Модель SABR

Модель SABR (stochastic alpha-beta-rho) — в финансовой математике модель динамики цен активов или процентных ставок со стохастической волатильностью следующего вида:

где в классическом случае . Для учёта теоретической возможности отрицательных ставок/цен используют также модель со смещением (shifted SABR): . Применяется также модель с функцией .

Здесь "сигма" - это стохастический процесс волатильности (с начальным значением -"альфа"). Параметр ("ню")- это "волатильность волатильности". Параметр ("ро") - параметр локальной корреляции факторов, влияющих на цену и на волатильность. Параметр ("бета") - это параметр CEV-модели, возможные значения которой от 0 до 1. По существу такая модель является существенно обобщенной и включает в себя в качестве частных или предельных случаев некоторые другие базовые модели, например, если параметр "волатильность волатильности" равен нулю, то получим так называемую CEV-модель, которая свою очередь в качестве предельных частных случае содержит нормальную модель (нулевая "бета"), логнормальную модель ("бета" равно 1). Также возможно рассмотрение модели с нулевой корреляцией - в таком случае обобщение "классических" моделей заключается просто в наличии некоторого разброса "сигмы", например в рамках нормальной или логнормальной модели.

При моделировании процентных ставок обычно модель описывает форвардную ставку для конкретного будущего периода в соответствующей форвардной мере. Соответственно параметры аналогичных моделей для форвардных ставок разной срочности могут потенциально иметь разные значения параметров. Совместное моделирование одновременно всех форвардных ставок разных срочностей возможно, например, в рамках модели SABR-LMM.

Модель позволяет объяснить так называемую улыбку вменённой волатильности в рамках модели Блэка-Шоулза или Башелье. Несмотря на то, что существуют достаточно точные аналитические подходы к оценке опционов в рамках модели SABR (при нулевой корреляции эти формулы точные), тем не менее, соответствующие формулы достаточно сложны и предполагают в том числе неоднократное численное интегрирование сложных функций. Поэтому на практике часто применяют иной подход - используют аппроксимации нормальной или логнормальной волатильности для оценки опционов стандартными формулами Блэка или Башелье.

Модель была предложена в статье [1] 2002 года четырьмя авторами - Patrick S. Hagan, Deep Kumar, Andrew Lesniewski, and Diana Woodward, где они предложили приближенные формулы для аппроксимации нормальной и логнормальной волатильности (часто соответствующую формулу обозначают HKLW02). В дальнейшем многие авторы предложили различные улучшения и альтернативные подходы к оценке, в том числе и сами авторы первоначальных формул [2] [3] [4], а также Berestickiy (2004), Henry-Labordere (2005)[5], Obloj (2008) [6], Paulot (2009) [7], Le Floc'h & Kennedy (2014) [8] и др.

Формулы аппроксимации волатильности Блэка и Башелье

Чаще всего используется линейная аппроксимация нормальной () или логнормальной () волатильности по сроку экспирации :

Далее в формулах -страйк опциона, - форвардная цена/ставка на момент оценки для соответствующего срока. В записи формул удобно оперировать следующими базовыми обозначениями:

В случае классической модели , поэтому , где - также удобное сокращенное обозначение.

Отметим, что некоторые авторы используют формулы для z с противоположным знаком (то есть во всех формулах сначала F потом K), что приводит к изменениям некоторых знаков и в формулах для V и d. Приведенный здесь подход предпочтительнее с точки зрения простоты формул в части одинаковых знаков (+) в указанных формулах (этой системы придерживаются и другие авторы, включая исходных авторов в более поздних статьях).

Кроме этого, ниже в некоторых случаях используются следующие две вспомогательные функции:

При x=0 первая функция равна 1, а вторая - 24 (с чем и связаны обозначения).

Формула HKLW02

Формулу аппроксимации HKLW02 можно записать следующим образом:

где .

В такой записи имеется неопределенность при нулевой "ню", поэтому удобно записать коэффициент следующим образом:

Величина (функция) H равна 1 как в случае нулевой "ню", так и в случае АТМ (K=F).

