Исследуются свойства таких характеристик временной структуры процентных ставок, как кривые доходности и форвардные ставки, в случае, когда используется аффинная модель доходности. В отличие от известных подходов анализируются не только однофакторные, но и многофакторные модели. Кроме того, рассматривается не только диапазон коротких и средних сроков погашения активов, но и длительные сроки. При этом в качестве временной переменной предлагается использовать дюрацию безрисковой ставки. Это дает возможность сравнения кривых доходности и форвардных кривых на всем интервале изменения сроков погашения активов.
On term structure of yield rates. 1.Vasi?ek model.pdf В последние годы много внимания уделяется исследованию временной струк-туры процентных ставок (т.е. зависимости процентных ставок доходности от сро-ка до погашения свободных от неуплаты ценных бумаг) и относящихся к ней та-ких величин, как номинальная кривая доходности и форвардная кривая. Эта зави-симость играет важную роль при определении стоимости долговых инструментови финансовых производных от процентных ставок [1, c. 137; 2, c. 9], исследованиивлияния налогообложения и ликвидности на цены облигаций [3, c. 1540; 4, c. 617].Временная структура процентных ставок используется также при управлениириском (см. например, технологию RiskMetrics [5]), где используются методы ге-нерирования спот-ставок, по которым конструируется матрица ковариации, атакже при разработке монетарной стратегии, когда ожидаемые ставки разделяют-ся на краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные [6, c. 27]. Известна такжепопытка формализовать связь между кривой доходности и реальной экономиче-ской активностью. На основании этой связи выводятся формулы для временнойструктуры процентных ставок. При этом временная структура олицетворяет ры-ночные ожидания об изменениях макроэкономической основы - роста реальногосовокупного продукта экономики, что позволяет использовать рыночные данныеоб облигациях для предсказания роста внутреннего валового продукта в промыш-ленных странах [7, c. 6].Временной структурой, интересной для практиков и исследователей, являетсяноминальная кривая доходности, представляющая доходность до погашения наноминальные облигации (т.е. облигации, продающиеся по номинальной стоимо-сти и имеющие купоны с такой же доходностью). Определение номинальной кри-вой доходности основывается на наблюдении находящихся в обращении государ-ственных ценных бумаг, только что проданных на аукционе и наиболее ликвид-ных. Эти ценные бумаги в странах с развитой экономикой выпускаются для 10начальных сроков погашения 0,25, 0,5, 1, 2, 3, 5, 7, 10, 20 и 30 лет. Они обычнопродаются по номинальной стоимости и их доходности называются доходностяминоминальных облигаций. Определение временной структуры процентных ставоксводится к тому, что имея только 10 находящихся в обращении номинальных до-ходностей, непосредственно наблюдаемых на рынке, и используя другую инфор-мацию, содержащуюся в описании этих ценных бумагах, необходимо сконструи-ровать функцию, позволяющую вычислять доходность для любого срока до по-гашения. Заметим, что имеются методы, не основанные на номинальной кривойдоходности, такие, как метод кубических сплайнов [8, c. 21] и сглаживающий ме-тод [9, c. 7].1. Общие свойства многофакторных моделей временной структурыдоходностейБудем рассматривать номинальные облигации, продаваемые на аукционе в не-который текущий момент времени t по цене P(t, T, x), где T - дата погашения об-лигации, а x = x(t) - в общем случае вектор переменных, характеризующих со-стояние финансового рынка на дату t, t < T. Считается, что облигация являетсясвободной от неуплаты и на дату T погашается за 1 денежную единицу, т.