Euler-Approximation. Leonie van de Sandt. TU Dortmund Prof. Dr. Christine Müller. 5. Juni 2012

Ähnliche Dokumente
Seminarvortrag. Euler-Approximation. Marian Verkely TU Dortmund

Einige parametrische Familien für stochastische Prozesse

Geometrische Brownsche Bewegung und Brownsche Brücke

Einige parametrische Familien für stochastische Prozesse

Maximum-Likelihood-Schätzung für das Black-Scholes-Mertonund das Cox-Ingersoll-Ross-Modell

Geometrische Brownsche Bewegung und Brownsche Brücke

Diffusionsprozesse und lineare stochastische DGL

Ein-Faktor-Zinsmodelle

Strukturerhaltende Integrationsverfahren für stochastische Differentialgleichungen in der Modellierung von Zinsderivaten

Stochastik Praktikum Simulation stochastischer Prozesse

Fokker-Planck Gleichung

Maximum-Likelihood-Schätzung für das Black-Scholes-Merton-Modell und das Cox-Ingersoll-Ross-Modell

Generalisierte Momentenmethode

Simulationstechnik V

Differentialgleichungen

TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN BACHELORARBEIT. Theorie und Simulation einer zweidimensionalen stochastischen Differentialgleichung.

70 Wichtige kontinuierliche Verteilungen

Bewertung Amerikanischer Optionen mit stochastischer Volatilität

Zufällige stabile Prozesse und stabile stochastische Integrale. Stochastikseminar, Dezember 2011

- Numerik in der Physik - Simulationen, DGL und Co. Max Menzel

Seminar Gewöhnliche Differentialgleichungen

Übungen zu Meteorologische Modellierung Teil 'Grundlagen der Numerik'

Strukturerhaltende Approximationen von Wurzel-Diffusionsgleichungen

Exkurs: Method of multiple scales (Mehrskalen Methode)

ETHZ, D-MATH. Numerische Methoden D-PHYS, WS 2015/16 Dr. V. Gradinaru

Finite Elemente Methode für elliptische Differentialgleichungen

Finite Elemente I Konvergenzaussagen

Darstellungsformeln für die Lösung von parabolischen Differentialgleichungen

Diffusionsprozesse und lineare stochastische Differentialgleichungen

Iterative Algorithmen für die FSI Probleme II

MATHEMATISCHE METHODEN DER PHYSIK 1

12 Gewöhnliche Differentialgleichungen

Mathematische Methoden für Informatiker

Die Fakultät. Thomas Peters Thomas Mathe-Seiten 13. September 2003

Gewöhnliche Differentialgleichungen Woche 1

Erste Schritte mit R. 2.1 Herunterladen der freien Software R

Stochastik-Praktikum

Abbildung 10.1: Das Bild zu Beispiel 10.1

Springers Mathematische Formeln

3 Das Programm 3. 4 Dateien 4. 5 Aufgaben 4. 6 Ausblick 5

Kapitel 6. Suffiziente Statistiken. 6.1 Vorbetrachtungen

Lösungen der Aufgaben zu Kapitel 10

10 Stabilität und steife Systeme

Computersimulationen in der Astronomie

2. Numerische Verfahren für AWPe 2.1 Das Euler-Verfahren

Bemerkungen. f (x 1,..., x i + x i,..., x n ) f (x 1,..., x n ) lim. f xi (x 1,..., x n ) =

Martingal-Maße. Stochastic Finance: An Introduction in Discrete Time (Hans Föllmer, Alexander Schied) Manuel Müller Mathematisches Institut

Spline-Räume - B-Spline-Basen

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Studienarbeit. Simulation der Euler- und Milsteinapproximation

Brownsche Bewegung. M. Gruber. 20. März 2015, Rev.1. Zusammenfassung

Brownsche Bewegung. M. Gruber SS 2016, KW 11. Zusammenfassung

Folgen und Reihen. Thomas Blasi

Komplexe Analyse von Wahldaten am Beispiel der Wahlen in Deutschland zwischen 1924 und 1933

