Исследование процесса изменения капиталапри пуассоновском потоке моментов поступления доходов
Предложены две модели процесса изменения капитала компании. Проведено их исследование методами аналитического, численногоанализа и имитационного моделирования. Найдены основные вероятностные характеристики стабильного функционирования компании.
The investigation of capital changingunder poisson flow of income arrival moments.pdf ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИДенежные средства любой компании можно разде-лить на две категории. К первой относятся средства,активно используемые компанией при проведении те-кущих операций. Ко второй - средства, выполняющиероль резервного фонда. Поскольку моменты измененияобъема денежных средств на активном счете и величи-на этих изменений носит случайный характер, то дляправильного планирования деятельности компанииважно знать вероятность того, что в течение некоторо-го определенного периода времени она не обратится крезервному фонду. В связи с этим, актуальной являетсяпроблема разработки математических моделей ста-бильного функционирования компании в течение фик-сированного интервала времени [1− 3].В данной работе рассмотрены две модели измененияобъемов денежных средств на активном счете компании.Первая модель характеризуется тем, что моменты по-ступлений денежных средств образуют пуассоновскийпоток, а размеры поступлений средств являются незави-симыми одинаково распределенными случайными вели-чинами с заданными первыми двумя начальными мо-ментами. Расход средств со счета происходит непрерыв-но с заданной интенсивностью. Отличие второй моделисостоит в том, что расход со счета происходит в случай-ные моменты времени. Моменты выплат образуют пуас-соновский поток. Размер выплат денежных средств - также независимые одинаково распределенные случайныевеличины с заданной функцией распределения.Для предложенных моделей найдена вероятностьтого, что в течение определенного интервала временина активном счете (в дальнейшем, счете) компанииостанется положительная сумма денежных средств. Вработе использованы три метода исследования прело-женных моделей: асимптотический анализ, имитаци-онное моделирование и численный метод сеток.ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙОбозначим через s(t) − случайный процесс измене-ния объема денежных средств на счете компании с те-чением времени. Пусть горизонтом планирования яв-ляется интервал времени продолжительностью T. Вначальный момент времени на счете находится капиталв размере s0 > 0. В течение горизонта планирования Tна счет в случайные моменты времени приходят посту-пления. Размер поступлений - случайная величина ,функцию распределения которой обозначим A(x). Мо-менты увеличения капитала образуют простейший по-ток с интенсивностью .В первой модели предполагается, что средства рас-ходуются непрерывно с интенсивностью k. Во второймодели капитал уменьшается в случайные моментывремени на случайную величину , имеющую функ-цию распределения B(y). Эти моменты образуют про-стейший поток с интенсивностью .Очевидно, случайный процесс s(t) является марковским.Схематично динамика изменения денежных средствна счете для первой модели представлена на рис. 1, длявторой − на рис. 2.Рис.1s(t) s0T tРис.2Ставится задача определения вероятности того, чтослучайный процесс s(t) в течение интервала времени про-должительностью T не достигает нижней границы s = 0.ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРВОЙ МОДЕЛИИЗМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НА СЧЕТЕОбозначим через P(s, t) плотность распределения ве-роятностей процесса s(t) в момент времени t. Составимпрямое уравнение Колмогорова для плотности P(s, t).Рассмотрим интервал времени [t, t+t]. За этот проме-жуток времени длительности t могут произойти сле-дующие события:− с вероятностью tA(x)dx+o(t) на счет поступа-ют денежные средства в размере x[x, x+dx), и капиталстанет равным s+x;− с вероятностью 1−t + o(t) не будет поступле-ния средств. В то же время происходит постоянныйрасход средств, поэтому капитал станет равным s − kt.