În matematică , formula Feynman-Kac , numită după autorii săi Richard Feynman și Mark Kac , este o ecuație care oferă o reprezentare a soluției anumitor clase de ecuații diferențiale parțiale (PDE) utilizând proprietățile probabiliste ale proceselor stochastice .
Ecuație omogenă
Luați în considerare un PDE în formă
- {\ displaystyle {\ frac {\ partial f} {\ partial t}} (x, t) + \ mu (x, t) {\ frac {\ partial f} {\ partial x}} (x, t) + {\ frac {1} {2}} \ sigma ^ {2} (x, t) {\ frac {\ partial ^ {2} f} {\ partial x ^ {2}}} (x, t) = 0 ,}
în starea terminală
- {\ displaystyle f (x, T) = \ psi (x),}
unde este {\ displaystyle \ mu} , {\ displaystyle \ sigma} Și {\ displaystyle \ psi} sunt funcții cunoscute și {\ displaystyle f} este necunoscut. Formula Feynman-Kac afirmă că soluția poate fi scrisă ca o valoare așteptată
- {\ displaystyle f (x, t) = {\ textrm {E}} \ left [\ psi (X_ {T}) | X_ {t} = x \ right],}
unde este {\ displaystyle X} este un proces Itō caracterizat prin ecuația diferențială stocastică
- {\ displaystyle dX = \ mu (X, t) dt + \ sigma (X, t) dW_ {t}} .
Valoarea așteptată de mai sus poate fi aproximată prin metode Monte Carlo sau cvasi-Monte Carlo .
Demonstrație
Verificarea corectitudinii soluției are loc prin aplicarea limei Itō la funcția necunoscută {\ displaystyle f} . Da, da
- {\ displaystyle df (x, t) = \ left (\ mu (x, t) {\ frac {\ partial f} {\ partial x}} (x, t) + {\ frac {\ partial f} {\ partial t}} (x, t) + {\ frac {1} {2}} \ sigma ^ {2} (x, t) {\ frac {\ partial ^ {2} f} {\ partial x ^ {2 }}} (x, t) \ right) dt + \ sigma (x, t) {\ frac {\ partial f} {\ partial x}} (x, t) dW_ {t}.}
Primul termen între paranteze este PDE în cauză și este, prin ipoteză, nul. Se obține integrarea ambilor membri ai expresiei rămase
- {\ displaystyle \ int _ {t} ^ {T} df (x, t) = f (X_ {T}, T) -f (x, t) = \ int _ {t} ^ {T} \ sigma ( x, t) {\ frac {\ partial f} {\ partial x}} (x, t) \, dW_ {t},}
prin urmare, rearanjarea termenilor și luarea valorii așteptate a ambilor membri
- {\ displaystyle f (x, t) = {\ textrm {E}} \ left [f (X_ {T}, T) \ right] - {\ textrm {E}} \ left [\ int _ {t} ^ {T} \ sigma (x, t) {\ frac {\ partial f} {\ partial x}} (x, t) \, dW_ {t} \ right]}
Deoarece valoarea așteptată a unei integrale Itō în raport cu mișcarea browniană {\ displaystyle W_ {t}} este nul, se obține soluția dorită:
- {\ displaystyle f (x, t) = {\ textrm {E}} \ left [f (X_ {T}, T) \ right] = {\ textrm {E}} \ left [\ psi (X_ {T} ) \ right] = {\ textrm {E}} \ left [\ psi (X_ {T}) | X_ {t} = x \ right]}
Extensia 1
Soluția ilustrată mai sus poate fi extinsă la o clasă mai largă de PDE-uri; este de fapt posibil să se arate că ecuația formei
- {\ displaystyle {\ frac {\ partial f} {\ partial t}} (x, t) + \ mu (x, t) {\ frac {\ partial f} {\ partial x}} (x, t) + {\ frac {1} {2}} \ sigma ^ {2} (x, t) {\ frac {\ partial ^ {2} f} {\ partial x ^ {2}}} (x, t) -k (t) f (x, t) = 0}
în starea terminală
- {\ displaystyle \ f (x, T) = \ psi (x)}
are pentru soluție:
- {\ displaystyle f (x, t) = {\ textrm {E}} \ left [\ exp \ left \ {- \ int _ {t} ^ {T} k (u) du \ right \} \ psi (X_ {T}) | X_ {t} = x \ right].}
Dovada acestui rezultat se desfășoară de-a lungul liniilor celei prezentate mai sus, cu diferența că lema Itō este aplicată funcției
- {\ displaystyle g (x, t) = f (x, t) \ exp \ left \ {\ int _ {t} ^ {T} k (u) du \ right \}.}
Soluția ecuațiilor sub forma tocmai examinată este frecventă în domeniul finanțelor matematice; celebra ecuație Black-Scholes , care determină prețul de non- arbitraj al unui instrument derivat , are de fapt această formă.