Формула для классической модели SABR

Для классического случая , поэтому . Поэтому . Тогда формулу HKLW02 можно записать в следующем виде:

Для случая ATM имеем для волатильности Блэка, и - для волатильности Башелье.

Некоторые приближения и неточности в HKLW02

Авторы в первоначальной статье 2002 года знаменатель в этой формуле () для случая сигмы Блэка записали несколько иначе, а именно как . Однако, можно показать, что это является приблизительным значением вышеуказанной величины:

откуда, учитывая приблизительную (но достаточно точную) приведенную выше аппроксимацию функции и получается выражение, использованное авторами.

Кроме этого, в окончательной формуле авторов вместо z была использована по существу (с точностью до знака) величина . В дальнейшем другие авторы (Berestickiy (2004), Henry-Labordere (2005), Obloj (2008)) показали, что более точно в общем случае использовать вышеприведенную величину . С учетом приведенной выше формулы, эти величины связаны между собой следующим образом , поэтому в случае АТМ или в случае, когда бета равна 1, эти величины совпадают, в остальных случаях они немного отличаются.

Формула HKLW14

В статье 2014 года авторы предложили несколько отличающуюся формулу, причем только для нормальной сигмы (сигму Блэка при необходимости можно вычислить по общей приблизительной формуле из нормальной сигмы), которую в приведенных выше обозначениях можно записать следующим образом:


Таким образом, коэффициенты остаются прежними. Коэффициент меняется незначительно, так как вместо производной от среднего геометрического применяется непосредственно средняя величина производной по существу. Наиболее значимое изменение имеет место для коэффициента . Однако, можно показать, что для классической модели SABR эту формулу можно представить в виде, аналогичном HKLW02:


Функция в достаточно широком диапазоне отклонений от АТМ примерно равна 24 (значению на АТМ). Например, при трехкратном отклонении страйка от АТМ эта величина может составить максимум 24.24 вместо 24 , то есть увеличение составит примерно на 1%, то есть обычно это несущественная поправка (а если учесть бету 0.5, то всего 24.06, то есть порядка четверти процента). Поэтому основное отличие в формуле первого коэффициента заключается в том, что вместо среднего геометрического используется среднее , соответственно, новый коэффициент будет меньше классического в раз. В аналогичном примере с трехкратным отклонением страйка от форварда это дает изменение коэффициента уже на 8% (но при бета, равном 0.5 это всего 2% уже).

Несложно показать, что уточненный второй коэффициент незначительно отличается от первоначального варианта:

В аналогичном примере с трехкратным отклонением от ATM новый коэффициент будет меньше классического максимум на 1%. Подчеркнем, что в случае АТМ новые коэффициенты в точности совпадают с классическими. Все различия становятся значимыми лишь при значительных отклонениях от АТМ и на достаточно длинных сроках.

Формула ABR14

Le Floc'h F. и Kennedy G. на основе аппроксимации Anderson&Brotherton-Ratcliffe в 2014 году представили формулу в следующем виде (с учетом обозначений, принятых выше):

где , где - аналогично стандартной величине z, где вместо страйка участвует переменная x. Величина d выражается через данную функцию как . Путем алгебраических преобразований можно показать, что такое представление эквивалентно следующему:


Таким образом, коэффициент имеет стандартный вид, коэффициент в этой формуле отличается от формулы HKLW14 наличием множителя . Коэффициент отличается более общей формулой (примерно в таком виде она встречается внутри статьи HKLW02 до упрощения и в таком же виде эти коэффициенты соответствуют более ранней статье Paulot - см.ниже) и можно показать, что на ATM она полностью совпадает с HKLW02 и HKLW14.


Коэффициент совпадает с формулой HKLW14. Формула этого коэффициента связана с тем, что авторы использовали первоначально аппроксимацию Anderson&Brothertone-Ratcliffe следующего вида:

где

Однако, непосредственное применение такой аппроксимации может привести к значительным ошибкам на больших сроках, так как в аппроксимации в конечном итоге участвуют не только линейные по сроку члены разложения. Поэтому авторы используют примерное значение , и не учитывают возникающие члены разложения по сроку выше первого порядка. Отсюда и появляется такое значение "второго" коэффициента.

