Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Vorlesung Finanzinstrumente Binomialmodell mit mehreren Perioden Hochschule Rhein-Main Kritische Würdigung und Ausblick Motivation Sommersemester 2015 Dr. Roland Stamm BlackScholesModell 18. Mai 2015 Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Erinnerung Eine Option ist das Recht (aber nicht die Verpflichtung) ein Produkt S in der Zukunft zu einem heute festgelegten Preis (dem Strike) K zu kaufen oder zu verkaufen. Optionen gibt es in zwei Richtungen“: ” • Call Option: Die Option, das Produkt zu kaufen • Put Option: Die Option, das Produkt zu verkaufen Es gibt drei Grundtypen von einfachen Optionen: • Europäisch: Kann nur an einem zukünftigen Datum ausgeübt werden; • Amerikanisch: Kann zu jedem Zeitpunkt zwischen Vertragsabschluss und Verfallstag ausgeübt werden; • Bermudan: Kann zu bestimmten vertraglich festgelegten Terminen ausgeübt werden. Die Auszahlung des Halters einer Kaufoption ist: max(S(T ) − K, 0). Die Auszahlung des Halters einer Verkaufsoption ist: max(K − S(T ), 0). Vorlesung Finanzinstrumente Einfaches Beispiel Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation Gegeben sei eine Aktie, die heute den Kurs 10 Euro hat. Angenommen, wir wüssten, dass der Aktienpreis in einem Jahr nur den Wert 8 Euro oder 12,50 Euro annehmen kann. Eine Händlerin möchte heute die Option verkaufen, die Aktie in einem Jahr für 9 Euro zu kaufen. Was muss sie wissen, um den fairen Wert V der Option zu bestimmen? Bei einem Aktienkurs von 12,50 Euro muss die Händlerin 3,50 Euro auszahlen. Bei einem Kurs von 8 Euro verfällt die Option wertlos. Der Erwartungswert der Auszahlung der Option in einem Jahr ist also BlackScholesModell E = p × 3,5 + (1 − p) × 0, wobei p die Wahrscheinlichkeit für einen Anstieg auf 12,50 Euro ist. Was ist p?! Vorlesung Finanzinstrumente Binomialbaum Bewertung von Aktienderivaten S1u = 12,5 Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell S0 = 10 V =? P PP PP P PP P PP P 1 PP PP q P1u = 3,5 S1d = 8 P1d = 0 Vorlesung Finanzinstrumente Einfaches Beispiel, Fortsetzung Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Idee: Binomialmodell mit mehreren Perioden • Die Händlerin kauft heute so viele Aktien, dass das Portfolio aus Aktien und Kritische Würdigung und Ausblick • Der Wert des Portfolios heute ist also eindeutig bestimmt. Motivation BlackScholesModell verkaufter Option in einem Jahr immer denselben Wert hat. • Da wir den heutigen Wert der Aktie kennen, kennen wir dann auch den Wert der Option. Angenommen, die Händlerin kauft heute ∆ Aktien und verkauft die Option. Bestimme ∆: 7 ∆ × 12,5 − 3,5 = ∆ × 8 ⇔ ∆ = . 9 Vorlesung Finanzinstrumente Einfaches Beispiel, Fortsetzung Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell • Das Portfolio hat in einem Jahr also sicher den Wert 8 × 7/9 = 56/9. • Eine einjährige sichere Geldanlage von 1 Euro erwirtschaftet den risikolosen Zinssatz r, zahlt also 1 + r zurück. • Umgekehrt ist ein sicherer Euro in einem Jahr heute 1/(1 + r) Euro wert. • Der Portfoliowert heute ist also 56/(9 × (1 + r)). • Ist etwa r = 1%, so ist der heutige Portfoliowert 56/(9 × 1, 01) = 6,16 Euro. • Der Wert der Option alleine ist also gegeben durch 7/9 × 10 − 6,16 = 1,62 Euro. Wo ist die Wahrscheinlichkeit p abgeblieben?! Vorlesung Finanzinstrumente