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Nozioni di base di Analisi e Matematica finanziaria

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  • Ripasso di finanza di base

    Nicola Borri

    LUISS

    Questa versione: October 2, 2014

  • I Le slides che seguono sono basate su J. Cochrane, InvestmentNotes, November 2006, disponibile sulla pagina web del corsoo direttamente sulla sua pagina personale.

    I Dovreste avere studiato la maggior parte dei concetticontenuti nelle slides che seguono - o almeno una gran parte -nei corsi di finanza e/o matematica finanziaria e econometriadei corsi triennali.

    I Qualora questi concetti risultino del tutto nuovi, fateriferimento a Cochrane (2006) o a qualsiasi altro testointroduttivo di finanza per una analisi piu dettagliata diquella che potro fare in classe.

  • Nota linguistica

    Come potete ben immaginare, in finanza linglese e la lingua piuutilizzata, sia nella teoria che nella pratica. Per questa ragione,manterro in inglese molti termini la cui traduzione, pur possibile,suonerebbe artificiale.

  • Outline

    Notazione e definizione di rendimenti

    Probabilita e statisticaProbabilitaStatisticaRegressioniSerie storiche

    Massimizzazione

    Algebra lineare

    Stocks

    Fixed income (bonds)NotazioneValore attesoYieldForward ratesHolding period returnsYield curveDurationImmunizzazione

  • Outline

    Notazione e definizione di rendimenti

    Probabilita e statisticaProbabilitaStatisticaRegressioniSerie storiche

    Massimizzazione

    Algebra lineare

    Stocks

    Fixed income (bonds)NotazioneValore attesoYieldForward ratesHolding period returnsYield curveDurationImmunizzazione

  • Notazione temporale

    I Utilizzeremo pedici per descrivere quando una cosa avviene:e.g., P2014 e il prezzo alla fine dellanno 2014.

    I Indicheremo il prezzo al tempo t con Pt , il tasso di interesseal tempo t con Rt , etc.

    I Talvolta, quando il timing e particolarmente importante,utilizzeremo una notazione piu precisa: e.g., Rt,t+1 denota iltasso di rendimento dal tempo t al tempo t + 1.

    I Oggi e in genere indicato come tempo t = 0.

  • Rendimenti

    I Con R indichiamo il rendimento lordo (o piu comunemente iningelse gross return): e.g.,

    R =$ payoff

    $ investment.

    I Per unazione che paga un dividendo pari a Dt :

    Rt+1 =Pt+1 + Dt+1

    Pt=

    $ payoff at t + 1

    $ investment at t.

    I Un gross return e un numero come 1.1 per un rendimento del10%.

    I Il rendimento netto (o piu comunemente in inglese netreturn) e pari a:

    rt+1 = Rt+1 1.I Il rendimento percentuale e:

    100 rt+1.

  • Rendimenti

    I Il rendimento log o continuously compounded e pari a:

    rt = ln Rt ,

    per esempio, ln(1.10) = 0.09531 or 9.531%.

    I Il real return corregge per il tasso di inflazione:

    R realt+1 =Goods back at t + 1

    Goods paid at t.

  • Rendimenti

    I Lindice dei prezzi al consumo e definito come:

    CPIt $t

    Goodst; t+1

    CPIt+1CPIt

    .

    I Possiamo utilizzare i dati su CPI per trovare i rendimenti reali:

    R realt+1 =$t+1

    Goodst+1$t+1

    $t Goodst$t=

    $t+1 1CPIt+1$t 1CPIt

    = Rnominalt+1CPIt

    CPIt+1=

    Rnominalt+1t+1

    .

    I Quindi, per trovare i rendimenti reali dobbiamo semplicementedividere i gross returns per il gross inflation rate.

  • Rendimenti

    I E lequazione di Fisher? Nota che questa equazione vale per ilog returns:

    ln R realt+1 = ln Rnominalt+1 ln t+1.

    I E quindi vero solo dopo una approssimazione che possiamofare la stessa cosa per i net returns:

    Rnominalt+1t+1

    =1 + r nominal

    1 + r nominal ,

    lapprossimazione e innocua per tassi di inflazione bassi.

  • Rendimenti

    I Utilizzando la stessa idea utilizzata per trovare i rendimentireali, possiamo trovare i rendimenti in dollari di strumentifinanziari denominati in valuta diversa dal dollaro.

    I Supponi di avere un titolo italiano che paga un rendimentolordo in Euro (E):

    R ITt+1 =E payoff at t + 1

    E investment at t.

    I Definisci il tasso di cambio come:

    e$/Et =$tEt

    ,

    allora:

    R$t+1 =$t+1$t

    =Et+1

    Et

    $t+1/Et+1$t/Et

    = REt+1e$/Et+1

    e$/Et.

  • Rendimenti capitalizzati (compound returns)

    I Supponi di detenere uno strumento che paga il 10% per annoper 10 anni.

    I Cosa ottieni con un investimento di $1?

    I La risposta corretta non e certo $2 ($1 + 10 0.1), dalmomento che accumuli interessi sugli interessi

    I La risposta corretta e data dal rendimento capitalizzato ocompounded (compound return).

  • Rendimenti composti

    I Denota con Vt il valore al tempo t. Allora:

    V1 = RV0 = (1 + r)V0

    V2 = R (RV0) = R2V0VT = R

    TV0.

    I Quindi, RT e il compound return.

  • Rendimenti capitalizzati (compound returns)

    I Calcolare esponenziali con carta e penna non e sempre facile.Per questa ragione, i log returns sono molto utili.

    I Ricorda che:

    ln(ab) = ln a + ln b; ln(a2) = 2 ln a.

    I Quindi:

    ln V1 = ln R + ln V0

    ln VT = T ln R + ln V0.

