11.3. общая схема сложных процентов
11.3. общая схема сложных процентов
Рассмотрим элементы алгебры потоков в более общем контексте, чем это было сделано выше. Обобщения касаются двух аспектов, связанных с денежными потоками. Во-первых, рассмотрим непрерывные, а также общие потоки платежей. Во-вторых, откажемся от условия постоянства процентных ставок. В итоге получим достаточно общие результаты, касающиеся общих потоков платежей в рамках общей схемы сложных процентов.
Прежде чем перейти к определению общей схемы сложных процентов и ее обсуждению, напомним кратко понятие общей финансовой схемы (см. гл. 1).
Общая финансовая схема в качестве базовых элементов включает финансовые события и финансовые потоки, финансовые законы капитализации и дисконтирования и индуцированное ими отношение эквивалентности. Определяющими элементами являются заданные финансовые законы капитализации (роста)
и дисконтирования
V=D(p,t,C), P<t.
Смысл этих законов состоит в нахождении для любого события (г, С) его накопленного или будущего значений
К = С) = Л(р t, С), p>t, (11.2)
а также приведенного, текущего или дисконтированного к моменту р значения
Vp=DVp(t,C) = D(p tC)t p<t. Такая пара законов задает оператор преобразования или приведения событий к любому моменту времени р (полюсу, фокальной точке, моменту валоризации), обозначаемый PV:
PVp:(t,C)->(p,Vp),
rFVp(t,C), если р>Г; DVp(t,C) если p<t.
где
Законы капитализации и дисконтирования удовлетворяют ряду постулатов (условий). Эти постулаты и следствия из них достаточно подробно обсуждались в гл. 1. В гл. 8 показано, что финансовые законы в стандартной схеме сложных процентов обладают свойствами однородности, стационарности, непрерывности и взаимной сопряженности. Эти свойства следовали из конкретной (показательной) формы финансовых законов. Ниже некоторые из них примем в качестве постулатов, определяющих общую схему сложных процентов. Выполнение свойств (постулатов) приводит к специальной форме финансовых законов в общей схеме сложных процентов.
Определение общей схемы сложных процентов. Будем считать, что для общей схемы сложных процентов выполняются следующие постулаты.
Г. Законы роста и дисконтирования являются однородными относительно сумм, связанных с событиями. Иными словами,
A(p;t, С) = СА(р; t, 1);
D(p;t,C) = CD(p;t, 1). (П.З)
Тем самым законы однозначно определяются своими функциями (или коэффициентами) роста
a(t,p)=A(p;t, 1), р>ї,
и дисконтирования
d(t, р) = D{p;t, 1), p<t,
Из Г следует, что
FV(t,C) = Ca(t,p), p>t
DVp(t,C) = Cd(t,p), p<L
Функции роста и дисконтирования можно объединить, введя так называемую обобщенную функцию, или коэффициент дисконтирования
a(t,p), если р > Г,
yd ,p), eamp<t.
С помощью коэффициента дисконтирования обобщенный оператор приведения (текущей стоимости) запишется в виде
PV(t,Q = Cv(t,p)
для любых f, р.
2°. Законы роста и дисконтирования непрерывны относительно временных параметров, иными словами, функции a(t, р) и d(t, р) непрерывны в своей области определения.
Из 2°, в частности, следует, что всюду определенная функция u(t, р) является непрерывной в области / ф р. Полная ее непрерывность гарантируется следующим условием.
3°. Финансовые законы роста и дисконтирования взаимно сопряжены, т.е.
a(t,p)d(t,p) = 1
для любых р > t и удовлетворяют краевому условию
a(t,t) = d(t,t)=.
Из свойства сопряженности и непрерывности следует, что функции ait, р) и d(t, р) знакопостоянны, а краевое условие означает, что a(t, р) и d(t, р) положительны в своих областях определенности. Это означает, что обобщенная функция дисконтирования v(t,p) положительна, всюду непрерывна и удовлетворяет условию
для всех t. Кроме того, функция v(t, р) является самосопряженной, т.е.
v(t,p)v(p,f)=
для любых t, р.
4°. Законы роста и дисконтирования транзитивны, т.е. для любых t< г<р
a(t,T)a(r,p) = a(t,p)
и любых p<r<t
d(t,r)d(T,p) = d(t, р). Это свойство также нъшваютрасщешяемостью финансовых законов. Транзитивность законов роста и дисконтирования ведет к транзитивности обобщенной функции дисконтирования:
v(t, r)d(T,p) = v(t,p)
для любых t, г, р.
