的,材料的电阻率由晶粒子的大小决定,即由晶粒间界形成的势垒和偶极层形成势垒的多寡决定.在外加偏压的情况下,总有一个界面定域态(偶极层)势垒处于反偏状态而另一个正偏,载流子要运动,与其穿越这二部分组合势垒的情形有关,亦和格点的振动有关.载流子越过势垒的几率越大,对电导的贡献越大,方块电阻越小.它们穿越势垒的能力取决于它们的能量.当温度从室温升高时,电子动能加大,载流子穿越势垒的能力随之提高,如ab段.当温度进一步提高时,电子动能急剧增加.它们穿越势垒的能力也急剧加大,方块电阻随之减小,直到e 点附近.温度在e点附近时,温度对电导的贡献趋于饱和.当温度继续升高时,载流子动能更高,格点振动亦强烈起来,电子在各个方向的布朗运动也显著起来,当这种运动强到外电场难以约束的情况下电导又开始减小,此时的势垒散射已不具有主要作用了.温度越高这种无序运动越显著,方块电阻急剧增加,见f g段.7 结论由以上的理论分析和实验证明,ITO薄膜能带结构模型是比较合理的.晶间势垒确实存在,而且在晶间势垒两侧确实存在着偶极层,(4)式准确地描述了这种势垒结构的电流2电压特性,由实际测量的I2 V特性曲线又证明了(4)式的正确性.在外偏压的作用下这种特殊的势垒结构还会有电荷储放效应,这和普通的p n结特性是有很大差别的.其次,材料的电导温度特性也具有奇异特点,可用作某些场合的温度传感器.参考文献[1] Su C H,Pang D W,Zhang Z G.Study on transparent conduc2ting film of complex SnO2/ITO.Chinese Journal ofSemiconductors,1991,12(11):709(in Chinese)[宿昌厚,庞大文,张治国.SnO2/ITO复合透明导电膜的研究.半导体学报,1991,12(11):709][2] Zhang Z G,Su C H.The energy distribution of band tallstates of nc2Si and it s optical gap.Acta Energiae Solaris Sini2ca,1996,17(2):175(in Chinese)[张治国,宿昌厚.纳米硅带尾态能量分布及其光学带隙.太阳能学报,1996,17(2):175] [3] Zhang Z G.The Fermi level of amorphous silicon no2pinning.Acta Energiae Solaris Sinica,2003,24(6):844(in Chinese)[张治国.非晶硅费米能级不钉扎.太阳能学报,2003,24(6):844] [4] K ojima M,Kato H,Imal A.Electronic conduction of tin oxidet hin films prepared by chemical vapor deposision.J ApplPhys,1988,64(4):1902[5] Mizuhashi M.Elect rical properties of vacuum2deposited indi2um oxide and indium tin oxid films.Thin Solid Films,1980,70(97):91[6] Ohhata Y,Shinoki F,Y oshida S.Optical properties of R.F.reactive sputtered tin2doped In2O3Films.Thin Solid Films,1979,59:255448第5期张治国: ITO薄膜的能带结构和电导特性548 Energy B and Structure and Conducting Characteristics of ITO FilmsZhang Zhiguo(I nstit ute of Functional M aterial,Quanz hou N ormal Universit y,Quanz hou 362000,Chi na)Abstract:Using scanning elect ron micrograp hs and XRD analysis of I TO films,t he e nergy ba nd st ructures of equilibrium and non2equilibrium of I TO films are const ructed.A model of t he band2tail state dist ribution is built using t he Kronig2Pe nney model.A never2bef ore2rep orted hysteresis loop in t he I2V curve is obtained in t he measureme nt.The experime ntal results a2 gree well wit h t he t heoretical data.By analyzing t he mechanism behind t he I2V characteristic,t he model of t he e nergy band st ructure is p roved reasonable.The temp erature characteristics of t he I TO film measured show t hat t he slope of t he conduc2 tivity2te mperature curve varies f rom a p ositive value t o a negative one.K ey w ords:I TO t hin films;e nergy ba nd diagra m;I2V curvePACC:6855;7125T;7360Article ID:025324177(2006)0520840206Corresp onding aut hor.Email:qzzzg@ya Received30J uly2005,revised ma nuscript received26J a nuary2006Ζ2006Chinese Institute of Elect ronics。
布朗运动及Ito公式、Ito积分补充和总结