    I In altre parole, il compound log return e pari a T volte il logreturn periodale.

  • Rendimenti capitalizzati (compound returns)

    I Considera ora un problema multi-periodale. Il T -period returne pari a:

    R1 R2 . . . RT ,

    mentre il T -period log return e pari a:

    ln R1 + ln R2 + . . . ln RT .

    I Con i log returns, possiamo anche sottrarre al posto didividere per ottenere i rendimenti reali esatti, o per fareconversioni di valuta:

    R real =Rnominal

    ln(R real) = ln Rnominal ln .

  • Rendimento capitalizzato intra-periodale

    I Considera un bond che paga il 10% capitalizzato semi-annualmente:i.e., due pagamenti del 5% sono fatti con un intervallo di sei mesi.

    I In questo caso, il rendimento complessivo annuale (lordo) e pari a:

    (1.05)(1.05) = 1.1025 = 10.25% > 10%.

    I E se il rendimento fosse capitalizzato trimestralmente?

    (1.025)4 = 1.1038 = 10.38% > 10.25%.

    I Capitalizzato N volte:

    (1 +r

    N)N .

    I Se capitalizziamo in maniera continua o istantanea:

    limN

    (1 +r

    N)N = 1 + r +

    1

    2r2 + . . . = er .

  • Rendimento capitalizzato intra-periodale

    I Se il rendimento capitalizzato lordo e pari a R = er quandocapitalizziamo nel continuo, allora possiamo trovare ilcontinuously compouneded o log return come r = ln R.

    I Per esempio: un rendimento dichiarato del 10% capitalizzatonel continuo e in realta un rendimento lordo pari ae10% = 1.1057 = 10.517%.

    I Quale il rendimento su tre anni di un titolo che paga unrendimento dichiarato pari a R, capitalizzatosemi-annualmente?

    I Deve essere pari a:

    (1 +r

    2)23.

    I In maniera simile, il rendimento capitalizzato nel continuo suT anni e pari a: erT .

  • Outline

    Notazione e definizione di rendimenti

    Probabilita e statisticaProbabilitaStatisticaRegressioniSerie storiche

    Massimizzazione

    Algebra lineare

    Stocks

    Fixed income (bonds)NotazioneValore attesoYieldForward ratesHolding period returnsYield curveDurationImmunizzazione

  • Variabili aleatorie (random variables)

    I Modelliamo i rendimenti azionari come random variables.

    I Una random variable puo assumere uno tra diversi valori, conuna probabilita associata.

    I Per esempio:

    Value Probability1.1 1/5

    R = 1.05 1/51.00 2/50.00 1/5

    I Ogni valore e una delle possibili realizzazioni della randomvariable.

    I Nota come le probabilita sommino a 1.

  • Random variables

    I La distribuzione (o density) di una random variable e una listadei valori che puo assumere insieme alle associate probabilita.

    I Per esempio, la distribuzione dellesempio precedente puoessere illustrata graficamente come segue:

    0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

    0.05

    0.1

    0.15

    0.2

    0.25

    0.3

    0.35

    0.4

    gross return

    pro

    babili

    ty

  • Random variables

    I Spesso pensiamo a random variables continue, ovvero chepossano assumere un qualsiasi numero reale.

    I In maniera simile al caso appena visto di distribuzionediscreta, ora parleremo di distribuzione di probabilitacontinua f (R) (continuos density).

    I La density ci dice la probabilita per unita di R: f (R0)R cidice la probabilita che la random variable R sia tra Ro eR0 + R.

    I Unipotesi molto comune e che i returns (o i log returns)siano distribuiti come una normale (normally distributed). Inquesto caso la density e data da una funzione specifica:

    f (R) =12

    exp[ (R )2

    22].

  • Distribuzione normale

    0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    = 8%, = 16%

  • Distribuzione normale

    I Circa il 30% della probabilita di una distribuzione normale sitrova piu di una standard deviation () dalla media ().

    I E circa il 5% si trova piu di due standard deviations dallamedia (per la precisione, la linea del 5% si trova 1.96 standarddeviation dalla media).

    I Interpretazione: vi e solo una probabilita pari a 1/20 = 5%di osservare un valore piu di due standard deviations dallamedia di una distribuzione normale.

    I I rendimenti azionari hanno fat tails, nel senso che e un popiu facile osservare valori estremi rispetto al caso di unadistribuzione normale.

  • Momenti

    I Spesso riassumiamo il comportamento di una variabilealeatoria attraverso alcuni momenti (moments), come lamedia e la varianza.

    I Con Ri denotiamo il valore generico che una random variableR assume con probabilita i .

    I La media e definita come:

    E (R) = possible values i

    iRi ,

    e ci dice dove si trova R in media.

    I La varianza e definita come:

    2(R) = E [(R E (R))2] = i

    i [Ri E (R)]2,

    e ci dice quanto lontano R sia in genere dalla media.

  • Momenti

    I La covarianza e definita come:

    cov (Ra,Rb) = E [(RaE (Ra))(RbE (Rb))] = i

    i [Rai E (Ra)][Rbi E (Rb)],

    e misura la tendenza di due rendimenti a muoversi insieme.

    I Quando la covarianza e positiva (negativa) i rendimenti si muovononella stessa (opposta) direzione. Se la covarianza e zero, non vi enessuna tendenza per un rendimento ad essere elevato quando ilsecondo e basso.

    I La dimensione della covarianza dipende dallunita di misura (deirendimenti).

    I Il correlation coefficient risolve questo problema:

    Corr(Ra, Rb) = =cov(Ra, Rb)

    (Ra)(Rb).

    I Il correlation coefficient e per definizione tra -1 e 1.

  • Momenti

    I Per random variables nel continuo, le somme diventanointegrali.