Формула Paulot

Принципиально другой подход реализован Louis Paulot(многие ссылки на 2015 год, однако, это работа 2009 года, на которую имеются ссылки уже в 2012 году), который аппроксимирует сигму Блэка и, кроме того, это аппроксимация второго порядка по сроку. Но члены разложения второго порядка имеют достаточно сложный вид и включают численное дифференцирование и интегрирование.

Если рассмотреть только аппроксимацию первого порядка, то можно показать, что коэффициенты идентичны подходу ABR14. Точнее можно сказать что формулы ABR14 для этих коэффициентах сходятся с формулами Paulot с учетом более ранней даты публикации последним. Однако, выражение коэффициента существенно сложнее и отличается от всех других формул [9]:

В случае АТМ добавленный множитель равен 1 и формула совпадает с классической. В данном подходе, в случае единичной беты формула достаточно простая и отличается от классической формулы на множитель, который, как можно показать, равен также .

Формула HKLW16

В данном подходе используется пересчитанная величина "альфы" путем умножения на множитель из ABR14 :

Корректировка альфы приводит к изменению величины коэффициента несмотря на неизменность формулы, а также приводит к нулевому коэффициенту (он "зашит" в пересчитанной величине альфы).

Далее общая аппроксимация становится не совсем линейной, а именно имеет вид:

В первом порядке приближения этот подход сходится с ранее рассмотренными, но тем не менее, косвенно здесь учитываются эффекты большего порядка.

Наконец, авторы предложили несколько отличные от ранее рассмотренных формулы расчета коэффициентов . Их можно представить следующим образом:

где использовано дополнительное обозначение , что удобно в том числе с учетом того, что для АТМ . Приведенная форма записи формул не содержит явной неопределенности в АТМ (она скрыта в H) - у самих авторов немного другая, но эквивалентная запись этих формул с неопределенностью на АТМ. Можно также показать, что

Функция - функция, определенная в формуле HKLW02, но в данной формуле она берется не в точке среднего геометрического, а просто на данном значении форвардной ставки. Для классической SABR-модели она равна

Формулы взаимосвязи волатильностей Башелье и Блэка

Формулы аппроксимации модели SABR можно использовать также для вывода приблизительных формул взаимосвязи между волатильностями Блэка (логнормальной) и Башелье (нормальной), которые можно использовать для быстрого получения одной волатильности из другой. Эти базовые модели являются моделями нестохастической волатильности и формально частными случаями модели SABR с нулевой . В этом случае в том числе и формулы упрощаются до

Соответственно, если исходная сигма нормальная ,то есть , а нужно получить логнормальную сигму, сигму Блэка , то и имеем

В обратном случае получаем

Примечания

  1. Hagan P.S., Kumar D., Lesniewski A.S., Woodward D.E. Managing Smile Risk. Wilmott Magazine 2002
  2. Hagan P.S.,Kumar D., Lesniewski A., Woodward D. (2014) Arbitrage free SABR
  3. Hagan P.S., Kumar D., Lesniewski A., Woodward D. (2016) Universal smiles
  4. Hagan P.S., Lesniewski A., Woodward D. Managing Vol Surfaces, August 2018
  5. Henry-Labordere P.(2005) A General Asymptotic implied volatility for stochastic volatility models. ssrn 2005: 698601
  6. Obloj J. (2008). Fine-tune your smile: Correction to Hagan at al.
  7. Paulot L. (2009) Asymptotic implied volatility at the second order with application to SABR model
  8. Le Floc'h F. Kennedy G. Explicit SABR Calibration through Simple Expansions, July 2014, ssrn 2467231
  9. Choi J., Lixin W. (2021) The equivalent CEV volatility of the SABR model, ssrn-3495464