Voraussetzungen Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick • Aktien und andere Finanzinstrumente lassen sich in beliebigen Stückzahlen (auch in Bruchteilen) zum selben Preis kaufen und verkaufen • Es gibt einen risikolosen Zinssatz r, zu dem alle Marktteilnehmer Geld aus- und verleihen können • Der Handel findet nur zu zwei Terminen statt, in t = 0 und t = 1 Motivation BlackScholesModell • Der zukünftige Aktienkurs kann nur zwei Werte annehmen • Es gibt keine Arbitragemöglichkeiten Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Binomialmodell mit einer Periode In t = 0 sei der Aktienkurs durch S0 gegeben. In t = 1 kann der Aktienkurs S1u = uS0 oder S1d = dS0 sein, mit d < 1 + r < u. Sei P u bzw. P d die Auszahlung der Option in t = 1. Gesucht wird der Wert V der Option. Bestimme ∆ so, dass ∆S1u − P u = ∆S1d − P d , also ∆= Pu − Pd . S0 (u − d) (1) Für den Wert des Portfolios heute gilt damit ∆dS0 − P d = ∆S0 − V. 1+r Satz. Der heutige Wert der Option für den Inhaber der Option ist gegeben durch d u Pd Pu V = ∆S0 1 − + = ∆S0 1 − + . 1+r 1+r 1+r 1+r (2) Vorlesung Finanzinstrumente Beobachtung I Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Setzen wir Gleichung (1) in Gleichung (2) ein (s. nächste Folie), so erhalten wir durch Umstellen: pP u + (1 − p)P d , mit 1+r 1+r−d p= . u−d V = (3) (4) Wegen der geforderten Voraussetzungen an u und d gilt 0 < p < 1. Somit lässt p sich als Wahrscheinlichkeit interpretieren. Mit dieser Interpretation ist V dann tatsächlich der abdiskontierte Erwartungswert der Auszahlung der Option. Das zu p gehörige Wahrscheinlichkeitsmaß heißt risikoneutrales Maß. Der Wert der Option hängt nur von der Schwankungsbreite (ausgedrückt durch u und d) und dem risikolosen Zinssatz ab. Vorlesung Finanzinstrumente Zwischenrechnung Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Setzen wir (1) in (2) ein, so erhalten wir V = Pu − Pd · S0 · S0 (u − d) 1− d 1+r + Pd 1+r (u − d)P d Pu − Pd 1 + r − d · + u−d 1+r (1 + r)(u − d) 1 1+r−d u u−d+d−1−r d = P + P 1+r u−d u−d 1 u = pP + (1 − p)P d , 1+r = mit p = (1 + r − d)/(u − d). Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Beobachtung II Interpretiert man u − 1 und d − 1 als mögliche Renditen des Aktienportfolios, so ergibt sich als erwartete Rendite unter dem risikoneutralen Maß Q S1 − S0 R = EQ S0 = p(u − 1) + (1 − p)(d − 1) 1+r−d u−1−r (u − 1) + (d − 1) u−d u−d u(d − 1) − d(u − 1) 1+r = (u − d) + u−d u−d ud − u − du + d =1+r+ u−d = r. = Das risikoneutrale Maß lässt sich also als das Maß charakterisieren, unter dem die erwartete Rendite des Aktienportfolios der risikolosen Rendite entspricht (daher auch der Name). Vorlesung Finanzinstrumente Die Rolle der Voraussetzungen Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Angenommen, die Händlerin in unserem Beispiel findet für die Aktienoption einen Käufer für 1,65 Euro. • Sie verkauft eine Million Optionen für 1,65 Mio Euro • Sie leiht sich 6,13 Mio Euro (zu 1%), um sich (mit der Prämie) 777.777,78 Aktien zu 10 Euro zu kaufen • In einem Jahr hat ihr Portfolio garantiert den Wert 6,22 Mio Euro • Sie muss aber nur 6,19 Mio zurückzahlen, hat also 30.000 Euro risikolosen Gewinn. Analog wird sie massiv Optionen kaufen und Aktien leer verkaufen, wenn sie einen Verkäufer findet, der die Option unter 1,62 Euro verkauft. Vorlesung Finanzinstrumente Binomialmodell