Astrophysikalsiches Numerikum: Gewöhnliche Differentialgleichungen am Beispiel Weißer Zwerge

Socio-Economic Modelling

1. Anfangswertprobleme 1. Ordnung

Nachklausur am Donnerstag, den 7. August 2008

Rekurrente Neuronale Netze. Rudolf Kruse Neuronale Netze 227

3. Ebene Systeme und DGL zweiter Ordnung

Quasi-Monte-Carlo-Algorithmen

Kapitel 16 : Differentialrechnung

Dierentialgleichungen 2. Ordnung

5. Vorlesung Wintersemester

Übungen zum Ferienkurs Analysis II 2014

GMA. Grundlagen Mathematik und Analysis. Nullstellen und Fixpunkte Reelle Funktionen 3. Christian Cenker Gabriele Uchida

Schwache Konvergenz. Ivan Lecei. 18. Juni Institut für Stochastik

Mathematik 2. 4y Springer Vieweg. Lehrbuch für ingenieurwissenschaftliche Studiengänge. Albert Fetzer Heiner Fränkel. 7. Auflage

Numerik von Anfangswertaufgaben Teil II

4. Verteilungen von Funktionen von Zufallsvariablen

7 Der Satz von Girsanov

Der Taylorsche Satz Herleitung und Anwendungen

Konvergenz der diskreten Lösungen und Fehlerabschätzung

Brownsche Bewegung. Satz von Donsker. Bernd Barth Universität Ulm

Monotone Approximationen durch die Stirlingsche Formel. Wir beginnen mit einem einfachen Beweis einer schwachen Form von Stirlings

Enrico G. De Giorgi. Mathematik. 2. Auflage Lehrstuhl für Mathematik Universität St.Gallen. Diese Version: August 2014.

3 Funktionen in mehreren Variablen

M.Sc. Brice Hakwa. Zufallsprozesse und stochastische Integration. Chap 6: Monte-Carlo-Simulation

Springers Mathematische Formeln

Analysis 2, Woche 3. Differentialgleichungen I. 3.1 Eine Einleitung

11 Stochastisches Integral und Itô-Formel

4. Differentialgleichungen

Übungen zur Theoretischen Physik 1 Lösungen zum Mathe-Test

Einführung in einige Teilbereiche der Wirtschaftsmathematik für Studierende des Wirtschaftsingenieurwesens

Gewöhnliche Dierentialgleichungen

Seite 1. sin 2 x dx. b) Berechnen Sie das Integral. e (t s)2 ds. (Nur Leibniz-Formel) c) Differenzieren Sie die Funktion f(t) = t. d dx ln(x + x3 ) dx

Herleitung der Bessel-Funktionen mit dem Integral-Iterationsverfahren

Das Black-Scholes Modell

Lösungsvorschläge zur Klausur

Ingenieurmathematik mit Computeralgebra-Systemen

Nichtlineare Gleichungssysteme

VF-3: Es seien A R n n beliebig aber regulär, b R n und gesucht sei die Lösung x R n von A x = b.

Numerische Verfahren

Verallgemeinerte Funktionen

Vorlesung im SoSe 2010 Stochastische Analysis & Zeitstetige Finanzmathematik

Konvergenz gegen einen Prozess mit unabhängigen Zuwächsen - Anwendungen

Höhere Mathematik III für die Fachrichtung Elektrotechnik und Informationstechnik

Parareal. Ein paralleler Lösungsalgorithmus für gewöhnliche Differentialgleichungen. Johannes Reinhardt. Parareal 1 Johannes Reinhardt

5 Randwertprobleme. y = f(t, y, y ) für t J, (5.2a) y(t 0 ) = y 0, y(t) = y T (5.2b) zu gegebener Funktion f und Werten y 0, y T.