Используя формулу полной вероятности, получим( ) ( ) P s, t + t = 1− t P(s + kt, t)+t P(s u t)dA(u) o( t)s + − + 0, . (1)Разложим функции P(s, t + t), P(s, + kt, t) в рядТейлора в окрестности точки (s, t), учитывая слагаемыепервого порядка малости относительно t:(, ) (, ) ( , ) o( t) ,tP s t t P s t t P s t + + = + (2)( , ) (, ) ( , ) o( t) .sP s k t t P s t k t P s t + + = + Подставим (2) в (1). Затем поделим обе части урав-нения на t и, переходя к пределу при t 0, получим( ) ( ) ( ) ++ = −st k P s tP s,t P s,t ,( ) ( ), .0 + −sP s u t dA u (3)Уравнение (3) можно решить с использование пре-образования Лапласа. Трудность заключается в нахож-дении обратного преобразования. Поэтому решим по-следнее уравнение, используя асимптотический метод[4] в условии T . В уравнении (3) обозначим 1/T = 2и сделаем замену переменных( ) ( ) ( )t2 = , 2s = x + y, P s, t = y, , , (4)где x() определим ниже. Тогда( ) ( ) ( ) ( ), 2 , , , , ,yy x ytP s t − = ( ) ( ), , , .yysP s t = В новых переменных уравнение (3) примет вид( ) ( )+ ( ()+ ) y, , = − 2 y, , x k( , , ) ( , , ) ( ) .0 + − y y u dA uy (5)Решение (y, , ) в (5) ищем в виде разложения(y, , ) = (y, ) + h(y, ) + o(). (6)Подынтегральную функцию в уравнении (5) разло-жим в ряд Тейлора до членов порядка o(2):( ) ( ) ( )+ − == − yy u, , y, , u y, ,( , , ) ( ) .2222 2 2+ + oyu y (7)Подставим в уравнение (5) разложения (6) и (7). Тогда, сучетом обозначения ( ) ,01 a = udA u ( ) ,022 a = u dA u от ура-внения (5) перейдем к уравнению( ( ) ) ( ) ( )+ − +yy a h y( x k h y, 1 ,2( ) ( ) + − + , , )2 222 yya y( ( ) ) ( ) 1) , 0 . = + + − yε( x τ k a yНайдем функцию x() из условия равенства нулюкоэффициента при . Тогда получаемx() = a1 − k, (8)где x(0) = x0 , 0.0 20 T sx = s = Определим смысл функции x(). Параметры уравнения(8) имеют следующий экономический смысл: k − количест-во расходуемых денежных средств в единицу времени; −среднее число поступлений денежных средств в единицувремени; a1 − средняя величина поступающих денежныхсредств, следовательно, a1 − среднее количество денеж-ных средств, поступивших за единичный интервал време-ни. Таким образом, функция x() − это асимптотическисреднее значение денежных средств в момент времени .С учетом (8) от (5) перейдем к уравнению( ) ( ), .2,222yy a y = (9)Уравнение (9) - прямое уравнение Колмогорова [5]для плотности распределения вероятностей (y, ) зна-чений некоторого диффузионного процесса с нулевымкоэффициентом переноса и коэффициентом диффузииa2. Обозначим этот случайный процесс через y().По виду прямого уравнения Колмогорова (9) стано-вится очевидным, что диффузионный процесс y() оп-ределяется уравнением( ) 2 ( ) , dy = a dw (10)где w() − винеровский процесс. Введем случайныйпроцесс( ) ( ) ( )z = x + y , (11)дифференциал которого с учетом (8) и (10) имеет вид( ) ( 1 ) 2 ( ) . dz = a − k d + a dw (12)Следовательно, z() − это диффузионный процесс скоэффициентами переноса a1 − k и диффузии 2a2.Обозначим T() − длина интервала от момента домомента достижения процессом z() нулевого значе-ния. В предположении, что расходуется денежныхсредств больше, чем поступает, то есть k > a1, найдемусловную характеристическую функцию для T():g(u, z)= M{exp{iuT()}| z() = z} . (13)Рассмотрим бесконечно малый промежуток време-ни , тогда= { { { + g(u, z) Mz M exp iuT (+T( + ) )}z( + ) = z + z}}. (14)Учитывая свойства математического ожидания, соот-ношение (14) перепишем в видеg(u, z) exp{iu }M z{g(u, z z)} . = + Разложим функции g(u, z + z) и exp { iu} в рядыТейлора, тогдаg( u, z)= (1+ iu + o())(g( u, z)+( ) { } ( , ) {( ) } {( )}).2, 1 2 222M z M o zzz M z g u zg u z + ++ (15)В результате предельного перехода при 0 урав-нение (15) перейдет в однородное дифференциальноеуравнение второго порядка( )− 2222 ,21za g u z( ) ( , ) ( , ) 0 ,1 + =− − z iug u zk a g u z (16)для решения которого составляем характеристическоеуравнение2 ( ) 0 ,11222a p − k − a p + iu =и корни которого( ) , 3122211 k aa uk ap iu− −− =( )( )22131222122ak ak aa uk ap iu − +− +− = −найдены при использовании разложения ( )2121 2 2k aa iu− −по малому параметру. Тогда общее решение уравнения(16) имеет вид ( ) { } { }g u, z = c1 exp p1z + c2 exp p2 z .