    I Per esempio, la media diventa:

    E (R) =

    Rf (R)dR.

    I Nel caso di distribuzione normale, la media e pari alparametro e la varianza al parametro 2.

  • Momenti di combinazioni di random variables

    I Le costanti escono dai valori attesi, e il valore atteso di unasomma e pari alla somma dei valori attesi.

    I Se c e d sono numeri:

    E (cRa) = cE (Ra),

    E (Ra + Rb) = E (Ra) + E (Rb).

    I Piu in generale:

    E [cRa + dRb] = cE (Ra) + dE (Rb).

  • Momenti di combinazioni di random variables

    I La varianza di somme funziona come per calcolare unquadrato:

    var(cRa+dRb) = c2var(Ra)+d2var(Rb)+ 2cd cov(Ra, Rb).

    I Le covarianza funzionano in maniera lineare:

    cov(cRa, dRb) = cd cov(Ra, Rb).

  • Distribuzioni normali

    I Le distribuzioni normali hanno unaltra proprietaparticolarmente utile.

    I Combinazioni lineari di random variables distribuite come unanormale sono a loro volta distribuite come una normale.

    I Se Ra e Rb sono distribuite come normale, allora:

    Rp = cRa + dRb

    e anche distribuito come una normale, con media e varianzache seguono le formule viste nelle slides precedenti.

    I Nota che possiamo pensare a Rp come il rendimento di unportafoglio composto dai titoli a e b, con pensi c e d .

  • Distribuzioni log-normali

    I Una variabile R e lognormally distributed se r ln(R) enormally distributed.

    I Questa e una distribuzione particolarmente utile per azioni eobbligazioni in quanto i (gross) returns sono tali per cui non sipossa perdere piu di quanto si e investito (R > 0).

    I Al contrario, se R e distribuito come una normale stiamoimplicitamente assumendo che possa assumere valori negativi.

    I Dal momento che R = e lnR = er per definizione, e per casoanche vero che E (R) = eE (r )?

    I Certamente no, dal momento che E [f (x)] 6= f [E (x)] ... maqualcosa di non troppo diverso e vero:

    E (R) = eE (r )+1/22(r ).

  • Distribuzioni log-normali

    I Per la varianza le cose sono leggermente piu complicate.

    I Nota come R2 = e2r e quindi e lognormally distributed.

    I Allora:2(R) = e2E (r )+

    2(r )[e2(r ) 1].

  • Distribuzioni log-normali

    I Dal momento che combinazioni lineari di normali sononormali, il prodotto di log-normali e distribuito come unalog-normale.

    I Per esempio:R1R2 = e

    r1+r2 ,

    dal momento che r1 e r2 sono normali, allora lo e ancher1 + r2, e quindi R1R2 si distribuisce come una log-normale.

  • Statistica

    I Supponi di non conoscere le probabilita.

    I In questo caso devi stimarle in un campione.

    I In maniera simile, se non conosci media, varianze, etc. alloradovrai stimarle.

  • Media campionaria (sample mean)

    I La media o media campionaria e pari a:

    R =1

    T

    T

    t=1

    Rt ,

    dove {R1, R2, . . . , RT} e un campione di dati sui rendimentiazionari.

    I Tieni a mente la distinzione tra sample mean e la media verao population mean.

    I Quando il campione diviene sempre piu grande, la samplemean si avvicina alla population mean. Questa proprieta echiamata consistency.

  • Varianza campionaria (sample variance)

    I La varianza campionaria e pari a:

    s2 = 2 =1

    T 1T

    t=1

    [Rt R ]2.

  • Variazione dei momenti campionari

    I Nota come la sample mean, la standard deviation, e altrestatistiche, variano da campione a campione e quindi sonorandom variables.

    I Al contrario, la population mean e variance sono solo numeri.

  • Variazione dei momenti campionari

    I Iniziamo con la variazione della sample mean.

    I Supponiamo che tutti gli Rt siano estratti dalla stessadistribuzione, allora:

    R =1

    T

    T

    t=1

    Rt

    E (R) =1

    T

    T

    t=1

    E (Rt) = E (R).

    I Questo risultato dimostra come la sample mean sia unbiased:in media, su diversi campioni, la sample mean rivela la veramedia.

  • Variazione dei momenti campionari

    I La varianza della sample mean e pari a:

    2(R) = 2(1

    T

    T

    t=1

    Rt) =1

    T 2

    T

    t=1

    2(Rt) + covariance terms.

    I Se ipotizziamo che i rendimenti siano i.i.d. (independent andidentically distributed) otteniamo una formula che probabilmentericorderai:

    2(R) =2(R)

    T,

    or

    (R) =(R)

    T.

    I Per i rendimenti azionari, lipotesi che cov(Rt , Rt+1) e abbastanzabuona.

  • Variazione dei momenti campionari

    I Supponi ora di non conoscere .

    I Puoi stimare la variazione campionaria della sample meanutilizzando la tua stima per , ovvero la standard deviation:

    (R) =(R)

    T.

    I Questa formula e in genere utilizzata per misurare lincertezza dellamedia campionaria, e per testare che la media campionaria siauguale a qualche valore, tipicamente zero (ti ricorda nientelespressione t-test?).

    I Questo test e in genere basato su un intervallo di confidenza(confidence interval).

  • Intervallo di confidenza

    I Supponi ora di assumere distribuzioni normali.

    I Lintervallo di confidenza per la media e dato dalla sample meanpiu o meno 2 standard errors (per essere precisi: 1.96).

    I Interpretazione: se la vera media fosse al di fuori dellintervallo,allora ci sarebbe una probabilita inferiore al 5% di osservare unamedia campionaria grande (o piccola) quanto quella che osserviamo.

    I Con la potenza di calcolo dei computer abbiamo ora a disposizioneun metodo piu semplice: il p-value o probability value.