Заметим, что это утверждение — прямое следствие соответствующих свойств функции роста и дисконтирования лишь в случае, если точка тлежит между точками / и р. В остальных случаях выполнение этого свойства основано также на упомянутой выше взаимной сопряженности законов роста и дисконтирования (см. постулат 3). Так, если t < р < г, то транзитивность функции v фактически означает выполнение свойства
a{t, f)d(T,p)=a(t,p), следующего из транзитивности функции роста
a(t,p) а(р, r) = a(t, т) и условия сопряженности
d(t,p)
Остальные случаи рассматриваются аналогично.
В терминах операции приведения событий транзитивность финансовых законов в схеме сложных процентов означает выполнение равенства
РУ,{РУЛ*>С))=РУ№) (11.4) для любых г, г, р. Свойство 4° называют свойством поглощения оператора приведения. Оно означает нечувствительность операции приведения событий к заданному полюсу р от внутренних или промежуточных преобразований этих событий.
Этим свойством мы неоднократно пользовались в данной главе при доказательстве ряда утверждений (теорем 11.2 и 11.3), касающихся потоков платежей, естественно, в рамках стандартной схемы сложных процентов с фиксированной нормированной ставкой /'. Свойство транзитивности играет центральную роль в теории сложных процентов, С его помощью можно установить общую форму финансовых законов и связанных с ними преобразований событий и потоков.
Поскольку функция v(U р) положительна, то можно определить функцию
v(/,/») = lnu(/,p).
Свойство транзитивности функции v трансформируется тогда в свойство аддитивности функции v:
v(Up) = v(/, г) + v(r,/?) для всех ї, г, р. В частности, отсюда следует, что если непрерывную функцию v рассматривать как функцию промежутков J = < f /, >, полагая
v(/)= vU,,g, tt<tv то v является непрерывной аддитивной функцией промежутков.
В гл. 1 введено понятие плотности для аддитивной функции промежутков. Плотность функции v (в том случае, когда она существует) будем называть интенсивностью и обозначать через S(t):
Можно показать, что если аддитивная функция v имеет кусочно-непрерывную плотность S, функция vдопускает интегральное представление
27-5169
v('„f2) = |5(/)df.
В свою очередь, это означает возможность представления обобщенной дисконтной функции v (t,p) в виде
(р
v(t,p) = exp J6(t)dt
Мы будем всегда предполагать существование и кусочную непрерывность интенсивности <5(Г).
Заметим, что в литературе интегральное представление для дисконтной функции принято записывать в виде
v(t,p) = txp -J8(t)dt
Знак «минус» в показателе должен напоминать, что говорится о дисконтировании (хотя и в обобщенном смысле).
В схеме с постоянной интенсивностью 5(t) = д — const дисконтная функция v{t, р) принимает вид
v(t, р) =
= е
Если р — 11 = 1, т.е. значение дисконтной функции рассматривается на единичном промежутке, то определяются величины
1
<з = е =1+/; и = е"' =
1 + /
нормированные коэффициенты роста и дисконтирования соответственно, где
/=е51
нормированная процентная ставка. Тем самым мы приходим к описанной в § 8.4 стандартной схеме сложных процентов.
В финансовой литературе вместо двумерной дисконтной функции v(t,p) часто используют ее одномерные аналоги. Обозначим функцию v(tt 0) одного аргумента t через v(t) (хотя и это не совсем корректно). Используя транзитивность и самосопряженность v(t,p), можно записать
v(t,0) v(t)
v(p,0) v(pY
v(tt p) = v(t,0)v(0,p) =
u(f) = exp -J<5(s)ds .
V о )
На этом закончим обсуждение финансовых законов в общей схеме сложных процентов и перейдем к обсуждению вопросов, связанных г с непрерывными и общими финансовыми потоками в рамках этой схемы. Непрерывные и общие финансовые потоки в общей схеме сложных процентов. Выше в этой главе мы ограничились анализом дискретных, или более точно, конечных потоков платежей. Финансовый поток CF в дискретном случае задается своей платежной функцией C(t), г є Т і на дискретном множестве точек, называемом носителем этого потока (см. гл. 1):
E = sappCF=[teT C(t)*0].
Дискретность носителя означает, что в любом конечном промежутке /содержится лишь конечное число точек носителя. В частности, носитель — конечное или счетное множество, т.е. его элементы можно занумеровать:
E = {tkk = l, ...,л},л<~.
Это приводит к обычному представлению дискретного потока CF в виде множества
CF = {(tktCk)k = „.n}tn<oonCk = C{tk).