Определим константы c1 и c2. Поскольку характери-стическая функция ограничена, ⎜g(u, z)⎜ ≤ 1, и выполня-ется условие k > a1, то второй корень характеристиче-ского уравнения теряет смысл. Поэтому полагаем c2 = 0.Из условия g(u, 0) = 1 следует, что c1 = 1.Окончательно характеристическая функция прини-мает вид( )( ) , exp . 312221 ⎪⎭⎪⎬ ⎫⎪⎩⎪⎨ ⎧− −− =k aa u zk ag u z iuz (17)Функция (17) соответствует [5] характеристическойфункции нормально распределенной случайной вели-чины с математическим ожиданием { }1 k aM −z = идисперсией { }( ) 2 .312T k aD a z− =Заметим, что величина z имеет смысл фиксированногозначения процесса z()в момент времени , т.е. z() = z.Стабильным функционированием компании назо-вем ситуацию, когда денежные средства на счете оста-ются положительными. Найдем вероятность того, чтопредприятие стабильно функционирует в течение вре-мени T. В силу выполненных замен( ) ( ) ,2exp21 1122 ⎪⎭⎪⎬ ⎫⎪⎩⎪⎨ ⎧−−P > = x a dx (18)где( ),10T k aa s− = ( ) 2 .3122 0 2T k as a− = (19)ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРОЙ МОДЕЛИИЗМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НА СЧЕТЕВыпишем уравнение для нахождения плотностираспределения вероятностей процесса s(t) в условияхвторой моделиP(s,t + t)=(1− t − t)P(s,t)+( ) ( )+ − + st P s u t dA u0,( ) ( ) ( ), .0t P s u t dB u o ts+ + + (20)Проделав преобразования, получим уравнение( ) ( ) ( ) + ( − ) ( )+− = + st P s u t dA uP s t P s t0, , ,( ) ( ), .0 + +sP s u t dB u (21)Сделав замену переменных (4) в уравнении (21),ролучим уравнение( ) ( ) ( )+ + y, , = −2 y, ,( ) ( ) + ( − ) ( )+ + 0y, , y u, , dA ux y( ) ( ) + + 0y u, , dB u , (22)которое будем решать аналогично случаю первой модели.Результатом является уравнение для определенияфункции x() − асимптотического среднего значения де-нежных средств в момент времени следующего вида:x() = a1 − b1, (23)где обозначено ( ) ,01 a = udA u ( ) ,01 b = udB u и уравнениеФоккера-Планка для плотности распределения вероят-ностей случайного процесса y() вида( ) ( )222 2 ,2, ( )yy a b y + = (24)с коэффициентом переноса, равным нулю, и коэффициентомдиффузии a2 + b2, где ( ) ,022 a = u dA u ( ) .022 b = u dB uСледовательно, диффузионный процесс y() определяетсяуравнением( ) 2 2 ( ) , dy = a + b dw (25)где w() − винеровский процесс. Введем случайныйпроцесс z() = x() + y(). Это диффузионный процессс коэффициентом переноса a1 − b1 и коэффициентомдиффузии 2(a2 + b2), поскольку( ) ( 1 1 ) 2 2 ( ) . dz = a − b d + a + b dw (26)Найдем g(u, z)= M{exp{iuT()}| z()= z} − услов-ную характеристическую функцию T() − длины ин-тервала от момента до момента достижения процес-сом z() нулевого значения. Аналогично первой моделиуравнение для определения g(u, z) имеет вид( )− + 222 22 2 ( ) ,1za b g u z( ) ( , ) ( , ) 0 .1 1 + =− − z iug u zb a g u z (27)Решение уравнения (27)( ) ( )( ) ⎪⎭⎪⎬ ⎫⎪⎩⎪⎨ ⎧ − + − − = 31 122 221 1, expb aa b u zb ag u z iuz (28)соответствует характеристической функции нормальнораспределенной случайной величины , имеющей ма-тематическое ожидание { }1 1 b aM −z = и дисперсию{ }( ) 2( ) .31 12 2T b aD a b z − + = Тогда вероятность стабильногофункционирования предприятия в течение интервалавремени длительности T в условиях второй модели оп-ределяетссоотношениемa s− = ( ) 2 ( ) .31 122 0 2 2T b as a b − + = (29)ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕВыше исследованы две модели изменения объемов де-нежных средств на активном счете. Для оценки границ при-менимости асимптотического подхода была построена ими-тационная модель изменения объемов денежных средств насчете компании для второй модели. Имитационное модели-рование проводилось для трех различных комбинаций фун-кций распределений величин приходов и расходов: экспо-ненциальное - экспоненциальное, равномерное - экспонен-циальное, экспоненциальное - детерминированное. Сравне-ние теоретических результатов и полученных эксперимен-тальных данных проводилось в пакете прикладных про-грамм Statistica 6.0. Полученные результаты подтвердилинормальное распределение времени стабильного функцио-нирования компании при интервалах времени T ≥ 10000 иразличных начальных суммах s0 ≥ 1000, средней величинепоступлений денежных средств a1 = 95 и средней величинерасхода b1 = 400 ( = 1,25; = 4,35). По результатам модели-рования сравнили модели по вероятности стабильногофункционирования предприятия. При выбранных значенияхпараметров первая модель предпочтительнее второй.