波动率是度量金融市场风险的常用指标, 对波动率的估计和预测是近几十年来金融研究领域的重要课题之一.一个时刻点处的波动率常被称为点波动率(spot volatility), 其是套头交易, 期权定价, 风险分析和资产组合管理等金融活动中需要考虑的重要因素.随着电子化交易的普及和信息存储技术的发展, 以高精度时间“分”, “秒”为刻度来存储信息的高频环境逐步建立.高频数据可以迅速有效地捕捉市场信息, 比低频数据更能反映金融市场的真实状况, 为准确估计点波动率提供了途径.
关于点波动率的研究, Foster和Nelson[8]首次证明了卷样点波动率估计量的渐近正态性.但文中出现的条件和结果都十分抽象, 故Andreou和Ghysels[1]对文中出现的估计量进行了进一步研究.之后, Fan和Wang[7]在资产过程轨道连续情况下, 构建了点波动率的核密度估计量并得到了其渐近正态性.关于点波动率估计量的研究, 亦可参见Zu和Boswijk[12].
近年来, 大量金融理论和实证表明, 资产价格中常包含跳, 且跳的存在和类型对波动率估计量具有显著影响(夏登峰等[14]).在资产价格过程有复合泊松跳的情形下, 利用Mancini[10]中门限方法, 我们将Fan和Wang[7]提出的估计量进行推广和改进, 即剔除带跳部分对估计量的影响.同时证明了所构造估计量的渐近正态性与中偏差原理, 并给出了速率函数的精确表达式.此外, 关于积分波动率估计量的大偏差与中偏差原理, 可以参见Djellout等[5, 6], Hui[9]及Mancini[11].
本文的结构如下:在第二章中, 对模型进行介绍, 构造了点波动率的门限估计量并阐述了本文的主要结论.第三章给出了主要结论的证明.
给定概率空间$(\Omega, \mathcal{F}, (\mathcal{F})_t, P)$, 令资产价格过程$X$服从跳扩散过程(见文献[3])
其中$\sigma_{t}$为关于$\mathcal{F}_t$适应的可料过程; $W_{t}$为标准布朗运动; $L_{t}$是一个与$\{W_{t}, t\geq0\}$独立的复合泊松过程, 即$L_t=\sum\limits_{i=1}^{N_t}Y_i$, 其中$\{Y_i, i\in\mathbb{N}\}$是一列独立同分布的随机变量, $\{N_{t}, t\geq0\}$是强度为$\lambda$的泊松过程, 且与$\{Y_i, i\in\mathbb{N}\}$独立.
定义点波动率为$\Gamma _{t}:=\sigma_{t}^{2}$.若$L\equiv0$, 过程$X$的二次变差为$[X, X]_t=\displaystyle\int_0^t\Gamma _{s}ds$.由于
通过在时间点$\{t_{i}=i/n, i=1, 2, \cdots, n\}$处对$X$进行的等距观测, Fan和Wang[7]构造了$\Gamma _{t}$的核密度估计量
其中$I(t, b_n)=\{i: t_i\in[t-b_n, t+b_n]\}$, $K(x)$是支集为$[-1,1]$的核函数, $b_n$是带宽.