Если поток конечен, то носитель также конечен и, следовательно, функция С(г) отлична от нуля лишь для конечного числа моментов времени.
На дискретные потоки тривиально переносится операция приведения событий к полюсу р в общей схеме сложных процентов:
рг, (cf )=£c>(r, р)=-1, £cXr). (,, .6)
ГєТ VP)teT
Если поток конечен, то суммы в (11.5) конечны, для бесконечных дискретных потоков они представляют собой суммы рядов; возможность приведения потока обусловливается сходимостью соответствующего ряда.
Определенный выше оператор приведения (или текущей стоимости) является линейным оператором:
PV, Щ + CF2) = PV, (CF,) + PVp [CF2)
И
PVp(XCF) = XPVp(CF).
Хотя ряд результатов этой главы для дискретных потоков не выполняется для схемы с переменной интенсивностью, в частности, это касается лемм, связанных с операторами сдвига (см. леммы 11.2 11.4 и теорему 11.1), тем не менее в общей схеме остается справедливым свойство поглощаемости оператора приведения для дискретных потоков (см. лемму 11.5)
PV,(PV,(Cti)) = PVf(CF),
являющееся тривиальным следствием этого свойства для событий (см. (11.4)).
Остаются также справедливыми свойство ассоциативности текущей стоимости (см. теорему 11.2) и основные определения и факты, касающиеся эквивалентности потоков (см. § 11.2), поскольку все эти результаты опираются лишь на свойство поглощаемости оператора приведения. При этом определение эквивалентности потоков переносится на случай схем с переменной интенсивностью, т.е. потоки считаются эквивалентными, если их приведенные значения в некоторой (а тогда и в любой) точке совпадают.
В силу сказанного не будем переформулировать и снова доказывать упомянутые факты, а перейдем к обсуждению непрерывных и общих потоков платежей в общей схеме сложных процентов.
В гл. 1 мы ввели понятие общего потока платежей CF, задаваемого аддитивной функцией промежутков V= V , которая каждому конечному промежутку / временной шкалы сопоставляет значение V(J) потока на этом промежутке. При этом был выделен класс так называемых непрерывных потоков CF, имеющих плотность ju(f), определяющей значение потока на промежутке У согласно формуле
v(j)=!(,(()&.
j
Зафиксировав любую точку tQ временной шкалы, можно определить функцию (аналог функции распределения в теории вероятностей):
'о
которая также определяет значение потока на любом промежутке J=-<a,b>:
V(J) = V(a, b) = M(b) M{a). Функция M(t) является первообразной для непрерывной плотности
M )= МО-Понятие текущей стоимости потока в общей схеме сложных процентов легко переносится на непрерывные потоки. . Определение //.5. Пусть CF — непрерывный поток с плотностью ju(0Текущей стоимостью этого потока в точке р относительно интенсивности 5(0 в общей схеме сложных процентов называется величина, определяемая равенством
PVp{CF)=»(t)v{t,p)ut = -^ii{t)v(t)uL (1]7)
Заметим, что интеграл справа на самом деле собственный (конечный), если поток CF — сосредоточен на некотором отрезке а, Д, иными словами, вне этого отрезка его плотность равна 0:
/і(ґ) = 0, te[at0.
Тогда очевидно, что
J ц(s)v(s, p)ds = jfj(s)u(s, p)ds.
Если это не является необходимым, мы не будем указывать конкретные границы интегрирования а, Д
Можно обобщить данное выше определение и на случай бесконечных (по времени), точнее, нефинитных потоков, если понимать интеграл в (11.7) как несобственный.
Пример 11.8. Пусть непрерывный поток сосредоточен на отрезке [0, 2] и имеет постоянную плотность pi{t) = fj — const. Найти текущую стоимость этого потока в точках а) р = 0; б) р = 1; в) р — 2 относительно постоянной интенсивности 3(f) = д — const.
Решение. Коэффициент дисконтирования имеет вид
J6>d
v(t,p) = f =е^".
Тогда для случаев:
a) ^JCO = l/ica(Md/ = /iJe-*d/ = -^e-*[=^(]-e-");
б) ^(Cf) = j^e^d/ = /ie5]e^d/=:^e5(l-e35) = ^(e5-e^);
о о
2 2
в) FV, (CF) = |uesil-'} dt = uеи Je"*dt = £tu(l -e2S) = £(e13-1).
Пример 11.9. Пусть CF~ непрерывный поток, сосредоточенный на промежутке
[-1, <=°), с плотностью . . ...
