Finance/Financial Mathematics

Brownian motion(Wiener process)과 quadratic variation

Viator 2022. 4. 12. 10:26

1. Definition of Brownian motion

어떤 실수 값으로 된 랜덤 프로세스(Stochastic process)가 다음의 성질(property)을 따를 때 브라운 운동(Brownian motion)이라 칭한다.

1. W(0)=0

2. W(t)W(s)N(0,ts), for t > s

3. W(t2)W(t1),W(t3)W(t2),,W(tn)W(tn1)들은 모두 독립이다. 

위 2번째 성질에서 브라운 운동의 증분은 그 정의상 평균은 0, 분산은 time index의 거리가 된다.
즉 다음과 같이 일반화할 수 있다.

E[ΔW]=0
Var[ΔW]=E[(ΔW)2](E[ΔW])2=E[(ΔW)2]=Δt

E[(ΔW)2]=Δt

여기서 브라운 운동의 증분을 제곱하면 랜덤성이 사라지고 '평균적으로' 증분만큼의 시간으로 deterministic하게 나온다는 중요한 성질을 엿볼 수 있다. 저기서 기댓값만 없애면 "브라운 운동 증분의 제곱은 그 시간 차이만큼의 제곱이다"라고 명징하게 주장할 수 있을텐데 그 부분이 아쉽다. 저 기댓값을 처리할 수는 없을까?
이를 확인하기 위해선 먼저 브라운 운동 증분의 모멘트들을 살펴봐야한다.

 

2. Moment of Brownian Motion


먼저 모멘트 생성 함수(Moment Generating function)를 리뷰해보자. 확률 변수 z에 대한 모멘트 생성 함수는 다음과 같은 꼴을 갖는다.

MZ(θ)=E[eθz]

이를 모멘트 생성 함수라 부르는 이유는, MZ(θ)를 미분할수록 테일러 근사에 의해 아래의 꼴을 갖는데,
ddθMZ(θ)=E[z]+θE[z2]+θ22!E[z3]+θ33!E[z4]+


d2dθ2MZ(θ)=E[z2]+θ2!E[z3]+θ23!E[z4]+



여기서 θ를 0으로 두면 z에 대한 모멘트들이 생성되기 때문이다.
ddθMZ(θ)|θ=0=E[z]

d2dθ2MZ(θ)|θ=0=E[z2]

d3dθ3MZ(θ)|θ=0=E[z3]



이제 브라운 운동의 모멘트 생성 함수를 알아보자. "Geometric Brownian Motion의 해, 평균, 분산" 포스팅의 식 (20)에서 지수로 정규분포가 포함된 꼴에 대해서 E[eY]=eE[Y]+12Var[Y]를 갖게 되는 걸 살펴봤다.
이에 따라 브라운 운동의 모멘트 생성 함수는 다음과 같다.

E[eθWt]=e0+12θ2t=e12θ2t

이제 여기서 1,2,3,4차 모멘텀을 구해보자.

E[Wt]=ddθe12θ2t|θ=0=e12θ2tddθ(12θ2t)|θ=0=e12θ2tθt|θ=0=0E[Wt2]=d2dθ2e12θ2t|θ=0=ddθe12θ2tθt|θ=0=(ddθ(e12θ2t)θt+e12θ2tddθ(θt))|θ=0=(e12θ2tθ2t2+e12θ2tt)|θ=0=tE[Wt3]=d3dθ3e12θ2t|θ=0=ddθ(e12θ2tθ2t2+e12θ2tt)|θ=0=(ddθ(e12θ2t)θ2t2+e12θ2tddθθ2t2+ddθ(e12θ2t)t+e12θ2tddθt)|θ=0=(e12θ2tθ3t3+e12θ2t2θt2+e12θ2tθt2)|θ=0=(e12θ2t(θ3t3+3θt2))|θ=0=0E[Wt4]=d4dθ4e12θ2t|θ=0=ddθ(e12θ2t(θ3t3+3θt2))|θ=0=(ddθ(e12θ2t)(θ3t3+3θt2)+e12θ2tddθ(θ3t3+3θt2))|θ=0=(e12θ2tθt(θ3t3+3θt2)+e12θ2t(3θ2t3+3t2))|θ=0=3t2

E[Wt]=0,E[Wt2]=t,E[Wt3]=0,E[Wt4]=3t2

 

3. Quadratic variation of Brownian motion

이제 브라운 운동의 증분에 대해 분석할 툴들이 모두 갖춰졌다. 브라운 운동 Wt라고 하는 것은 앞서 살펴보았던 정의 상 시점 0부터 t까지의 증분을 의미한다. 여기서 증분에 대해 Δt, 즉 브라운 운동의 증분을 t부터 t+Δt의 시점까지라고 일반화하면 2번의 모멘트들 또한 브라운 운동 증분의 모멘트들로 일반화된다.

E[ΔW]=0,E[ΔW2]=Δt,E[ΔW3]=0,E[ΔW4]=3(Δt)2


그리고 (ΔW)2의 평균과 분산에 대해 분석해보자. 평균은 앞서 정의한대로 E[(ΔW)2]=Δt가 된다. 분산은 아래와 같다.

Var[(ΔW)2]=E[(ΔW)4](E[(ΔW)2])2=3(Δt)2(Δt)2=2(Δt)2

이때 Δt를 0으로 극한을 보내어 무한소(dt)만큼 작은 시간으로 정의하면 (dW)2의 분산은 0으로 수렴한다. 즉 (dW)2의 평균은 dt가 되고 분산은 0이 되므로 (dW)2는 무한소 단위의 증분에서 기댓값이 필요 없이 확정적인 dt가 되는 것이다.

그러므로 우리는 본 포스팅에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
E[dW]=0,(dW)2=dt