ЧИСЛЕННЫЙ АЛГОРИТМДля двух рассматриваемых моделей численно найдемP(s,t)= P(s(u)> 0,t ≤ u ≤ T | s(t)= s) (30)− вероятность того, что, начиная с текущего моментавремени, до момента T предприятие будет функциони-ровать стабильно. В условиях первой модели уравне-ние для нахождения вероятности имеет видP(s,t − t)=(1− t)P(s − kt,t)+( ) ( ), .0 + −st P s u t dA u (31)Полученное уравнение является интегрально-разност-ным, и его можно использовать для нахождения иско-мой вероятности численным методом сеток. Проведястандартные преобразования уравнения (31), получаем( ) = − ( )−− t P s tP s,t ,( ) ( ) ( ), , .0 + −−ss P s u t dA uk P s t (32)Частную производную, стоящую в левой части урав-нения, по определению можно представить( ) ( ) ( )., , lim ,0 tP s t P s t ttP s tt − − = Тогда( ) ( ) ( ), , , . 0 tP s t t P s t t P s t t − ⎯⎯⎯ − (33)Используя соотношение (33), преобразуем уравне-ние (32). Получаем [6] разностное уравнениеP(s,t − t)= P(s,t)− t(P(s,t)−( ) ( ) ( ) ( ),, , ,0 sP s u t dA u k P s t P s s ts− − − − + (34)позволяющее варьировать параметры модели.Для второй модели разностное уравнение для чис-ленного нахождения вероятностей имеет видP(s,t − t) = (1− t)(1− t)P(s,t)+( ) ( ) ( )+ + − + 0t 1 t P s u,t dA u( ) ( ) ( )1 , .0 + − −st t P s u t dB u (35)Применение метода сеток [7] требует задание ограниче-ний. Область, в которой вычисляется вероятность, ограниче-на минимальным и максимальным возможным объемом де-нежных средств на счете и сроком его функционирования.Пусть объем денежных средств на счете изменяетсяот 0 до S, а длина интервала времени, на котором рас-сматривается функционирование счета, равна T. Моментоткрытия счета равна 0. Шаг, с которым двигаемся пооси s, равен s. По оси времени идем с шагом t. Такимобразом, рассматривается сетка следующего видаS S − s S − 2s ... ... 0 0 T − TИз вида разностных уравнений видно, что вычисленияпроводятся справа налево по оси времени и снизу вверх пооси изменения объема денежных средств. Зная значениявероятности в момент времени T для всех значений s, мож-но найти вероятность в предыдущий момент времени T −t, затем в момент T − 2t и так далее, пока не найдетсязначение вероятности в нулевой момент времени.Граничное условие P(s, T) = 1. Это означает, что втечение всего периода времени длительности T компа-ния работает стабильно.Интеграл в уравнениях (35) и (36) вычисляется поформуле Симпсона [8]( ) ( ) ( ( )+ ( − )+ − = b P s t P s s tP s u t dA u sb, 3 , 4 ,0( ) ( ))+ 2P s − 2s,t + ... + P s − b,t ,( ) ( ) ( ( )+ ( − ) +− = − sbb P s t P s s t eP s u,t dA u 3 s , 4 ,0+ 2P(s − 2s, t)e−s + .... + P(s − b, t)e−s )для равномерного и экспоненциального с параметром законов распределения соответственно.Проблема возникает при вычислении интеграла( ) ( ) +0P s u,t dA u в уравнении (35), когда требуетсязнать значение вероятности при s > S. Если нужно вы-числить значение вероятности в узле с координатами(S, T − t), тогда при экспоненциальном распределенииразмеров поступлений интеграл находится по формуле( ) ( ) ( ( )+ ( + ) ++ = − sbb P S T P S s T eP S u,T dA u 3 s , 4 ,0+ 2P(S + 2s,T)e−s + .... + P(S + b,T )e−s )и выражается через известные вероятностиP(S,T)= P(S + s,T)== P(S + 2s,T) = ...P(s + b,T) = 1.Вычисление интеграла для нахождения вероятностив узле (S, T − 2t), зависит от неизвестных вероятностей( ) ( )( 2 , ),..., ( , ) ., , , ,P S s T P S b T tP S T t P S s T t+ + − − + − Для этого на предыдущем шаге должны быть вы-числены вероятностиP(s,T − t),P(2s,T − t), ...,( ) ( ),P S,T − t ,P S + s,T − tP(S + 2s,T), ...,P(S + b,T − t) .Таким образом, количество узлов, в которых нужновычислить вероятность, увеличилось на n узлов - чис-ло отрезков разбиения интервала интегрирования вметоде Симпсона.Для нахождения вероятности в узле с координатами(S, T − 3t) при вычислении интеграла необходимо вы-числить неизвестные вероятности в предыдущие мо-менты времени T − 2t, T − t. Следовательно, количе-ство узлов еще возрастет на n.