若$L\neq0$, 可以得到过程$X$的二次变差为
其中$\Delta X_s=X_s-X_{s-}$为过程$X$在$s$点的振幅.为了估计$\Gamma_{t}$, 需要获得过程$X$的连续部分$X^c$:
故而最主要的问题是如何将过程$X$的跳与连续部分区分开来.利用Mancini[10]及Fan和Wang[7]中的思想, 定义如下核估计量
其中$r(1/n)$满足
为了研究$\hat{\Gamma}_{t}$的渐近性质, 给出如下假设(Fan和Wang[7])
(A1) $\sup\{|\sigma_t-\sigma_s|, t, s\in[0,1], |t-s|\leq a\}=O_p(a^{1/2}|\log a|^{1/2})$, $\mathop{\sup}\limits_{0\leq t\leq1}\sigma_{t}^{2}=O_{p}(1)$;
(A2) $\sup\{(\displaystyle\int_{t_{i-1}}^{t_i}({\sigma_s-\sigma_{t_{i-1}}) }dW_{s})^2, i=1, \cdots, n\}=O_{p}(n^{-2+\eta})$, 其中$\eta>0$, 且任意小;
(A3) $\mathop{\sup}\limits_{0\leq t\leq1}|\mu_{t}|=O_{p}(1)$;
(A4) $b_n\sim (n^{1/2}\log n)^{-1}$, 核函数$K(\cdot)$为取正值的二次可微函数, 支撑为$[-1,1]$, 满足
首先, 给出估计量的渐近正态性.
定理1 令过程$X$满足(2.1) 式, 且条件(A1)-(A4) 成立.则对于任意的$t\in[0,1]$, 有
其中$\stackrel{L}{\longrightarrow} $代表依分布收敛.
推论1 在定理1的条件下, 可以推出$ \sqrt{nb_n}({\frac{\Gamma_{t}}{\hat{\Gamma}_{t}}-1})\stackrel{L}{\longrightarrow} N(0, 2\lambda(K)). $
假定$\{\lambda_n, n\geq0\}$为一列正实数且满足
下面给出门限估计量$\hat{\Gamma}_t$的中偏差原理.
定理2 令过程$X$满足(2.1) 式, $\sigma_t$非随机且$\mu_t\equiv\mu\in\mathbb{R}$.若
假定条件(A1) 及(A4) 成立, 则$\{\frac{\sqrt{nb_n}}{\lambda_n}(\frac{\hat{\Gamma}_{t}}{\Gamma_{t}}-1), \quad n\geq1\}$满足中偏差原理, 且速度为$\lambda_n^2$, 速率函数为$I_t(x)=\frac{x^2}{4\sigma^4_{t}\lambda(K)}$.特别地, 对任意的$x>0$, 有
应用大偏差中的Delta方法(Gao和Zhao[13]), 可以得到如下推论.
推论2 在定理2的条件下, 可以推出$\{\frac{\sqrt{nb_n}}{\lambda_n}(\frac{\Gamma_{t}}{\hat{\Gamma}_{t}}-1), \quad n\geq1\}$满足中偏差原理, 且速度为$\lambda_n^2$, 速率函数为$I_t(x)=\frac{x^2}{4\sigma^4_{t}\lambda(K)}$.
在这一节中, 将给出本文主要结论的证明.
定理1的证明 对任意右连左极过程$Z$, 令$\Delta_{i}Z=Z_{t_{i}}-Z_{t_{i-1}}$.由Mancini[10]的定理3.1, 当$n$充分大时, 对每一个$i=1, 2, \cdots, n$, 有$I_{\{(\Delta_{i}X)^2\leq r(1/n)\}}=I_{\{\Delta_{i}N=0\}}$.从而可以得到
由于$\Delta_{i}X^c=X_{t_{i}}^c-X_{t_{i-1}}^c=\displaystyle\int_{t_{i-1}}^{t_i}\sigma_s dW_s+\int_{t_{i-1}}^{t_i}\mu_s ds$, 易得到
首先, 由Lévy连续模定理知$\sup\{|W_{t_{i}}-W_{t_{i-1}}|, i=1, \cdots, n\}=O_{p}(n^{-1/2}\log^{1/2}n)$, 根据条件(A1) 及(A2) 即得
同时, 由泊松过程性质可知$N_{t+b_n}-N_{t-b_n}=O_{p}(b_n)$.从而结合条件(A4) 可得
其中$C$为只与核有关的常数.
再者, 条件(A3) 可推得$\displaystyle\int_{t_{i-1}}^{t_i}\mu_s ds=O_p(1/n)$.类似(3.3)式的证明知
因此结合(3.1), (3.3) 及(3.4) 式, 得到
由Fan和Wang[7]中定理1, 本文中定理1得证.