mit mehreren Perioden Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell • Handel mit der Aktie ist nun an mehreren Terminen möglich: ti = t0 + i × δ, i = 0, . . . , n, n ≥ 1. • In ti hat die Aktie den Kurs Si , der pro Zeitschritt um die Faktoren u bzw. d steigen bzw. sinken kann, 0 < d < 1 + r, u = 1/d (damit wird der Baum rekombinierend). • Die Zinsrate r ist dieselbe für alle Perioden. • Wir schreiben Sik,l = uk dl S0 = uk−l S0 mit k = Anzahl der Schritte nach oben, l = Anzahl der Schritte nach unten, k + l = i. • Jede Verzweigung wird so behandelt wie im Einperiodenfall. Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung im n-Periodenmodell Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Satz. Gegeben sei ein Derivat auf eine Aktie, das nach n Perioden in tn das Auszahlungsprofil Pnk,l habe, wobei k bzw. l die Anzahl der Schritte nach oben bzw. unten beschreibt, mit k + l = n. Definiere p wie in (4), also p= 1+r−d . u−d Dann gilt unter den obigen Voraussetzungen für den Wert V des Derivates in t0 = 0: V = n X 1 n j p (1 − p)n−j Pnj,n−j . (1 + r)n j=0 j Beweis durch vollständige Induktion. Für n = 1 ist der Satz bereits bewiesen. Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Bewertung im n-Periodenmodell, Fortsetzung Sei n > 1, die Aussage richtig für n − 1. Definiere für k + l = n − 1, k = 0, . . . , n − 1 das Auszahlungsprofil k,l Pn−1 := 1 (pPnk+1,l + (1 − p)Pnk,l+1 ). 1+r k,l Ein Derivat mit Laufzeit tn−1 und Auszahlungsprofil Pn−1 hat per Induktion den Wert Vn−1 = n−1 X n − 1 1 j,n−j−1 pj (1 − p)n−1−j Pn−1 n−1 (1 + r) j j=0 n−1 X n − 1 1 pj (1 − p)n−1−j pPnj+1,n−1−j + (1 − p)Pnj,n−j n (1 + r) j=0 j n−1 n X X n − 1 n − 1 j 1 p (1 − p)n−j Pnj,n−j + pj (1 − p)n−j Pnj,n−j = n (1 + r) j−1 j j=1 j=0 n−1 X n 1 n,0 j n−j j,n−j n 0,n Pn + p (1 − p) Pn + (1 − p) Pn = (1 + r)n j j=1 = = n X n j 1 p (1 − p)n−j Pnj,n−j . (1 + r)n j=0 j Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Schwächen des Modells • Die Kauf- und Verkaufpreise von Finanzinstrumenten sind unterschiedlich. Je illiquider ein Instrument, desto höher ist diese sogenannte Geld-Brief-Spanne (Bid/Ask Spread). • Je kleiner die Kapitalisierung einer Firma, desto stärker bewegt man durch einen Kauf oder Verkauf selbst den Marktpreis. • Leerverkäufe sind für viele Aktien in der Praxis nicht möglich, in einigen Jurisdiktionen sogar verboten. • Die Zinssätze für das Aus- und Verleihen von Geld unterscheiden sich erheblich; außerdem sind sie für jeden Marktteilnehmer von seiner Kreditqualität abhängig. • Die Annahme diskreter Handelszeitpunkte und bekannter Kursstände ist eine grobe Vereinfachung. • Das Portfolio, das zur Herleitung des Optionswertes gebildet wird, ist gar nicht risikolos, da der Verkäufer der Option seiner Zahlungsverpflichtung evtl. nicht nachkommt. • Seit der Finanzkrise unterscheidet sich die Bewertung von Derivaten und Krediten erheblich. Vorlesung Finanzinstrumente Verbesserungsmöglichkeiten und Ausblick Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell • Für sehr große Unternehmen ist die Liquidität praktisch unbegrenzt, einzelne Teilnehmer können den Markt kaum bewegen, die Spreads sind klein und können für solche Aktien ignoriert werden. • Durch Schrumpfung der Zeitschritte auf infinitesimale Größe geht das Modell in das Black-Scholes-Modell über, das die