е. ценаP(T, T, x) = 1 для любых состояний x(T).Процентной ставкой доходности до погашения (или просто доходностью) на-зывается величинаln ( y(t,T,x) P t,T,x)T t−=−.Временной структурой доходности называют зависимость y(t, T, x) от срока допогашения T − t. Именно она представляет интерес для инвесторов, заботящихсяоб эффективности своих инвестиций в будущем.Краткосрочная процентная ставка доходности (или просто краткосрочная(short) ставка) определяется как предел( , ) lim ln ( , , ) ln ( , , )T t T ty t x P t T x P t T x T t t =− = =− . (1)Эта ставка различными авторами называется также спот (spot)-ставкой или без-рисковой (risk-free) ставкой, поскольку она характеризует доходность в течениеинфинитезимального интервала времени, на котором как бы ни изменялось со-стояния рынка оно «не успеет» стать рисковым.Наряду со ставкой доходности до погашения, характеризующей доходность об-лигации за весь период ее активности, инвесторов интересуют доходности облига-ций на некотором временном интервале между будущими датами T1 и T2 на основеинформации о доходности, имеющейся в текущий момент времени t, t < T1 < T2. Та-кие ставки f(t, T1, T2) называются форвардными. Форвардные ставки при T1 T2 = Tопределяют краткосрочные ставки для будущих моментов времени T и называютсямгновенными форвардными ставками f(t, T, x). Именно они чаще интересуют инве-сторов и словосочетание «форвардные ставки» обычно относится именно к f(t, T, x).Форвардная ставка f(t, T, x) определяется соотношением [10, c. 137]f (t,T,x) ln P(t,T,x)T= −.Между доходностью до погашения и форвардной ставкой имеется взаимно од-нозначные соотношения( , , ) 1 ( , , )Tty t T x f t s x dsT t=− , f (t,T,x) y(t,T,x) (T t) y(t,T,x)T= + −Вектор состояния финансового рынка X(t) = (X1, X2, …, Xn)Т следует однород-ному по времени марковскому процессу, порождаемому стохастическим диффе-ренциальным уравнениемdX(t) = (X(t)) dt + (X(t)) dW(t)с n-вектором дрейфа (x), (nm)-матрицей волатильности (x), и m-вектором W(t)независимых стандартных винеровских процессов.Предполагается, что функция P(t, T, x) цены облигации дифференцируема попервому аргументу и дважды дифференцируема по третьему аргументу. Согласностохастическому анализу Ито, цена облигации как функция времени P(t, T, X(t)) Z(t) тоже оказывается случайным процессом диффузионного типа и удовлетво-ряет стохастическому дифференциальному уравнениюdZ(t) = P(t, T, x) dt + P(t, T, x)ТdW(t),где P(t, T, x) и P(t, T, x) - скалярная функция дрейфа и m-вектор волатильностисоответственно, определяемые соотношениями2T T2( , , ) ( , , ) 1 ( ( , , ) ( ) tr ( ) , , ) ( ) ,P 2t T x P t T x x P t T x x P t T x xt x x ⎛ ⎞ = + + ⎝⎜ ⎠⎟P( , , )T ( )T ( , , ).t T x x P t T xx =Уравнение для определения функции P(t, T, x) находится из условия отсутст-вия на финансовом рынке арбитражных возможностей [11, c. 180], которое в рас-сматриваемом случае многофакторной модели сводится к тому, что должен суще-ствовать m-вектор (t, x), не зависящий от даты погашения облигаций T, такой,чтобы выполнялось равенство P(t, T, x) − y(x)P(t, T, x) = P(t, T, x)Т(t, x). Функция(t, x) называется рыночной ценой риска. Таким образом, приходим к уравнениюс частными производными для функции P(t, T, x):2T T2( , , ) ( ) ( , , ) 1tr ( ) ( , , ) ( ) ( ) ( , , )2P t T x x P t T x x P t T x x y x P t T xt x x ⎛ ⎞ + + ⎝⎜ ⎠⎟− == (t, x)Т(x)T P(t,T,x).xЭто уравнение должно решаться с краевым условием P(T, T, x) = 1 для любых со-стояний x.