Stabilität von geschalteten DAEs

Reelle Zufallsvariablen

Transkript:

Euler-Approximation Leonie van de Sandt TU Dortmund Prof. Dr. Christine Müller 5. Juni 2012 Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 1 / 26

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 2 / 26

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Definition der Euler-Approximation Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 2 / 26

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Definition der Euler-Approximation 3 Simulation der Euler-Approximation Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 2 / 26

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Definition der Euler-Approximation 3 Simulation der Euler-Approximation 4 Vorstellung des Milstein-Schemas Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 2 / 26

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Definition der Euler-Approximation 3 Simulation der Euler-Approximation 4 Vorstellung des Milstein-Schemas 5 Zusammenfassung Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 2 / 26

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Definition der Euler-Approximation 3 Simulation der Euler-Approximation 4 Vorstellung des Milstein-Schemas 5 Zusammenfassung 6 Literatur Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 2 / 26

Einleitung Einleitung Gegeben: stochastische Differentialgleichung dx t = b(t, X t )dt + σ(t, X t )dw t Gesucht ist stetige Lösung X t, 0 t T Es kann eine diskrete Approximation für Lösung gefunden werden Euler-Approximation bietet häufig verwendetes numerisches Simulationsverfahren Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 3 / 26

Einleitung Zunächst formale Definition der Euler-Approximation Anschließend Simulationen anhand von zwei Beispielen: Ornstein-Uhlenbeck-Prozess Cox-Ingersoll-Ross-Prozess Vorstellung des Milstein-Schemas als Alternative zur Euler-Approximation mit Simulation Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 4 / 26

Definition der Euler-Approximation Definition der Euler-Approximation Gegeben sei stochastische Differentialgleichung dx t = b(t, X t )dt + σ(t, X t )dw t mit determinischtem Anfangswert X t0 = X 0 und Diskretisierung Π N ([0, T ]) Die Lösung dieser Gleichung sei der Prozess X t, 0 t T mit T > 0 Euler-Approximation von X ist stetiger stochastischer Prozess Y genügt iterativem Schema Y i+1 = Y i + b(t i, Y i )(t i+1 t i ) + σ(t i, Y i )(W i+1 W i ) i = 0, 1,..., N 1 und Y 0 = X 0 Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 5 / 26

Definition der Euler-Approximation konstante Schrittweite t = t i+1 t i = 1 N zwischen den Zeitpunkten t i und t i+1 kann man linear interpolieren: Y (t) = Y i + t t i t i+1 t i Y i+1 Y i für t [t i, t i+1 ) Euler-Approximation konvergiert gegen die Lösung der stochastischen Differentialgleichung schwach mit Ordnung β = 1 stark mit Ordnung γ = 1 2 Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 6 / 26

Simulation der Euler-Approximation Simulation der Euler-Approximation Zur Simulation nur der Wiener Prozess zu simulieren: Y i+1 = Y i + b(t i, Y i )(t i+1 t i ) + σ(t i, Y i )(W i+1 W i ) Als Lösung der stochastischen Differentialgleichung zwei Beispiele, welche zu simulieren sind: Ornstein-Uhlenbeck-Prozess Cox-Ingersoll-Ross-Prozess Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 7 / 26

Simulation der Euler-Approximation Der Ornstein-Uhlenbeck-Prozess Eindeutige Lösung der stochastischen Differentialgleichung dx t = (θ 1 θ 2 X t )dt + θ 3 dw t Explizite Lösung ist dann gegeben durch: X t = θ ( 1 + θ 2 x 0 θ 1 θ 2 ) t e θ2t + θ 3 e θ 2t hier: b(t, x) = (θ 1 θ 2 x) und σ(t, x) = θ 3 0 e θ 2(u) dw u Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 8 / 26

Simulation der Euler-Approximation Simulation des OU-Prozesses mit Euler >set.seed(123) >T <- 1 >x <- 10 >theta <- c(0, 5, 3.5) >Z <- BM(x=x,T=T,N=100) >N <- 100 >Dt <- T/N >t <- seq(0,t,by=dt) >Y <- numeric(n+1) >Y[1] <- x >for(i in 1:N){ + Y[i+1] <- Y[i] + (theta[1] - theta[2]*y[i])*dt + + theta[3]*(z[i+1]-z[i])} >Y <- ts(y,start=0, deltat=t/n) >plot(y) Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 9 / 26