  • P-value

    I Possiamo calcolare la probabilita che la sample mean risulti esserealmeno grande come il valore osservato () data lipotesi nulla.

    I Questa operazione e equivalente a calcolare larea al di sotto delladistribuzione della media campionaria passato il valore della mediacampionaria che osserviamo, data una ipotesi (null hypothesis)relativa al vero valore della media.

  • P-value

    0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    distribution ofsample mean

    hypothesis: the true samplemean is here

    sample mean thistime

    pvalue = area to the rightof vetical bar

  • T-test

    I In genere, i test sono fatti utilizzando la t-distribution.

    I Infatti e possibile dimostrare che il rapporto:

    T

    R E (R)

    si distribuisce come una t-distribution.

  • Regressioni

    I In finanza in genere utilizziamo regressioni del tipo: unrendimento sul rendimento di mercato:

    Rt = + Rm,t + et ; t = 1, 2, . . . , T ,

    o regressioni multiple di rendimenti sul rendimento di unaserie di portafogli:

    Rt = + Rm,t + Rp,t + et ; t = 1, 2, . . . , T .

    I Utilizzeremo pacchetti software che utilizzano formulestandard per fare regressioni (per esempio Excel, o Matlab).

    I Queste formule sono basate su una serie di ipotesi (che sonoin genere sbagliate per una data regressione!) che e beneavere a mente.

  • Regressioni

    I Ecco una lista di alcuni risultati importanti che riguardano leregressioni:

    1. il valore in una popolazione di un singolo coefficiente e:

    =cov(y , x)

    var(x);

    2. la regressione restituisce il vero (o meglio: e unbiased)solo se il termine di errore non e correlato con le variabili adestra delluguale;

    3. in una regressione multipla, 1 cattura leffetto su yesclusivamente di movimenti di x1 che non sono correlati conmovimenti di x2.

  • Regressioni: formule con matrici

    I Il modello di regressione lineare e: Y = X + e, dove Y eun vettore (T,1), X e una matrice (T,k), e un vettore(k,1) e e e un vettore (T,1).

    I La stima nel modello OLS e pari a:

    = (X X )1X Y .

  • Regressioni: formule con matrici

    I Gli standard errors misurano la variabilita di rispetto adiversi campioni:

    2() = (X X )12e .

    I Questa formula e valida solo se gli errori hanno la stessavarianza e non sono correlati luno con laltro.

    I Per stimare questa quantita iniziamo dal trovare gli errori:e = Y X per poi formare la varianza degli erroris2 = var(e).

    I Quindi:2() = (X X )1s2.

  • R-square

    I Una volta ottenuti gli errori, possiamo anche calcolare ilR-square:

    R2 =var(X )

    var(Y )= 1 var(e)

    var(Y ).

  • Cosa accade se gli errori hanno diversa varianza, o sonocorrelati? (1/2)

    I Ricorda come si calcola la varianza di :

    2() = 2[(X X )1X Y ]

    = 2[(X X )1X (X + e)]

    = 2[(X X )1X e]

    = E [X X )1X eeXX X )1]

    I Nellultima riga abbiamo utilizzato lipotesi che E (e) = 0 e laformula var(Ax) = Acov(x , x )A.

  • Cosa accade se gli errori hanno diversa varianza, o sonocorrelati? (2/2)

    I Definisci = E (ee).I Allora:

    2() = (X X )1X X (X X )1. (1)

    I Se i 2(et) sono tutti identici (per ogni t) e (etes) = 0 (noncorrelati) allora e diagonale:

    E (ee) = = 2e I ,

    e la formula e quella standard.

    I Altrimenti dobbiamo utilizzare la formula (1) con .

  • Regressioni GLS

    I Se 6= 2I , allora la stima GLS e piu efficiente:

    GLS = (X1X )1X 1Y .

    I In practica, la procedura GLS funziona come segue:

    1. fai una OLS;2. trova e;3. usa e per stimare ;4. fai una GLS.

  • Regressioni GLS

    I Gli standard errors di una stima GLS sono:

    (GLS ) = (X1X )1.

    I Dimostrazione:

    (GLS ) = 2[(X 1X )1X 1Y ]

    = 2[(X 1X )1X 1(X + e)]

    = 2[(X 1X )1X 1e]

    = E [(X 1X )1X 1ee1X (X 1X )1] (2)

  • OLS vs. GLS

    I Quando gli errori non soddisfano lipotesi OLS ( 6= 2e I ),allora GLS e piu efficiente.

    I Questo significa che per un T grande, abbiamo che(GLS ) < (OLS ).

    I Tuttavia, e abbastanza comune in finanza utilizzarecomunque le stime OLS:

    1. OLS e comunque unbiased (non distorto): E (OLS ) = .2. OLS e potenzialmente inefficiente, ma questa caratteristica

    non e sempre vitale.3. Perch utilizziamo comunque OLS? Perche talvolta invertire

    una matrice 1 puo creare problemi.

  • OLS vs. GLS

    I Nota che sebbene in finanza sia comune luso di OLS, questonon significa che si utilizzi la standard error formula.

    I Se 6= 2e I , allora la standard formula OLS e distorta etroppo ottimistica.

    I Per questa ragione, se usiamo stime OLS, allora e importanteutilizzare la formula generale (1) o qualche proceduraequivalente (cf. Fama-MacBeth).

  • Serie storiche

    I Una serie storica (time series) e un insieme di osservazioniripetute di una random variable: per esempio, il rendimento diun titolo azionario i ogni mese per un dato intervallotemporale.

    I Denotiamo una time series come: x1, x2, . . . , xt , . . ..I Time series hanno medie e varianze: E (xt) e 2(xt).