Тот факт, что марковский процесс X(t) является однородным по времени, при-водит к следующему свойству функции P(t, T, x): она зависит не от t и T в отдель-ности, а только от разности T − t, т. е. не от текущего времени и даты погашения, атолько от оставшегося срока до погашения = T − t. Так что P(t, T, x) ↔ P(, x),при этом y(t, x) ↔ y(x), (t, x) ↔ (x). В литературе часто предполагают, что век-тор дрейфа (x) и матрица диффузии (x)(x)Т состояний финансового рынкаописываются аффинными функциями, а рыночные цены риска таковы, что(x)(x) - n-вектор с аффинными компонентами,(x) = K( − x), (x)(x)Т = +1,ni iix= (x)(x) = +1.niЗдесь K, и i − (nn)-матрицы; , и i − n-векторы, xi − компоненты вектора x.Заметим, что указанные соотношения удовлетворяются при(x) = +x , (x) = + x ,где , − m-векторы, − (nm)-матрица, − (mn)-матрица, а + x − диаго-нальная (mm)-матрица, по диагонали которой стоят квадратные корни компонентвектора + x. В этом случае = 〈〉 Т, = 〈〉 , а элементы матрицы i и век-тора i определяются равенствами(i)kj =1,mku ju uiu= 1 ≤ k, j ≤ n; (i)k =1,mku ui uu= 1 ≤ k ≤ n.Такие предположения приводят к аффинной временной структуре процентныхставок доходности. Перепишем уравнение для цены облигации P(t, T, x) в этомслучае:2T T21( , ) ( ) ( , ) 1tr ( , )( ) () (, )2ni iiP x xKP x P x x y x P xx x = ⎛ ⎞− + − + ⎜⎝ + ⎟⎠− == ( + T1)ni iix= ( , ).P xx (2)Решение этого уравнения может быть представлено в виде P(, x) = ехр{A() −- xТB()}, где функции A() и B() удовлетворяют начальным условиям: A(0) = 0 иB(0) = 0. Заметим, что для цены облигации в таком виде краткосрочная процент-ная ставка (1) приобретает видTT0 0 0 0T( ) lim ln ( , ) lim ( ) ( ) ( ) ( )(0) (0),y x P x x B A x dB dAd dx B A = =− − = = = − = = − (3)т.е. тоже является аффинной функцией вектора x. Штрих обозначает производнуюпо . Заметим, что состояние финансового рынка обычно характеризуется значе-ниями процентных ставок, иначе говоря, компонентами вектора x являются вели-чины, имеющие смысл процентных ставок. Когда процентные ставки равны нулю,доходность облигации отсутствует, поэтому в выражении (3) следует положитьA(0) = 0. В дальнейшем это предположение будет приниматься во всех случаях.Обозначим B(0) = . Вектор можно рассматривать как вектор, составленный извесов, которые приписываются той или иной компоненте вектора состояния x приопределении краткосрочной ставкиy(x) = xТ = x11 + x22 + … + xnn; i ≥ 0, 1 ≤ i ≤ n; 1 + 2 + … + n = 1.Подстановка решения P(, x) = ехр{A() − xТB()} в уравнение (2) для P(t, T, x)приводит к обыкновенным дифференциальным уравнениям для функции A() икомпонент вектора B() = (B1(), B2(), …, Bn()):A() = ( − K)ТB() + B()Т B()/2, A(0) = 0; (4)Bi() = i − B()Т(i + Ki) − B()ТiB()/2, Bi(0) = 0. (5)В уравнении для Bi() символ Ki обозначает i-й столбец матрицы K, 1 ≤ i ≤ n.Заметим, что как следует из вышеприведенных определений, в рамках аффин-ной структуры ставка доходности и форвардная ставка определяются соотноше-ниямиT y( ,x) xB( ) A( ) − =, f( ,x) xT dB( ) dA( )d d = − ; (6)0y( ,x) 1 f(s,x)ds = , f( ,x) y( ,x) y( ,x) = + . (7)Функции y(, x) и f(, x), рассматриваемые как функции от переменной ,обычно называются соответственно кривой доходности и форвардной кривой.