Simulation der Euler-Approximation Y 0 2 4 6 8 10 N=10 N=100 N=1000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time Abbildung: Simulation des Ornstein-Uhlenbeck-Prozesses mithilfe der Euler-Approximation Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 10 / 26

Simulation der Euler-Approximation Ornstein-Uhlenbeck-Prozess auch mit der Integraldarstellung zu simulieren: X t = θ ( 1 + x 0 θ ) t 1 e θ2t + θ 3 e θ 2t e θ2(u) dw u θ 2 θ 2 0 Zur Veranschaulichung der Approximationsgüte der Euler-Approximation werden beide Simulationen mit verschiedenen Schrittweiten in je einer Grafik dargestellt Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 11 / 26

Simulation der Euler-Approximation Simulation des OU-Prozesses via Integral >T <- 1 >x <- 10 >theta <- c(0, 5, 3.5) >N <- 100 >Dt <- T/N >t <- seq(0,t,by=dt) >itosumou.n <- 0 >XOU.N <- rep(x,n+1) >for(i in 1:N){ + itosumou.n<-itosumou.n+exp(theta[2]*t[i])*(z[i+1]-z[i]) + XOU.N[i+1]<-theta[1]/theta[2]+(x-theta[1]/theta[2])* + exp(-theta[2]*t1[i])+theta[3]*exp(-theta[2]*t[i])* + itosumou.n} >XOU.N <- ts(xou.n,start=0, deltat=dt) Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 12 / 26

Simulation der Euler-Approximation Y 2 0 2 4 6 8 10 Euler Approximation via Integral 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time Abbildung: Simulation des Ornstein-Uhlenbeck-Prozesses mit Euler-Approximation und via Integral mit 10 Schritten Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 13 / 26

Simulation der Euler-Approximation Y 0 2 4 6 8 10 Euler Approximation via Integral 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time Abbildung: Simulation des Ornstein-Uhlenbeck-Prozesses mit Euler-Approximation und via Integral mit 100 Schritten Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 14 / 26

Simulation der Euler-Approximation Y 0 2 4 6 8 10 Euler Approximation via Integral 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time Abbildung: Simulation des Ornstein-Uhlenbeck-Prozesses mit Euler-Approximation und via Integral mit 1000 Schritten Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 15 / 26

Simulation der Euler-Approximation Der Cox-Ingersoll-Ross-Prozess Lösung der stochastischen Differentialgleichung dx t = (θ 1 θ 2 X t )dt + θ 3 Xt dw t Explizite Lösung ist dann gegeben durch: X t = θ ( 1 + θ 2 x 0 θ 1 θ 2 ) t e θ2t + θ 3 e θ 2t hier: b(t, x) = (θ 1 θ 2 x) und σ(t, x) = θ 3 x 0 e θ 2u X u dw u Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 16 / 26

Simulation der Euler-Approximation Simulation des CIR-Prozesses mit Euler >T <- 10 >x <- 10 >theta <- c(1, 1, 1) >Z <- BM(x=x,T=T,N=100) >N <- 100 >Dt <- T/N >Y <- numeric(n1+1) >Y[1] <- x >for(i in 1:N){ + Y[i+1] <- Y1[i] + (theta[1] - theta[2]*y[i])*dt + + theta[3]*sqrt(y[i])*(z[i+1]-z[i])} >Y <- ts(y,start=0, deltat=t/n) >plot(y) Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 17 / 26

Simulation der Euler-Approximation Y 0 2 4 6 8 10 N=50 N=100 N=1000 0 2 4 6 8 10 Time Abbildung: Simulation des Cox-Ingersoll-Ross-Prozesses mithilfe der Euler-Approximation Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 18 / 26