Bewegung des Aktienkurses als einen stetigen stochastischen Prozess modelliert. • Allerdings macht das BS-Modell die unrealistische Annahme, dass die relativen Kursveränderungen normalverteilt sind. Dies lässt sich jedoch durch komplexere Modelle beheben (stochastische Volatilität, lokale Volatilität, etc.). • Das Problem des möglichen Ausfalls des Optionsverkäufers lässt sich in die BS-Formel einarbeiten (Credit Value Adjustment, CVA). • Die Unterscheidung in der Bewertung von Derivaten und Krediten lässt sich ebenfalls berücksichtigen (Basis-Spreads). Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Wert eines Tagesgeldkontos Gegeben ist ein Tagesgeldkonto, auf dem wir B0 Euro anlegen. Der Zinssatz r sei für eine längere Laufzeit konstant festgelegt. Dann gilt für die Wertveränderung des Kontos über einen kleinen Zeitschritt ∆t (z.B. ein Tag): ∆Bt = Bt+∆t − Bt = r · Bt · ∆t. Gehen wir zu infinitesimalen Zeitänderungen über, so erhalten wir die Differentialgleichung dBt = rt · Bt dt ⇔ Motivation BlackScholesModell dBt d ln(Bt ) = r Bt ⇔ = r. dt dt Durch Integration erhalten wir die eindeutige Lösung Z Z t ln(Bt ) = r ds + c0 , also Bt = B0 · exp 0 t r ds = B0 ert . 0 Anmerkung: Bt ist eine stochastische Größe, was man ihr in der obigen Gleichung nicht ansieht. Wir haben die zufälligen Störungen“ in r versteckt“. Wenn man r ” ” selbst als stochastische Variable modelliert, kommen sie zum Vorschein. Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Aktienkurse Bei konstantem r ist der Zuwachs von B in logarithmischer Schreibweise also ln(Bt ) = ln(B0 ) + rt. Ein Investor wird eine Aktie, die keine Dividende zahlt, nur kaufen, wenn er mindestens genauso große Zuwächse erwartet. Ist St der Aktienpreis zum Zeitpunkt t, so rechnet der Investor also mit E(ln(St )) = ln(S0 ) + µt, mit µ ≥ r. Allerdings unterliegt der Aktienkurs zufälligen Störungen, die durch Nachrichten und das Verhalten anderer Anleger verursacht werden. Wir würden erwarten, dass diese Störungen sich zu 0 mitteln, d.h. Erwartungswert 0 haben, und vom Zeitraum abhängen, in dem sie auftreten. Gehen wir von vielen kleinen, unabhängigen Störungen aus, so können wir nach dem zentralen Grenzwertsatz vermuten, dass im Zeitraum [t, t + ∆t] eine Störung Z∆t auftritt, die N (0, σ 2 ∆t)-verteilt ist. Störungen, die in zwei disjunkten Zeitintervallen stattfinden, nehmen wir ferner als unabhängig voneinander an: Für t1 < t2 ≤ t3 < t4 sind Zt2 − Zt1 und Zt4 − Zt3 unabhängige Zufallsgrößen. Vorlesung Finanzinstrumente Aktienkurse Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Wir modellieren also: Binomialmodell mit mehreren Perioden In Analogie zum Wert des Tagesgeldkontos schreiben wir Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell ln(St ) = ln(S0 ) + µt + Zt . dSt = µ dt + dZt , St ohne dZt schon genau zu definieren. Wir nehmen an, dass für die kleine Störung gilt: dZt ∼ N (0, σ 2 dt), d.h. die Varianz von dZt ist proportional zur ablaufenden Zeit dt. Anmerkung: Die Annahme, dass die Störungen normalverteilt sind, ist umso unrealistischer, je kürzer die betrachteten Zeiträume werden. Der zentrale Grenzwertsatz wirkt also erst auf größeren Skalen. Deswegen muss das Modell des Aktienkurses später angepasst werden. Der Kandidat fr die Störungsgröße Z ist die Brownsche Bewegung. Vorlesung Finanzinstrumente