  • Momenti condizionali vs. non-condizionali

    I A volte le time series si muovono lentamente nel tempo(temperatura, price-earning ratios, etc.); altre volte sono menoprevedibili (stock returns, una serie di lanci di una monetina).

    I Queste proprieta sono catturate dalle conditional mean evariances.

    I Per esempio, utilizzando tutta linformazione disponibile a t,quale e la media di xt+1? Possiamo scrivere la stessadomanda come Et(xt+1), o E (xt+1|It), dove con It si indica ilinformation set.

    I Al contrario, le mean e variances regolari sono chiamateunconditional.

  • White noise

    I Il blocco di partenza di un modello time series e il cosiddettoprocesso white noise, in genere indicato con e.

    I Un white noise e come il lancio di una moneta, ovverocompletamente imprevedibile nel tempo.

  • White noise

    I Iniziamo con un white noise a media zero:

    Et(et+1) = E (et+1),

    e conditional variance costante:

    2t (et+1) = 2(et+1) =

    2e .

    I Chiaramente, la autocorrelation del white noise e pari a zero:

    corr(et , et+j ) = corr(et , etj ) = 0.

    I Dal momento che abbiamo ipotizzato un processo a mediazero, possiamo anche scrivere:

    E (etet+j ) = E (etetj ) = 0.

  • Processo MA

    I Utilizzando come punto di partenza il white noise, possiamoora costruire un processo moving average o processo MA.

    I Il processo MA(1) e:

    xt = et + et1.

    I In maniera simile, il processo MA(2) e:

    xt = et + 1et1 + 2et2.

  • Processo MA

    I Il processo MA(1) introduce persistenza, e serve a catturare ilfatto che la conditional mean possa essere diversa dallaunconditional mean:

    Et(xt+1) = Et(et+1 + et) = et

    Et(xt+2) = Et(et+2 + et+1) = 0

    I Il processo MA(2) ricorda shocks per 2 periodi.

  • Processo MA

    I Trucco per lavorare con processi MA: elementi con indiceminore o uguale a t sono noti al tempo t e quindi sono solonumeri, non random variables: rimangono nella formula per laconditional mean. Elementi con indice maggiore di t sonoinvece random variables con conditional mean pari a zero.

  • Processo MA

    I Le conditional mean per un processo MA(1) sono:

    2t (xt+1) = 2t (et+1 + et) =

    2e

    2t (xt+2) = 2t (et+2 + et+1) = (1 +

    2)2e2t (xt+3) =

    2t (et+3 + et+3) = (1 +

    2)2e2t (xt+j ) =

    2t (et+j + et+j1) = (1 +

    2)2e ; j 3

    I Nota che abbiamo utilizzato il fatto che gli et non sonocorrelati nel tempo e hanno la stessa conditional variance adogni orizzonte.

  • Processo MA

    I Il processo MA(k) ha un memoria di k periodi: dopo k periodidimentica da dove viene.

    I Nella slide che segue, rappresento graficamente la conditionalmean e variance di un processo MA(2), ipotizzando1 = 2 = 1 e et = et1 = et2 = 1.

  • Processo MA

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    3

    j periods ahead

    Conditional mean and standard deviation of MA(2)

    E

    t (x

    t+j)

    t (x

    t+j)

  • Medie e trends

    I Molte time series non si muovono attorno a un trend a mediazero.

    I Per tenerne in conto, possiamo semplicemente aggiungere unacostante:

    xt = + et + 1et1,

    in modo che tutto si sposti parallelamente verso lalto di .

    I Alcune time series (per esempio, il PIL) hanno un trendpositivo nel tempo t:

    xt = a + b t + et + 1et1.

  • Modelli AR

    I Una diversa strada per complicare il modello white noise einvece quella del processo autoregressivo o processo AR.

    I Il processo AR(1) e:

    xt = xt1 + et .

    I Il processo AR(2) e:

    xt = 1xt1 + 2xt2 + et .

  • Modelli AR

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

    0.5

    1

    1.5

    j periods ahead

    Conditional mean and standard deviation of AR(1)

    E

    t (x

    t+j)

    t (x

    t+j)

  • Modelli AR

    0 5 10 15 20 25 30 35 408

    6

    4

    2

    0

    2

    4

    6Simulations of AR(1)

    rho = 0.1

    rho=0.9

  • Modelli AR

    I Nota come:

    1. la conditional mean decade geometricamente verso launconditional mean;

    2. la conditional standard deviation aumenta lentamente e tendealla unconditional standard deviation;

    3. valori maggiori di inducono una maggiore persistenza nellatime series.

  • Fittare un modello

    I Per iniziare, cosa significa fittare un modello? Per esempio,capire quale processo AR o MA meglio descrive unatime-series (stock returns, etc.).

    I I processi AR sono particolarmente convenienti perchepossono essere fittati con una semplice regressione(aggiungendo una constante).

  • Modelli piu complessi (1/2)

    I Il valore futuro di una variabile, xt , potrebbe essere legato ai valoripassati di unaltra variabile yt .

    I Per esempio: sembra sia possibile prevedere i rendimenti azionariattraverso il D/P ratio oltre che utilizzando rendimenti passati.Possiamo modellizzare questo risultato attraverso un multi-variableAR(1):

    xt = x + xxxt1 + xyyt1 + ext

    yt = y + yxxt1 + yyyt1 + eyt

    I Possiamo scrivere la stessa cosa in forma compatta attraverso unavector autoregression (VAR):

    zt = + Azt1 + et

    zt =

    [xtyt

    ]; =

    [xy

    ]; A =

    [xx xyyx yy

    ]; et =

    [exteyt

    ],

    che possiamo fittare attraverso due regressioni OLS separate.

  • Modelli piu complessi (2/2)

    I Supponi invece di volere modellare una time series che mostripersistenza nella volatilita come nella media.