В итоге рассматривается схема узлов видаS + nM ... ....... ........ ........ .......S +(2n + 1)s S + 2ns ... ....... ........ ........ .......S +(n + 1)s S + ns ... ....... ........ ........ .......S + s S ... ....... ........ ........ .......0 0 T − Tкогда для вычисления вероятностей в предыдущий мо-мент времени в k узлах, необходимо знать вероятностив текущий момент времени в k + n узлах.Если обозначить через M − количество узлов по осивремени, N − количество узлов по оси s, тогда N + nM −число узлов, в которых задаются граничные значениявероятности в момент времени T. Количество узлов скоординатами (S, T − kt), в которых вычисляется веро-ятность, равно N + n(M − k), k = 1,M.Непосредственное вычисление вероятности по вы-шеизложенному методу осуществлялось с помощью про-граммы, задавая граничные условия и параметры рас-пределений. Результатом работы программы являетсяфайл, содержащий значения вероятности в узлах задан-ной сетки. На основе полученных данных были по-строены графики зависимости вероятности от различ-ных параметров. Очевидно, что вероятность стабиль-ного функционирования компании в течение времени Tзависит от начальной суммы на счете. Зная интервалвремени T и способ пополнения и расходования де-нежных средств, можно численно найти необходимыйразмер начального капитала s0 для стабильного функ-ционирования компании.Численный метод решения поставленной задачи по-зволил уточнить сравнение моделей. Сравнение воз-можно при одинаковых распределениях поступлений вобеих моделях, и если среднее значение размера вы-плат в единицу времени во второй модели будет равноинтенсивности расходования денежных средств первоймодели. Получено, что при одинаковом интервале вре-мени T вероятности для разных моделей отличаютсядруг от друга. При небольшом интервале времени T ве-роятность стабильного функционирования компаниибольше при использовании первой модели, а при длин-ном интервале времени T будет выгоднее использова-ние второй модели. Исследована зависимость вероят-ности стабильного функционирования компании отраспределения размера выплат и поступлений. В усло-виях обеих моделях выгоднее использовать равномер-ное распределение поступлений. При равномерном рас-пределении поступлений на короткий срок T лучше ис-пользовать экспоненциальное распределение размеравыплат, а на более длинный выгоднее расходовать де-нежные средства одинаковыми суммами.Но при применении численного метода возникаюттрудности при больших значениях интервала времени T.Тогда целесообразно применять асимптотический метод.Проведено сравнение вероятностей, найденных асим-птотическим и численным методами для обеих моделей.Рассмотрим ситуацию, что обязательно наступит моментвремени, когда на счете компании сумма денежных средствстанет равной нулю. Обозначим этот момент времени че-рез T0. Вероятность того, что момент времени T0 наступитпосле момента T, совпадает с вероятностью стабильногофункционирования компании от начального момента домомента времени T. Асимптотическая формула для вычис-ления P(T0 > T) найдена в виде (19) с параметрами (20) дляпервой модели и (30) для второй. Сравнение было ослож-нено заданием граничного условия P(s, T) = 1 при числен-ном методе сеток нахождения вероятностей. При выводеформулы (19) такого условия не было. Поэтому, чтобысравнения стало воз-можным, был подобран момент , прикотором P(s, T) = P( > 1) = 1, и от момента был отложенинтервал функционирования компании. Небольшие разли-чия при сравнении вероятностей объясняются тем, что вобоих случаях использовались приближенные методы.
Скачать электронную версию публикации
Загружен, раз: 339
Ключевые слова
Авторы
ФИО | Организация | Дополнительно | |
Назаров Анатолий Андреевич | Томский государственный университет | профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой теории вероятностей и математической статистики факультета прикладной математики и кибернетики | nazarov@fpmk.tsu.ru |
Туренова Елена Львовна | Томский государственный университет | кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теории вероятностей и математической статистики факультета прикладной математики и кибернетики |
Ссылки