Die Brownsche Bewegung Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Sei (Ω, P) ein Wahrscheinlichkeitsraum. Ein stochastischer Prozess ist eine Abbildung P : Ω × [0, ∞) → R. Wir können P interpretieren als Schar von Zufallsvariablen t 7→ (Pt : Ω → R) oder als funktionenwertige Zufallsvariable ω 7→ (P (ω) : [0, ∞) → R). Ein stochastischer Prozess W heißt Brownsche Bewegung oder Wiener-Prozess, falls gilt: 1 W0 = 0 fast sicher (d.h. P({ω ∈ Ω : W0 (ω) = 0}) = 1); 2 W hat stationäre Zuwächse: Für 0 ≤ s < t gilt Wt − Ws ∼ N (0, t − s); 3 4 W hat unabhängige Zuwächse: Für t1 < t2 ≤ t3 < t4 sind Wt2 − Wt1 und Wt4 − Wt3 unabhängig; W (ω) ist stetig. Vorlesung Finanzinstrumente Black-Scholes-Modell Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Im Black-Scholes-Modell nehmen wir an, dass der Aktienkurs S(t) sich gemäß der stochastischen Differentialgleichung dS(t) = r S(t) dt + σ dW (t), S(0) = S0 etnwickelt. Dabei ist r der risikolose Zins und σ die Volatilität des Aktienkurses. Für den Preis einer Call- bzw. Put-Option gilt die Black-Scholes-Formel: S0 Φ(d+ ) − K e−rt Φ(d− ) Motivation C= BlackScholesModell P = − S0 Φ(−d+ ) + K e−rt Φ(−d− ) d± = ln(S0 /K) + rt ± σ 2 t/2 √ . σ t (5) (6) Vorlesung Finanzinstrumente Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Abgleich Binomial- und Black-Scholes-Modell Im Black-Scholes-Modell ist die Varianz der Log-Returns ln(S(t)/S0 ): VBS = σ 2 t. Im Binomialmodell ist die Varianz der relativen Returns (S(t) − S0 )/S0 (Aufgabe): VBN = (u − (1 + r)) × (1 + r − d). Für kleine Zeitschritte t gilt S0 + (S(t) − S0 ) S(t) − S0 S(t) − S0 S(t) = ln = ln 1 + ≈ ln . S0 S0 S0 S0 Unter der Annahme d = 1/u erhalten wir durch Gleichsetzen von VBS = VBN (Aufgabe): p r2 + σ2 t u = q + q 2 − 1, q =1+ . 2(1 + r) (7) Vorlesung Finanzinstrumente Kritische Würdigung Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Die Annahmen, die dem Black-Scholes-Modell zugrunde liegen, sind bekanntermaßen falsch. Die Störungen des Aktienpreisprozesses sind keineswegs log-normal verteilt (besonders für kurze Laufzeiten), s. nächste Folie. Dennoch wird die Black-Scholes-Formel als Quotierungsmechanismus benutzt: Zu gegebener Laufzeit T und Strike K wird die Volatilität σ = σ(T, K) in den Markt gestellt. Mit der Formel (5) bzw. (6) lässt sich daraus der zu zahlende Marktpreis errechnen. Wäre das BS-Modell korrekt, so müsste die Volatilität in Zeit und Strike konstant sein. Die Tatsache, dass das nicht der Fall ist, zeigt, dass der Markt sich der Probleme mit diesen Annahmen bewusst ist. Vorlesung Finanzinstrumente Kritische Würdigung Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick Motivation BlackScholesModell Abbildung : Verschiedene Verteilung des Logarithmus’ des Aktienkurses unter verschiedenen Modellen. Vorlesung Finanzinstrumente Aufgaben Bewertung von Aktienderivaten Binomialmodell mit einer Periode 1 Binomialmodell mit mehreren Perioden Kritische Würdigung und Ausblick V = (u − (1 + r)) × (1 + r − d). 2 Beweisen Sie Gleichung (7). 3 Zeigen Sie, dass für das Binomialmodell und das Black-Scholes-Modell die Put-Call-Parity erfüllt ist. 4 Zeigen Sie für eine normalverteilte Zufallsvariable X mit Erwartungswert E(X) und Varianz V(X): Motivation BlackScholesModell Zeigen Sie: Die Varianz des Aktienkurses im Binomialmodell ist 1 E(eX ) = eE(X)+ 2 V(X) .