    I I modelli visti fino ad ora non sono adatti, in quanto t(xt+1) econstante.

    I ARCH e GARCH sono modelli adatti a questo scopo.

    I Per esempio, i tassi di interesse sono piu volatili quando i tassi diinteresse sono elevati. Possiamo rappresentare questaipotesi/evidenza in un modello di term structure come segue:

    xt+1 = + xt +

    xtet+1.

    I In questo modello, quando il livello di x e elevato, anche laconditional variance e elevata (questo modello e chiamato squareroot ).

  • Outline

    Notazione e definizione di rendimenti

    Probabilita e statisticaProbabilitaStatisticaRegressioniSerie storiche

    Massimizzazione

    Algebra lineare

    Stocks

    Fixed income (bonds)NotazioneValore attesoYieldForward ratesHolding period returnsYield curveDurationImmunizzazione

  • Massimizzazione

    I Tipico problema in finanza:I Quanto un investitore deve consumare vs. risparmiare?I Quale asset deve comprare?

    I Questi problemi sono risolti attraverso la massimizzazione diuna funzione obiettivo (utilita) soggetta a un vincolo dibilancio (i.e., linvestitore ha una certa quantita di risorse).

  • Massimizzazione vincolata

    I Considera questo semplice esempio: un consumatore vuolemassimizzare lutilita che deriva da due beni, mele X epesche Y dato un vincolo di bilancio:

    max{X ,Y }

    U(X , Y ) s.t. PXX + PY Y = W .

    I Per potere risolvere numericamente questo problema, supponiche la funzione di utilita sia log e separabile nei due beni:

    max{X ,Y }

    [log(X ) + a log(Y )] s.t. PXX + PY Y = W .

  • Soluzione per sostituzione (1/3)

    I Quando il problema e cosi semplice, possiamo utilizzare il vincolo esostituire per uno dei due beni:

    max{X ,Y }

    [log(X ) + a log(W PXX

    PY)].

    I Troviamo quindi il massimo ponendo la derivata della funzioneobiettivo rispetto alla variabile di scelta pari a zero (in genere,questa derivata e definita come first order condition o FOC):

    d

    dX{log(X ) + a log(W PXX

    PY)} = 0

    1

    X a PX

    PY

    PYW PXX

    = 0

    1

    X=

    aPXW PXX

    W PXX = aXPXW = (a + 1)PXX

    X =W

    (1 + a)PX

  • Soluzione per sostituzione (2/3)

    I La soluzione X = W(1+a)PX

    e una curva di domanda: quanto

    un investitore domanda del bene X data la sua ricchezza, ilprezzo del bene, e potenzialmente i prezzi degli altri benidisponibili.

    I Nota come la domanda abbia una pendenza negativa: sePX , allora X .

    I Il fatto che PY non entri nella curva di domanda e unrisultato che dipende dalla scelta della funzione di utilita log.

    I In generale, infatti, la domanda di un bene dipende dal prezzorelativo PX /PY .

  • Soluzione per sostituzione (3/3)

    I Per trovare Y , utilizza il vincolo e la soluzione per X :

    Y =W PXX

    PY=

    a

    1 + a

    W

    PY.

  • Soluzione per Lagrangiano (1/4)

    I La soluzione per sostituzione funziona bene quando il numero dibeni tra cui scegliere e limitato.

    I Ovviamente, quando abbiamo molti beni (pensa per esempio a titoliazionari!) tra cui scegliere, il metodo per sostituzione e pocoadatto.

    I In questo caso, e meglio risolvere il problema utilizzando ilLagrangiano.

    I Ecco come funziona:

    1. aggiungi (o sottrai) volte il vincolo del problema;2. differenzia rispetto a X , Y e il associato al vincolo;3. risolvi il sistema di tre equazioni che ne risulta.

  • Soluzione per Lagrangiano (2/4)

    I Applicando il metodo al nostro esempio:

    max{X ,Y ,}

    U(X , Y ) (PXX + PY Y W )

    X :U

    X= PX

    Y :U

    Y= PY

    : PXX + PY Y = W

    I Combinando le prime due equazioni otteniamo una relazioneclassica: saggio marginale di sostituzione uguale al rapporto tra iprezzi:

    U/XU/Y

    =PXPY

    .

  • Soluzione per Lagrangiano (3/4)

    I Con log utility:

    1

    X= PX X =

    1

    PXa

    Y= PY Y =

    a

    PYPXX + PY Y = W

    I Sostituisci X e Y nel vincolo e risolvi per :

    PX (1

    PX) + PY (

    a

    PY) = W

    (1

    ) + (

    a

    ) = W

    =1 + a

    W

  • Soluzione per Lagrangiano (4/4)

    I E ora utilizza (anche chiamato shadow price del vincolo) pertrovare X e Y :

    X =1

    PX=

    W

    1 + a

    1

    PX

    Y =a

    PY=

    aW

    1 + a

    1

    PY

    I Commento: il risultato e chiaramente lo stesso ottenuto con ilmetodo di sostituzione, ma utilizzare il Lagrangiano e piu elegante,consente di trattare X e Y in maniera simmetrica ed e il metododa utilizzare in problemi di portafoglio in cui il numero delle variabilidi scelta e elevato.

  • Outline

    Notazione e definizione di rendimenti

    Probabilita e statisticaProbabilitaStatisticaRegressioniSerie storiche

    Massimizzazione

    Algebra lineare

    Stocks

    Fixed income (bonds)NotazioneValore attesoYieldForward ratesHolding period returnsYield curveDurationImmunizzazione

  • Algebra lineare

    I Supponi di dovere considerare 25 portfolios, 3 risk factors, 600 mesidi dati, etc.