布朗运动及Ito 公式、Ito 积分补充和总结一、历史1、1827年,英国生物学家R .Brown 通过花粉实验观察到花粉的不规则运动2、1905年,Einstein 通过物理规律对该现象作了数学描述3、1918年,Wienner 对其进行了精确的数学描述,BM 的轨道性质,定义了测度与积分4、K.Ito 定义了Ito 积分二、BM 定义1、直线上对称随机游走()x t ——t时刻质点位置,1,-1i i x i ⎧=⎨⎩第次质点向右,第次质点向左12()=(+++)t t x t x x x x ⎡⎤⎢⎥∆⎣⎦∆⋅⋅⋅(1)E =0,=1i i x Dx (2)2E ()=0,()=()t x t Dx t x t ⎡⎤∆⎢⎥∆⎣⎦2、现在我们讨论当0t ∆→时,()x t 的极限分布情况:设=x ∆,此点很重要,220lim t t c t c t t ∆→⎡⎤∆=⎢⎥∆⎣⎦由中心极限定理:00lim ()t t i t x x P x x ⎡⎤⎢⎥∆⎣⎦∆→⎧⎫⎪⎪∆⋅-⎪⎪⎪≤=Φ⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭∑则220lim xt P x edu μ-∆→-∞⎧⎫≤=⎬⎭⎰,故2()~(0,)x t N c t 三、BM 轨道性质若2()()~(0,)B s t B s N c t +-,其中当1c =时,称()B t 为标准布朗运动1、 现有此结论:2211()()..(0)22nn n k k k B t B t t a s t =-⎡⎤-→>⎢⎥⎣⎦∑证明:设21()()12222k n n n n nkk t W B t B t t ∆-⎡⎤=--≤≤⎢⎥⎣⎦则有22220,2k kn n n t EW EW == 设21;nk n n k X W ==∑则有22220,2n nn t EX EX == 而{}111lim 01()1n n n m l n lP X P X m ∞∞∞→+∞===⎧⎫==⇔⋂⋃⋂<=⎨⎬⎩⎭,2222112()12()n n n EX P X m t m m⎧⎫>≤=⋅⎨⎬⎩⎭则2211110()lim ()lim 2()02nn n l n ll n l l n l P X P X m t m m ∞∞∞∞==→+∞=→+∞=⎧⎫⎧⎫≤⋂⋃≥=⋂≥≤=⎨⎬⎨⎬⎩⎭⎩⎭∑故有11111()0()0n n l n l m l n lP X P X m m ∞∞∞∞∞=====⎧⎫⎧⎫⋂⋃≥=⇒⋂⋃⋂≥=⎨⎬⎨⎬⎩⎭⎩⎭2、 作121max ()(),122nn n n k k k Y B t B t k ≤≤-=-≥,则有0..n Y a s →当1m ≥时,221111111()()()()2222kkk n n n n l l l l l l P Y P B t B t P B t B t m m m ==⎧⎫-⎧-⎫⎧⎫≥=⋃-≥≤-≥⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎩⎭⎩⎭⎩⎭∑42224424111()()1223()3()122()k kn n k k l l l l E B t B t t m m t m==--≤==∑∑则有4211110()lim ()lim 302n n k n k nn k n n k n P Y Y m t m m ∞∞∞∞==→+∞=→+∞=⎧⎫⎧⎫≤⋂⋃≥=⋃≥≤⋅=⎨⎬⎨⎬⎩⎭⎩⎭∑故{}111()1lim 00k n m l n ln P Y P Y m ∞∞∞===→+∞⎧⎫⋂⋃⋂<=⇔==⎨⎬⎩⎭3、 对01110;0,max()n k k k nt t t t t t t λ-≤≤>=<<⋅⋅⋅<==-,有211(()())..(0)nk k k B t B t tm s λ-=-→→∑即2210lim [(()())]0k k E B t B t t λ-→--=证明:设1()()k k k Y B t B t -=-,则1~(0,)k k k Y N t t --,且24211,3()k k k k k k EY t t EY t t --=-=-则222211()()k lk lk l k k l l EY Y EY EY t t t t ≠--=⋅=-- 故222222221111[(()())][]()2()nnnk k kkk k k k E B t B t t E Y t E Y E Y t t -===--=-=-+∑∑∑4222111()2()2()n nki jk k k i jk E Y E Y Y t t t t -=<==+⋅--⋅+∑∑∑22211113()2()()2n nk k i i j j k i j t t t t t t t t ---=<=-+---+∑∑222211112()(())2nnk k k k k k t t t t t t --===-+--+∑∑2112()2nk k k t t t λ-==-≤∑0(0)λ→→四、 Ito 随机积分1、 1951年, 伊藤最早建立了关于布朗运动的随机积分的微分法则(即变量替换公式), 简称为Ito 公式. 1967年Kunita, Watanabe, 1970年Do leans-Dade, Meye r 把Ito 积分推广到半鞅情形, 也相应地推广了Ito 公式. 可以说, Ito 公式是随机积分理论中的一个最重要的结果, 是随机分析的一个极其重要的工具.对于Ito 随机积分,我们先讨论0(,)(,)Tg t dB t ωω⎰如何定义?首先了解Riemann-Stidtjes 积分对于积分()()ba g x dF x ⎰,这里()F x 为单调不见有连续的,()g x 为单值函数。
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Now consider another variable C, such as the price of a call option, which is a function of S and t, say C = f (S, t). Because
C is a function of the stochastic variable S, C will have a stochastic component as well as a deterministic component. C will
of w2 from its expected value of 1; i.e., the additional term
1 2
(
∂2f ∂S2
)Hale Waihona Puke b2v2w2dt).