Simulation der Euler-Approximation Y 0 2 4 6 8 10 Euler Approximation via Integral 0 2 4 6 8 10 Time Abbildung: Simulation des Cox-Ingersoll-Ross-Prozesses mit Euler-Approximation und via Integral mit 50 Schritten Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 19 / 26

Simulation der Euler-Approximation Y 0 2 4 6 8 10 Euler Approximation via Integral 0 2 4 6 8 10 Time Abbildung: Simulation des Cox-Ingersoll-Ross-Prozesses mit Euler-Approximation und via Integral mit 100 Schritten Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 20 / 26

Simulation der Euler-Approximation Y 0 2 4 6 8 10 Euler Approximation via Integral 0 2 4 6 8 10 Time Abbildung: Simulation des Cox-Ingersoll-Ross-Prozesses mit Euler-Approximation und via Integral mit 1000 Schritten Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 21 / 26

Vorstellung des Milstein-Schemas Vorstellung des Milstein-Schemas Das Milstein-Schema ist ebenfalls eine Methode, um Lösungen stochastischer Differentialgleichungen zu approximieren Definition des Milstein-Schemas: Y i+1 = Y i + b(t i, Y i ) t + σ(t i, Y i )(W i+1 W i ) + 1 2 σ(t i, Y i )σ x (t i, Y i ){(W i+1 W i ) 2 t} Es wird Gebrauch vom Itô-Lemma gemacht, wodurch der Term σ x (t i, Y i ) als Ableitung nach x von σ(t i, Y i ) hinzukommt Für den Ornstein-Uhlenbeck-Prozess mit b(t, x) = θ 1 θ 2 x und σ(t, x) = θ 3 stimmen Euler-Approximation und Milstein-Schema überein Als Beispiel zum Vergleich der beiden Approximations-Schemen kann man den Cox-Ingersoll-Ross-Prozess verwenden Hierbei ist dann σ x = 1 x für θ 3 = 2 Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 22 / 26

Vorstellung des Milstein-Schemas R Code für die Simulation des CIR-Prozesses mit dem Milstein-Schema >N <- 100 >x <- 10 >T <- 10 >Dt <- T/N >theta <- c(1, 1, 1) >X <- numeric(n+1) >X[1] <- x >for(i in 1:N){ + X[i+1] <- X[i] + (theta[1] - theta[2]*x[i])*dt + + theta[3]*sqrt(x[i])* + (Z[i+1]-Z[i])+(1/2)*theta[3]* + sqrt(x[i])*(1/sqrt(x[i]))*((z[i+1]-z[i])^2-dt)} >X <- ts(x,start=0, deltat=t/n) Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 23 / 26

Vorstellung des Milstein-Schemas X1 1 2 3 4 5 Euler Milstein Integral 0 2 4 6 8 10 Time Abbildung: Simulation des Cox-Ingersoll-Ross-Prozesses mit Euler-Approximation, Milstein-Schema und via Integral mit 100 Schritten Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 24 / 26

Zusammenfassung Zusammenfassung Euler-Approximation häufig verwendetes numerisches Verfahren zur Simulation von Lösungen stochastischer Differentialgleichungen Iteratives Schema, welches Wiener Prozess beinhaltet Zu simulieren ist der Wiener Prozess Je kleiner die Schrittweite gewählt wird, desto besser die Approximation Milstein-Schema ebenfalls gut für Approximation und Simulation, enthält weiteren Term σ x (t, x) Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 25 / 26

Literatur Literatur Iacus, S. M. (2008): Simulation and Inference for Stochastic Differential Equations: With R Examples. 1. Auflage. New York: Springer. Iacus, S. M. (2009): sde: Simulation and Inference for Stochastic Differential Equations.R package version 2.0.10. url: http://cran.r-project.org/package=sde. R Development Core Team (2011):R 2.13.1: A Language and Environment for Statistical Computing.ISBN 3-900051-07-0. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. url: http://www.r-project.org/. Leonie van de Sandt (TU Dortmund) Euler-Approximation 5. Juni 2012 26 / 26