    I Se non vuoi impazzire, dovrai fare affidamento allalgebra lineare eorganizzare i dati in matrici.

    I Una matrice e semplicemente un insieme rettangolare di dati (comeun range di celle in Excel):

    A =

    a b cd e fg h ij k l

    I La dimensione di una matrice e data dal numero di righe e colonne.

    Per esempio, la matrice A e di dimensione (4, 3).

    I Un vettore e un caso speciale di matrice con una sola colonna.

    I Per sommare matrici (della stessa dimensione) basta sommare glielementi corrispondenti.

  • Algebra lineare

    I La moltiplicazione tra matrici e piu complicata.

    I Date due matrici A, di dimensione (mA, nA), e B, di dimensione(mB , nB ), la regola e che la moltiplicazione AB e possibile quandoil numero di colonne della prima matrice e lo stesso del numero dirighe della seconda matrice (nA = mB ).

    I Se la moltiplicazione e possibile, allora si procede moltiplicandoogni riga della prima matrice per le colonne della seconda matrice esommando quindi gli elementi.

  • Algebra lineare

    I Esempio:

    A =

    [a b cd e f

    ]; B =

    g hi jk l

    .I Allora AB e pari a:

    AB =

    [a b cd e f

    ] g hi jk l

    = [ag + bi + ck ah + bj + cldg + ei + fk dh + ej + fl

    ].

  • Algebra lineare

    I Molte regole della moltiplicazione standard valgono anche per quellatra matrici.

    I Per esempio: (A + B)C = AC + BC .

    I Una grande differenza e che AB 6= BA.I La matrice identita I e la matrice equivalente al numero 1 per gli

    scalari, ed e una matrice quadrata con tutti 1 sulla diagonaleprincipale e 0 nelle altre posizioni.

    I Considera una matrice identita I = I3, con tre righe e tre colonne.

    I Nota che: AI = IA = A per ogni A.

  • Matlab e matrici

    I Matlab e un software basato sullalgebra lineare (Matlab sta permatrix laboratory).

    I In Matlab e comunque possibile effettuare la moltiplicazioneelemento per elemento per matrici con la stessa dimensione.

    I Questa operazione e chiamata dot product e il comando e .I In maniera simile, puoi effettuare una divisione elemento per

    elemento con il comando ./

    I Per fare la trasposta di una matrice, utilizziamo il comando prime :

    A =

    [a bc d

    ] A =

    [a cb d

    ].

  • Algebra lineare

    I Una matrice si dice simmetrica quando gli elementi non sulladiagonale sono gli stessi, in modo che la matrice sia uguale alla suatrasposta.

    I Il trasposto di un vettore colonna e uguale a un vettore riga.

    I Quando moltiplichiamo una matrice quadrata per un vettoreotteniamo un altro vettore:

    Ax =

    [a bc d

    ] [ef

    ]=

    [bf + aedf + ce

    ]= y .

    I Quando moltiplichiamo un vettore riga per una matrice quadrataotteniamo un altro vettore riga:

    x A =[ef] [a b

    c d

    ]=[cf + ae df + be

    ]= y .

  • Algebra lineare

    I Il prodotto di un vettore riga per un vettore colonna e uguale a unoscalare. Questa operazione e in genere chiamata inner product.

    I Loperazione inversa, il prodotto di un vettore colonna per unvettore riga produce una matrice. Questa operazione e in generechiamata outer product.

    I Un oggetto molto utile e la forma quadratica. Anche questaoperazione produce un numero, e in genere e fatta con una matricesimmetrica al centro:

    x Ax =[e f

    ] [a bb d

    ] [ef

    ]= [ae2 + df 2 + 2bef ].

  • Inversione di una matrice

    I Supponi di avere Ax = b, con A una matrice e x e b vettori.

    I Sarebbe comodo potere fare qualcosa del tipo: x = A1b.

    I La matrice inversa ha la proprieta che:

    AA1 = A1A = I .

    I Perche una matrice sia invertibile, deve essere quadrata e deveessere full rank (ricorda: il suo determinante deve essere diverso da0, o le sue colonne devono essere linearmente indipendenti), il cheequivale a dire che non si puo dividere per zero nel caso degliscalari.

    I Per il caso di matrici di dimensioni 2 2 esiste una formulasemplice:

    A1 =

    [a bc d

    ]1=

    1

    ad bc

    [d bc a

    ].

    I Nota: il determinante di A e ad bc: questa e la ragione per cuiabbiamo bisogno della condizione di full rank!

  • Esempio 1

    I Supponi di volere formare un portfolio Rp a partire da un insieme diassets R1, R2, . . . , RN , con pesi w1, w2, . . . , wN .

    I Possiamo scrivere:

    Rp = w1R1 + w2R

    2 + . . . + wNRN =

    N

    i=1

    wiRi .

    I O possiamo usare una notazione compatta:

    Rp = w R,

    dove: w1w2...

    wN

    ; R =

    R1

    R2

    ...

    RN

    .

  • Esempio 2 (1/2)

    I In finanza e molto comune lavorare con varianze.

    I Possiamo conservare linformazione sulle varianze di x and y e sullaloro covarianza in una covariance matrix:[

    2(x) cov(x , y)cov(x , y) 2(y)

    ].

    I Supponi che x e y siano elementi del vettore z :[xy

    ],

    allora possiamo pensare alla varianza di z come:

    E (zz ) = E (

    [xy

    ][xy ]) =

    [E (x2) E (xy)E (xy) E (y2)

    ].

    I Se x e y hanno media zero, allora questa e la covariance matrix.

  • Esempio 2 (2/2)

    I Se z non e a media zero, allora la formula standard2(z) = E (z2) E (z)2 funziona e

    cov(z , z ) = E (zz ) E (z)E (z ).