Вид и свойства именно этих функций представляют интерес для инвесторов. По-этому в дальнейшем мы будем интересоваться явным аналитическим выражениемэтих функций и определением их свойств. Выясним вначале некоторые общиесвойства.Общим пределом обеих кривых на левом конце, т.е. при 0, является крат-косрочная процентная ставка доходности y(x). Действительно, так как A(0) = 0 иB(0) = ,y(x) = xТ =0 0limy( ,x) limf( ,x). = Для малых сроков погашения согласно (7) справедливы представления0y( ,x) y(x) y( ,x) o( )= = +⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠ + , f(, x) =0y(x) 2 y( ,x) o( ).=+ ⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠ + Отсюда видно, что, стартуя из одной точки y(x), кривые y(, x) и f(, x) с ростом расходятся. При этом форвардная кривая изменяется вдвое быстрее.Если кривая доходности имеет экстремум для некоторого срока до погашения∗, т.е. y( ,x) 0=∗ =цию, т.е. временной интервал, измеренный в определенном масштабе. Таким об-разом, можно ожидать, что компоненты вектора B() неотрицательны и ограниче-ны, т.е. для всех k = 1, 2, …, n ожидается, что 0 < Bk() < + . Предположим, чтопределы Bk() при + существуют и lim ( ) ( ), B B B( ) . = < В этих ус-ловиях естественно ожидать, что lim B ( ) 0. = В этом случае вектор B() можноопределить из системы уравненийi = B()Т(i + Ki) + B()ТiB()/2, 1 ≤ i ≤ n.Поэтому имеют место следующие равенства:limB( ) limdB( ) 0, d = = limA( ) limdA( ) d = = ( − K)ТB() + B()Т B()/2.Из равенств (6) также следует, чтоy(, x) = f(, x) = (K − )ТB() − B()Т B()/2.Таким образом, кривая доходности y(, x) и форвардная кривая f(, x) совпадаютдля коротких сроков до погашения (при 0), с увеличением кривые расходят-ся, но при продолжительных сроках (при ) снова стремятся к одному и томуже пределу. Последнее свойство до сих пор не указывалось авторами, а криваядоходности y(, x) и форвардная кривая f(, x) обычно изображаются расходящи-мися кривыми. В дальнейшем рассмотрим конкретные модели, обычно рассмат-риваемые в литературе, чтобы при помощи строгого исследования выяснить, оп-равдан ли приведенный умозрительный анализ.2. Модель Васичека и ее обобщение на многомерный случайВ однофакторном случае в качестве состояния рынка принимается кратко-срочная ставка X(t) = r(t) и соответствующее стохастическое уравнение имеет видdr(t) = k( − r(t))dt + dW(t),где k, , − скалярные константы, т.е. K = k, = 2, = 0, = 0, = .В этом случае также y(r) = r, т.е. B(0) = 1. Уравнения (4) - (5) для определенияфункций A() и B() превращаются в следующие:A() = ( − k ) B() + 2B()2/2, A(0) = 0,B() = 1 − k B(), B(0) = 0. B() = (1 − ехр{− k}) / k.Функция B() имеет простой вид и является монотонно возрастающей функциейот 0 до 1/k, B() = 1/k. Поскольку B() - монотонная функция, определяющаядюрацию процентной ставки, она может быть использована в качестве аргументав кривой доходности y(, r) и форвардной кривой f (, r) вместо срока до погаше-ния .Преимущество такой замены заключается в том, что зависимость на всем ин-тервале времени в виде графика представить невозможно из-за неограниченностиинтервала времени, (0, ), в то время как этому неограниченному интервалусоответствует конечный интервал изменения дюрации, B() (0, 1/k). Тогда по-лучим соответствия y(, r) ↔ Y(B, r), f(, r) ↔ F(B, r), = − ln(1− kB)/k. При этомможно ожидать, что свойства функций Y(B, r) и F(B, r) могут оказаться проще. Нарис. 1 сравнение этих двух представлений кривой доходности и форвардной кри-вой иллюстрируется графиками для двухфакторной модели.