л^(0 = е ■
Найти текущее значение этого потока в точке р~0 относительно постоянной интенсивности 5=1.
Решение. Как и в предыдущем примере, коэффициент дисконтирования
v(t,p) = cp4.
і
= 1+1 =1,5. 2
Поскольку поток нефинитный (бесконечный), то интеграл (11.7) будет несобственным: FV0(CF) = Jен 11 є"' dt = ]dt + ]V2'dt = £ '
Из приведенного выше определения текущей стоимости непрерывного потока непосредственно следует ее линейность относительно сложения потоков:
PY, (С/5 + CF2) = PVt (CFt) + PV, (CF2) и умножения потока на число:
PVp(XCF) = XPVp(CF).
В самом деле, если р.х и fi2 — плотности потоков CFX и CF2 соответственно, то функция
будет плотностью суммарного потока CF{ + CFV а поскольку интеграл (11.7) является линейным функционалом относительно подинтеграль-ной функции, то
PVr {CF, +CF2) = J(rt (/)+ft (t))v(t, p)dt =
—CO
= j ft (t)v(l, p)d,+ j fr(t)v{t, p)dt = PVf {CFt) + PVp [CF2).
Аналогично доказывается и однородность текущей стоимости, т.е. формула (11.4). Действительно, если pt(t) — плотность потока CF, то AjA(t) будет плотностью потока ACT7 и, значит,
+■»
PVp (ACF) = *ji{t)v(tt p)dt = kjfi(t)v(t, p)dt.
Для непрерывных потоков в схеме сложных процентов с постоянной интенсивностью верны аналоги лемм 11.2 — 11.4. Чтобы сформулировать эти утверждения, необходимо определить оператор сдвига для непрерывных потоков.
Определение 11.6. ПустьCF— непрерывный потоке плотностьюju(t). Тогда сдвигом потока с шагом Т называется непрерывный поток LT(CF) с плотностью
Теперь можно сформулировать аналог леммы 11.2. Лемма 11.2'. Пусть CF— непрерывный поток. Тогда для постоянной интенсивности S имеет место равенство
PVp(LT(CF)) = vTPVp(CF), (И.8)
где
v = е~5
— нормированный коэффициент дисконтирования, соответствующий интенсивности S.
Доказательство. Поскольку интенсивность постоянна, то функция (коэффициент) дисконтирования имеет вид
(р v(t,p)~exp jdsds =е5^р~'
V/ J
Текущая стоимость сдвинутого потока
+ 00
P^f(LT(CF))=j^-T)^6r.
Заменой переменных ґ'= /Т, получим
PVp (LT (CF)) = |м<'к('-'-г) *' = e-5r PVP(CF),
—СЮ
что и требовалось доказать.
Еще проще доказывается аналог леммы 11.4 о сдвиге момента (полюса) приведения.
Лемма 11.4'. Пусть CF — непрерывный поток с плотностью jx{t). Тогда для постоянной интенсивности S имеет место равенство
PV^T{CF) = u-T PVp{CF), (11.9)
где
— нормированный коэффициент дисконтирования, соответствующий интенсивности 8.
Доказательство. Соотношение (11.9) получается на основе равенств
PVlI+T (CF) = j>)e^'> dt = eST ]n(t)eiP~r) & = ейг PVp (CF).
Заметим, что доказанные утверждения выполняются лишь при постоянстве интенсивности (силы процентов) <5, т.е. в условиях постоянства процентной ставки / и соответствующих ей коэффициентов роста а и дисконтирования v.
Заметим, что соответствующие утверждения для дискретных потоков доказывались при этом же условии постоянства ставки. Изменчивость ставок приводит к невыполнению приведенных утверждений. В этом случае нарушается даже возможность корректно сформулировать утверждение, поскольку нормированный коэффициент роста перестает быть постоянным.
Пример 11.10. Пусть непрерывный ноток CF с постоянной плотностью ц = 1 сосредоточен на отрезке [0, 1], а интенсивность 5{t) задается равенствами
т-А5",S0;
Найти: а) текушую стоимость потока в точках р = 0 и р = 1; б) текущую стоимость в точке р = 0 сдвинутого на Т= -1 потока.
Решение. Найдем сначала дисконтную функцию, порождаемую интенсивностью 8:
[е^' /,/;>0;
{, ) |е^', /<0,/,>0;
е ,!V "Л />0,/»<0.