(11)
However the variance of this additional term is proportional to (dt)2 whereas the variance of the stochastic term given in
The above come from SJSU Economics, with more, please refer to the web:
2
An immediate question is whether is an extension of Ito’s Lemma for stable distributions of z other than the normal distrib-
ution. This question is investigated in a page on stable distributions.
dS = adt + bdz,
(1)
where a and b may be functions of S and t as well as other variables; i.e., dS = a(S, t, x)dt + b(S, t, x)dz.
The expected value of dz is zero so the expected value of dS is equal to the deterministic component, adt.
(10) is proportional to (dt). Thus the stochastic term given in (11) vanishes in comparison with the stochastic term given in
(10).
Ito’s Lemma is essential in the derivation of Black and Scholes Equation.
Taking into account the infinitesimal nature of dt so that dt to any power higher than unity vanishes, (7) reduces to:
dC
=
∂f (
∂t
)dt
+
∂f (
∂S
)adt
+
∂f (
∂S
)bvw(dt)2
(4)
∂S
1
Ito’s Lemma is crucial in deriving differential equations for the value of derivative securities such as stock options. The Taylor series for f (S, t) gives the increment in C as:
dC
=
∂f (
)dt
+
∂f (
)adt
+
∂f (
1
)bvw(dt) 2
+
1 (∂2f /∂S2)(a2dt2
+
3
2abvw(dt) 2
+
b2v2w2dt)
∂t
∂S
∂S
2
+(
∂2f
)(a(dt)2
+
bvw(dt)
3 2
)
+
∂S∂t
1 2
(
∂2f ∂t2
)(dt)2
+
higher
order
terms.
(7)
Ito’s Lemma and its Derivation
Huiwei Wang April 22, 2009
Ito’s Lemma is named for its discoverer, the brilliant Japanese mathematician Kiyoshi Ito. The human race lost this extraordinary individual on November 10, 2008. He died at age 93. His work created a field of mathematics that is a calculus of stochastic variables.
dS = adt + bdz.
(3)
Ito’s Lemma gives the answer. The deterministic and stochastic components of dC are given by:
p
=
∂f ∂t
∂f + ( )a +
∂S
1 2
(
∂2f ∂S2
)b2
∂f
q = ( )b.
mean or expected value of dz is zero. The variance of a random variable which is the accumulation of independent effects over
an interval of time is proportional to the length of the interval, in this case dt. The standard deviation of dz is thus proportional
The random variable dz represents an accumulation of random influences over the interval dt. The Central Limit Theorem
then implies that dz has a normal distribution and hence is completely characterized by its mean and standard deviation. The
+
1 ∂2f 2(∂S2
)(b2v2w2dt).
(8)
Noting that the expected value of w2 is unity, the expected value of dC is:
∂f [
∂t
∂f + ( )a +
∂S
1 2
(
∂2f ∂S2
)b2]dt.
(9)
This is the deterministic component of dC. The stochastic component is the term that depends upon dz, which in (8) is
to
the
square
root
of
dt,(dt)
1 2
.
All
of
this
means
that
the
random
variable
dz
is
equivalent
to
a
random
variable
w(dt)
1 2
,
where
w is a standard normal variable with mean zero and standard deviation equal to unity.
dC
=
∂f (
∂t
)dt
+
∂f ( )adt
∂S
+
∂f (
∂S
1
)bvw(dt) 2
+
1 ∂2f 2 ( ∂S2 )(adt
+
bv
w(dt)
1 2
)2
∂2f
1
+( )(adt + bvw(dt) 2 )(dt) +
∂S∂t
1 2
(
∂2f ∂t2
)(dt)2
+
higher
order
terms.
(6)
With the expansion of the squared term and the product term the result is:
Ito’s lemma (also known as Ito-Doeblin Theorem) is a theorem in stochastic calculus. It tells you that if you have a random walk, in Y , say, and a function of that randomly walking variable, call it F (Y, t), then you can easily write an expression for the random walk in F . A function of a random variable is itself random in general.