Аналитические выражения кривой доходности y(, r) и форвардной кривойf(, r) как функций времени имеют вид (здесь аналитическое выражение функцииB() для краткости записи не выписывается)220( , ) ( ) 1 ( ) ( ) ( )2y r rB k Bs Bs ds⎛ ⎞ = − ⎜⎝− + ⎟⎠ ==2 2 2 22 2( ) ( )2 2 4r B Bk k k k k⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎜⎝ − − ⎟⎠+ ⎜⎝ − + + ⎟⎠ + 22 ( )2y k k − − ,y(, r) =( ) ( ( )) ( ) 2 ( )24y r y B Bk + − + ,f(,r) =r(1−kB())− ( − k ) B() − 2B()2/222 ( )2y k k − − = .В свою очередь, аналитические выражения для функций Y(B, r) и F(B, r) получа-ются такими:Y(B, r) =2 22( ) ( ( )) ( )ln(1 ) 4 ln(1 )y r y kB kBkB k kB − − −− − 1/( )B ky ,F(B,r)= r + [k( − r) − ]B − 2B2/21/( )B ky .Отсюда, в частности, видно, что функция F(B, r) для любых значений параметровмодели является вогнутой. Впервые этот факт был отмечен Брауном и Шейфером[14, c. 566] для однофакторных моделей.В многофакторном случае уравнение для состояния рынка приобретает видdX(t) = K( − X(t))dt + dW(t).Здесь считается, что матрица коэффициентов диффузии не зависит от состояния, = 1, = 0. Поэтому = Т, = 0, = 0, = . При этих значениях параметровфункции A() и B() определяются из уравненийA() = ( − K)ТB() + B()ТТB()/2, A(0) = 0,B() = − KТB(), B(0) = 0.Обозначим через U() фундаментальную матрицу решений однородного уравне-ния B() = − KТB(). Тогда решение уравнения для функции B() записывается ввидеB() =0U( s) ds − Матрицу U() можно представить в виде матричного рядаU() = e−KT I + (− KТ) +2( T)22!K− … + ( T)!nK nn− + …,где I − единичная матрица. Используя это разложение под интегралом, находимвектор B():B() = [I +2( T)2!K− + … +1( T)( 1)!nK nn +−++ …] = (K−1)Т(I − e−KT ).Заметим, что для существования этого решения нужно, чтобы матрица K быланевырожденной и ее собственные числа {j} были положительные. Нетрудно ви-деть, что в этом случае имеет место соотношениеB() B() = (K−1)Т.Кривая доходности y(, x) и форвардная кривая f(, x) вычисляются по фор-муламT T T T0( , ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )2y x x B K B s B s B s ds = −⎛⎜⎝− + ⎞⎟⎠ θ , (8)y(, x) y( ) = Т − (K−1)Т − Т(K−1)( K−1)Т/2;f(,x) =xT(−KTB())−( − K)ТB() − B()ТТB()/2, (9)f(, x) y( ) .Таким образом, ожидаемые свойства функций A() и B() в рассматриваемомслучае также подтверждаются. Однако для перехода от временной переменной к дюрации необходимо использовать только одну из компонент вектора B(). Дляэтого надо иметь больше информации о свойствах B(), т.е. о виде матрицы K.Для пояснения этого рассмотрим конкретный случай двухфакторной модели.Предположим, что состояние рынка описывается не только краткосрочнойставкой, но также экспоненциально сглаженным ее средним значением [15,c. 398]. Состояние рынка X(t) в этом случае характеризуется двумя компонентами,одной из которых r(t) является наблюдаемая краткосрочная ставка, а другой s(t) -экспоненциально сглаженное ее среднее значение. Уравнения состояния рынкаприобретают вид12(( )) ((( ) (()))) ( ).ddrs tt kkr t rstt dt dW t⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠=⎛⎜⎝ −− ⎞⎟⎠ +Параметры модели в этом случае задаются соотношениями = 0, = 0,K = 12 2k 0k k⎛ ⎞⎜⎝− ⎟⎠, =⎛⎞⎜⎝⎟⎠, = 1200⎛ ⎞⎜⎝ ⎟⎠, = 12⎛ ⎞⎜⎝ ⎟⎠, = 12⎛ ⎞⎜⎝ ⎟⎠.Уравнения для функций временной структуры A() и B():A() = (11 − k1)B1() + 22B2() + 12B1()2/2 + 22B2()2/2, A(0) = 0;B1() = 1 − k1B1() + k2B2(), B1(0) = 0;B2() = 2 − k2B2(), B2(0) = 0.