首先, 来计算$\hat{\Gamma}_t$的对数矩生成函数, 即对任意的$\theta\in\mathbb{R}$, 令
引理1 在定理2的条件下, 有$\lim\limits_{n\to\infty}\frac{1}{\lambda_n^2}\Lambda_{n, t}(\theta)=\theta^2\sigma_t^4\lambda(K)$.
证 由于过程$X$增量相互独立, 故
由示性函数的定义可得
对于$J_1(ⅰ), J_2(ⅰ)$, 由$N$与$W$的相互独立性可得
同理可得
为了完成引理1的证明, 对于$M_j(i, \frac{1}{n}), j=1, 2, 3, 4, 5$, 需要如下结论.
引理2 当$n\rightarrow\infty$, 对于$j=2, 3, 4, 5$, 有
证 由于$\sigma_t$非随机, 结合条件(A1) 知$\sup\limits_{1\leq i\leq n}\displaystyle\int_{t_{i-1}}^{t_{i}}\sigma_s^2ds=O(n^{-1})$.根据(2.3) 式有
故当$n\rightarrow\infty$时,
根据高斯随机变量的指数不等式, 知
以及
再来估计$M_2(i, \frac{1}{n})$.首先, 当$\theta\leq0$时,
其次, 当$\theta>0$时, 根据Hölder不等式, 对任意的$p>1, q>1$且$\frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1$, 当$n$充分大时有
现在只需要估计$M_3(i, \frac{1}{n})$,
一方面,
另一方面, 对于$M_{32}(i, \frac{1}{n})$:首先, 当$\theta\leq0$时,
其次, 当$\theta>0$且$I_{\{(X_{t_i}-X_{t_{i-1}})^2\leq r(1/n)\}}=1$时,
同时, 当$n$充分大时,
由此, 可以得到
根据上述的分析, 若要证明(3.5) 式, 只需证
计算可得$\exp({\frac{2\mu^2}{4n^2\cdot\sup\limits_{1\leq i\leq n}\displaystyle\int_{t_{i-1}}^{t_{i}}\sigma_s^2ds}})\rightarrow1$, 故
一方面, 由(2.3) 式知$\log\frac{nb_n}{\lambda_n^2}\rightarrow+\infty.$
另一方面,
再由条件(A4) 及(2.3) 式知$\log b_n\sim -\frac{1}{2}\log n, \log\lambda_n^2\ll\frac{1}{2}\log n.$结合(2.2) 式即可得
由此, (3.13) 式得证.从而引理2得证.
引理1的证明 利用引理2以及泰勒公式, 可以得到
其中$|\varepsilon_n|\leq C|\theta|\sqrt{\frac{n}{b_n}}\lambda_n\sup\limits_{1\leq i\leq n}\displaystyle\int_{t_{i-1}}^{t_i}\sigma_s^2ds=o(1)$.
接下来, 分别处理$H_1, H_2$.
一方面, 根据条件(A1) 知
故有
另一方面, 由条件(A4) 中核函数$K(x)$的性质得
则
又由于$K(x)$是二次可微函数, 则由中值定理知, 对任意的$i$, 存在$\xi_i\in[\frac{s-t}{b_n}, \frac{t_i-t}{b_n}]$, 使得
特别地, 当$s\in[t_{i-1}, t_i]$时, $K(\frac{t_i-t}{b_n})-K(\frac{s-t}{b_n})=O(\frac{1}{nb_n}).$结合(3.15) 式得
对于$H_2$而言,
另一方面, 由于$\displaystyle\int_{t_{i-1}}^{t_i}ds=\frac{1}{n}$, 类似(3.14) 式的证明知
因此结合(3.16) 式即得$H_2=\theta^2\lambda(K)\sigma_t^4$.由此引理1得证.
定理2的证明 根据Gärtner-Ellis定理, 定理2可以由引理1直接得到.