а) Текущая стоимость потока в точке р = 0 и р = 1 соответственно
і і
PV0(CF)^jv(t,Q)dt = je^dt =
1-е"
о
1 : е*=
/'К (С/7) = jv(t,)di = Je5?n"') dr = cs
«5,
0 I)
б) Поток L {{CF) сосредоточен на [1,0) и имеет на нем единичную плотность. При этом
-я,<
са -1 «5,
В примере 11.10, несмотря на то, что имеет место пропорциональность между текущими стоимостями потока в точках 0 и 1:
PV]{CF) = ^ PK0(CF),
двойственное соотношение для сдвига потока уже не выполнено, поскольку нет никакой естественной связи между значениями
PK0(L,(CF)) = ^1;
1-е-*1
В частности, для потока из примера 11.10 не выполнено свойство
PV„T(LT{CF)) = PVf(CF),
например, для р — 1, Т— -1.
Дня непрерывных потоков в общей схеме сложных процентов выполняется фундаментальное свойство поглощаемости оператора приведения:
PV,(PVf(CF)) = PVf(CF).
В самом деле, для потока CFc плотностью jj(t)
PVt(CF)=jfi(f)v(t,T)dt.
Таким образом, поток СУ7 преобразовался в событие (т, У), где
V^PV,(CF).
Приведенное к полюсу р значение этого события
РУТ(К) = УТи(т,р), откуда, используя транзитивность функции и, получаем
PVp(PVx(CF)) = v(r, р) ц(t)v(t,z)dt =
— ро
= jv(t)v(tt гЦт, p)dt = jv(t)v{t, p)dt = Pyp(CF).
Определив понятие текущей стоимости непрерывных потоков, можно ввести понятие эквивалентности. Это определение дословно совпадает с соответствующим определением 11.4 для дискретных потоков.
Все свойства введенного отношения эквивалентности автоматически переносятся на случаи непрерывных потоков, В заключение рассмотрим общие потоки.
Общий поток задается произвольной аддитивной функцией промежутка V, называемой представляющей функцией потока (см. гл. 1). Ограничимся рассмотрением практически важного случая, когда представляющая функция ^допускает разложение в сумму
где — дискретная; К(с) — непрерывная с конечной плотностью fi(t) составляющие.
Дискретная составляющая представляет собой дискретный поток
С/^={с(/)|/єТ},
где C(t) — платежная функция, определяемая как значение У в точках г, по сути являющихся вырожденными отрезками {/} = ї]. При этом носитель потока СЯЛ) есть дискретное множество
£ = suppCF(?)={/|C(/)^0} = {/„ ikeN},
где tk — критические точки потока. Поэтому для любого конечного промежутка/число критических точек потока конечно, и, следовательно, значение дискретной составляющей потока на этом промежутке представляется в виде суммы
И"(/)=£с(г).
Для непрерывной составляющей V{c) считаем плотность pi(t) интегрируемой функцией. Тогда для любого конечного промежутка J значение непрерывной составляющей У{с) на этом промежутке определяется равенством
=/Л (f) А.
Таким образом, для любого конечного промежутка J величина потока представляется в виде
г(-0=Хс(')+И')«"/є/ у
Данная формула позволяет выполнять различные действия с общими потоками, сводя операции над ними к соответствующим операциям над дискретной и непрерывной составляющими потоков.
В частности, на общие потоки тривиально переносятся все изложенные в этой главе определения и результаты, которые получаются их применением к дискретной и непрерывной частям общего потока.
Вопросы и упражнения
Дайте определение текущей стоимости дискретного потока платежей в схеме сложных процентов.
Как меняется текущая стоимость потока: а) при сдвиге потока? б) при сдвиге точки приведения?
Сформулируйте свойства ассоциативности для операции приведения потока платежей.
Докажите свойство поглощения для операторов приведения в схеме сложных процентов.
Докажите, что эквивалентность потоков платежей в схеме сложных процентов не зависит от выбора потока.
Опишите общую схему сложных процентов. Какими свойствами обладают финансовые законы этой схемы?
Приведите формулу текущей стоимости произвольного потока платежей в общей схеме сложных процентов.
Задачи
Пусть интенсивность процентного роста имеет вид (в годовой шкале)
[0,02, ,<Ю; 1 ; (0,04, />10.
Найти: а) общий коэффициент дисконтирования v(t, т); б) текущую стоимость непрерывного однородного потока, сосредоточенного на промежутке [0, 10], с плотностью :^?2000 в год в моменты /= 0; —1; 1.
Пусть сила процентов задается выражением
5(f) = 0,01+ 0,05r + 0,001/2, 0<t<
Обсуждение Финансовая математика
Комментарии, рецензии и отзывы