Функции B1() и B2() определяются выражениямиB1() = (1 + 2)111 e kk− − − 22 11 2ek ekk k− − − −, B2() = 2221 e kk− − . (10)Подставляя эти выражения в равенства (8) и (9), получим явные выражения длякривой доходности y(, x) и форвардной кривой f(, x). К сожалению, посколькуколичество параметров в рассматриваемом примере двухфакторной модели дос-таточно большое, выражения для функций y(, x) и f(, x) будут громоздкими. Дляполучения компактных выражений введем вспомогательные обозначения:u = 21 1 21 ,k k k−−v = 21 2,k k−w = 22;k1 110 1I( )1(1 ek t )dt 1 1(1 e k ),k = − − = − − − 2 220 2I( )1(1 ek t )dt 1 1(1 e k ),k = − − = − − − 12 1 2 130 1 1( )1(1 ) 1 2(1 ) 1 (1 ),2I ek t dt e k e kk k = − − = − − − + − − 22 2 2 240 2 2( )1(1 ) 1 2(1 ) 1 (1 ),2I ek t dt e k e kk k = − − = − − − + − − 1 2 1 2 (1 2)50 1 2 1 2( )1(1 )(1 ) 11(1 ) 1 (1 ) 1 (1 ).( )I ek t e k t dt e k e k e k kk k k k = − − − − = − − − − − − + − − + + Отметим, что функции Ii(), 1 ≤ i ≤ 5, являются монотонно возрастающими от 0 до1 с увеличением от 0 до . Напомним, что в рассматриваемом случае xТ = (r, s).Использование принятых обозначений приводит к выражению, удобному для рас-чета кривой доходностиy(, x) = ruk1(1 − I1()) + (rv + sw)k2(1 − I2()) + (k1 − 11)uI1() ++ [(k1 − 11)v − 22w]I2() − (1u)2I3()/2 − (12v2 + 22w2)I4()/2 − 12uvI5().Расчет форвардной кривой удобно выполнять по формуле (9) с применениемформул (10).ЗаключениеДля многофакторных моделей аффинной доходности найдены аналитическиепредставления кривых доходности и форвардных кривых и предложено в качест-ве временной переменной использовать дюрацию безрисковой ставки. Посколькудюрация принимает значения только на конечном интервале, это позволяет на-блюдать поведение кривых на всем интервале изменения реального времени.
Cox J., Ingersoll J., Ross S. A Theory of the term structure of interest rate // Econometrica. 1985. V. 53. Р. 385-407.
Brown R., Schaefer S. Interest rate volatility and shape of the term structure // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1994. V. A 347. Р. 563-576.
Duffie D., Kan R. A yield-factor model of interest rates // Mathematical Finance. 1996. V. 6. Р. 379-406.
Cox J., Ingersoll J., Ross S. Duration and the measurement of basis risk // J. Business. 1979. V. 52. Р. 51-61.
Hull J. Options, Futures, and other Derivative Securities. Englewood: Prentice Hall, 1993. 492 p.
Vasiček O. An equilibrium characterization of the term structure // J. Financial Economics. 1977. V. 5. P. 177-188.
Fisher M., Nychka D., Zervos D. Fitting the term structure of interest rates with smoothing splines // Federal Reserve Board: Discussion Series, Division of Research and Statistics, Washington, DC. 1995. 27 р.
McCulloch J. H. Measuring the term structure of interest rates // J. Business. 1971. V. 44. P. 19-31.
Svensson L. Estimating and interpreting forward interest rates: Sweden 1992−1994 // International Monetary Fund: Working Paper WP/94/114. 1994. 53 р.
Hu Z. The Yield Curve and Real Activity // International Monetary Fund: Working paper WP/93/19. 1993. 38 p.
Green R., Odegaard B. Are there tax effects in the relative pricing of U.S. government bonds? // J. Finance. 1997. V. 52. P. 609-633.
RiskMetrics. http://www.riskmetrics.com
Elton E., Green C. Tax and liquidity effects in pricing government bonds // J. Finance. 1998. V. 53. P. 1533-1562.
Hull J., White A. Numerical procedure for implementing structural models I: Single-factor models // J. Derivatives. 1994. V. 2. P. 7-16.
Fabozzi F. Bond Markets, Analysis, and Strategies, 4th edition. New York: Prentice Hall Publishing. 2000. 734 р.