Extensia 2
Luați în considerare PDE
- {\ displaystyle {\ frac {\ partial f} {\ partial t}} (x, t) + \ mu (x, t) {\ frac {\ partial f} {\ partial x}} (x, t) + {\ frac {1} {2}} \ sigma ^ {2} (x, t) {\ frac {\ partial ^ {2} f} {\ partial x ^ {2}}} (x, t) -V (x, t) f (x, t) + u (x, t) = 0,}
definit pentru fiecare {\ displaystyle x \ in \ mathbb {R}} și fiecare {\ displaystyle t \ in [0, T]} , sub rezerva condiției:
- {\ displaystyle f (x, T) = \ psi (x),}
unde este {\ displaystyle \ mu, \ sigma, \ psi, V, u} , sunt funcții cunoscute, {\ displaystyle T} este un parametru și {\ displaystyle f: \ mathbb {R} \ times [0, T] \ to \ mathbb {R}} necunoscutul. Formula Feynman-Kac afirmă că soluția poate fi scrisă ca o așteptare condiționată
- {\ displaystyle f (x, t) = E ^ {Q} \ left [\ int _ {t} ^ {T} e ^ {- \ int _ {t} ^ {r} V (X _ {\ tau} , \ tau) \, d \ tau} u (X_ {r}, r) dr + e ^ {- \ int _ {t} ^ {T} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} \ psi (X_ {T}) {\ Bigg |} X_ {t} = x \ right]}
în ceea ce privește măsura probabilității {\ displaystyle Q} , astfel încât {\ displaystyle X} este un proces Itō ( proces Wiener generalizat) definit de ecuație:
- {\ displaystyle dX = \ mu (X, t) \, dt + \ sigma (X, t) \, dW ^ {Q}}
unde este {\ displaystyle W ^ {Q} (t)} este un proces Wiener ( mișcare browniană ) și condiția inițială pentru {\ displaystyle X (t)} Și {\ displaystyle X (0) = x} .
Derivare
Este {\ displaystyle f (x, t)} o soluție a ecuației. Aplicând lema lui Itō la proces:
- {\ displaystyle Y (s) = e ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} f (X_ {s}, s) + \ int _ {t} ^ {s} e ^ {- \ int _ {t} ^ {r} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} u (X_ {r}, r ) dr}
primesti:
- {\ displaystyle dY = de ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} f (X_ {s}, s) + e ^ { - \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} \, df (X_ {s}, s) + de ^ {- \ int _ {t } ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} df (X_ {s}, s) + d \ int _ {t} ^ {s} e ^ {- \ int _ {t} ^ {r} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} u (X_ {r}, r) dr}
De cand:
- {\ displaystyle de ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} = - V (X_ {s}, s) e ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} \, ds}
al treilea termen este {\ displaystyle o (dtdu)} și poate fi trecut cu vederea. De asemenea, avem:
- {\ displaystyle d \ int _ {t} ^ {s} e ^ {- \ int _ {t} ^ {r} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} u (X_ { r}, r) dr = e ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} u (X_ {s}, s) ds}
Aplicând din nou lema Itō la {\ displaystyle du (X_ {s}, s)} rezultă că {\ displaystyle dY = e ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} \, \ left (-V (X_ {s}) f (X_ {s}, s) + u (X_ {s}, s) + \ mu (X_ {s}, s) {\ frac {\ partial f} {\ partial X}} + {\ frac {\ partial f} {\ partial s}} + {\ frac {1} {2}} \ sigma ^ {2} (X_ {s}, s) {\ frac {\ partial ^ {2} f} {\ partial X ^ {2}}} \ right) \, ds + e ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} \ sigma (X, s) {\ frac {\ partial f} {\ partial X}} \, dW} Primul termen conține PDE inițial între paranteze și, prin urmare, este nul. Rămâne
- {\ displaystyle dY = e ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} \ sigma (X, s) {\ frac {\ partial f} {\ partial X}} \, dW.}
Integrarea acestei ecuații din {\ displaystyle t} la {\ displaystyle T} se concluzionează că
- {\ displaystyle Y (T) -Y (t) = \ int _ {t} ^ {T} e ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) \ , d \ tau} \ sigma (X, s) {\ frac {\ partial f} {\ partial X}} \, dW}
Luarea valorii așteptate (condiționată de {\ displaystyle X_ {t} = x} ) și observând că membrul din dreapta este o integrantă a lui Itō , care are valoarea zero așteptată, rezultă că:
- {\ displaystyle E [Y (T) | X_ {t} = x] = E [Y (t) | X_ {t} = x] = f (x, t)}
Rezultatul căutat se obține observând că
- {\ displaystyle E [Y (T) | X_ {t} = x] = E \ left [e ^ {- \ int _ {t} ^ {T} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} f (X_ {T}, T) + \ int _ {t} ^ {T} e ^ {- \ int _ {t} ^ {r} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} u (X_ {r}, r) dr {\ Bigg |} X_ {t} = x \ right]}
și, în sfârșit:
- {\ displaystyle f (x, t) = E \ left [e ^ {- \ int _ {t} ^ {T} V (X _ {\ tau}, \ tau) \, d \ tau} \ psi (X_ {T}) + \ int _ {t} ^ {T} e ^ {- \ int _ {t} ^ {s} V (X _ {\ tau}, \ tau) d \ tau} u (X_ {s }, s) ds {\ Bigg |} X_ {t} = x \ right].}
Bibliografie
- ( EN ) Barry Simon, Integrarea funcțională și fizica cuantică , Academic Press, 1979.
- ( EN ) BC Hall, The Quantum Theory for Mathematicians , Springer, 2013.
- ( EN ) Huyên Pham, Control stocastic continuu și optimizare cu aplicații financiare , Springer-Verlag, 2009.
Elemente conexe