    I Utilizziamo forme quadratiche per trovare la varianza di unportafoglio data la varianza dei rendimenti sottostanti.

    I Con R a media zero:

    var(w R) = E ((w R)(R w)) = w E (RR )w .

    I Nota: i w sono numeri, gli R sono random, cosi che i numeripossono uscire dalloperatore valore atteso.

  • Outline

    Notazione e definizione di rendimenti

    Probabilita e statisticaProbabilitaStatisticaRegressioniSerie storiche

    Massimizzazione

    Algebra lineare

    Stocks

    Fixed income (bonds)NotazioneValore attesoYieldForward ratesHolding period returnsYield curveDurationImmunizzazione

  • La fallacia della time-diversification

    I E molto comune sentire dire che un investitore dovrebbe mantenerelinvestimento in azioni for the long run, in quanto i loro rendimentisono piu stabili su un orizzonte temporale lungo (per esempio,Jeremy Siegel e un fautore di questa tesi).

    I Ma e vero?

    I Iniziamo dalla definizione di 2-period gross return:

    R0,2 = R0,1R1,2.

    Quindi, in logs:ln R0,2 = ln R0,1 + ln R1,2.

  • La fallacia della time-diversification

    I Quali sono la media e la standard deviation del 2-period return,assumendo che i rendimenti medi siano gli stessi ogni anno e che irendimenti siano indipendenti nel tempo?

    E (ln R0,2) = E (ln R0,1) + E (ln R1,2) = 2E (ln R)

    2(ln R0,2) = 2(ln R0,1) +

    2(ln R1,2) = 22(ln R)

    I Nota: il rapporto tra rendimento medio e varianza dei rendimenti eindependente rispetto allorizzonte temporale (i.e., il 2 si cancella).

  • Da dove proviene questa fallacia?

    I Considera ora il rendimento annualizzato (periodale):

    Rann0,2 = (R0,1R1,2)1/2,

    quindi:

    ln Rann0,2 =1

    2(ln R0,1 + ln R1,2).

    I In questo caso:

    E (ln Rann0,2 ) =1

    2[E (ln R0,1) + E (ln R1,2)] = E (ln R)

    2(ln Rann0,2 ) = 2[

    1

    2(ln R0,1 + ln R1,2)] =

    1

    4[22(ln R)] =

    1

    22(ln R).

    I Quindi, la media del rendimento annualizzato non varia al variaredellorizzonte, ma la varianza del rendimento annualizzatodiminuisce quando lorizzonte aumenta.

    I Ma ... che importa che la varianza del rendimento annualizzatodiminuisca? Come investitore dovresti essere interessato alrendimento totale!

  • Outline

    Notazione e definizione di rendimenti

    Probabilita e statisticaProbabilitaStatisticaRegressioniSerie storiche

    Massimizzazione

    Algebra lineare

    Stocks

    Fixed income (bonds)NotazioneValore attesoYieldForward ratesHolding period returnsYield curveDurationImmunizzazione

  • Notazione

    I Dobbiamo distinguere bond con diverse scadenze (maturity).

    I Denotero la maturity con un indice tra parentesi: peresempio, P (4) e il prezzo di un 4-year zero-coupon bond.

    I Nota: uno zero coupon e un bond che non paga coupons, masolo il valore facciale a scadenza.

    I Tutti i log sono log naturali (i.e., base e).

  • Valore atteso

    I Iniziamo ignorando lincertezza: tutti i flussi di cassa futurisono noti (no default risk) e tutti i tassi di interesse futurisono noti.

    I Un qualsiasi bond rappresenta un diritto su una sequenza diflussi di monetari: {CF1, CF2, . . . , CFN}.

    I Possiamo scrivere il suo valore come:

    P =N

    j=1

    CFjR0R1 . . . Rj1

    ,

    dove R0 e il tasso di interesse da 0 a 1, etc.

  • Valore attesoI Problemi con questa formula: dove prendiamo il tasso di

    interesse Rj?I Supponi di conoscere i tassi di interesse che le banche

    applicheranno e che i tassi per prendere e dare a prestito sianogli stessi, allora questi sono i tassi da utilizzare (perarbitraggio). Tuttavia, questa situazione accade purtropposolo nei libri di testo!

    I Piu comunemente, potrai utilizzare il prezzo di mercato dizero-coupon bonds. Questi dovrebbero essere uguali a:

    P (N) =1

    R0R1 . . . RN1.

    I In questo caso, possiamo applicare questi prezzi alla formulaper un bond generico con flusso di cassa CFj :

    P =N

    j=1

    P (j)CFj .

  • Valore atteso

    I Nota che la formula

    P =N

    j=1

    P (j)CFj ,

    afferma che ogni bond puo essere replicato attraverso unacombinazione (o portfolio) di zero-coupon bonds.

    I Nota anche che possiamo fare inferenza sui prezzi degli zero apartire dai prezzi dei coupon bonds (se, per esempio, nonabbiamo il prezzo di mercato degli zero), e quindi possiamoutilizzare il prezzo di questi zero per prezzare altri couponbonds.

  • Yield

    DefinitionLo yield (to maturity, or YTM) e definito come il tasso di interessecostante, e fittizio, annuale che giustifica il prezzo di mercato di unbond, sotto lipotesi che il bond non possa andare in default.

  • Yield

    I Nota che la definizione di yield della slide precedente eleggermente diversa - ma sostanzialmente uguale - rispetto aquella che forse ricordi (per esempio, la YTM e il tassocostante che eguaglia il prezzo di un bond al valore presentescontato dei suoi flussi di cassa).

    I In maniera piu formale, lo yield di uno zero coupon bond e ilnumero Y (N) che soddisfa:

    P (N) =1

    [Y (N)]N.

    I Quindi:

    Y (N) =1

    [P (N)]1/N; ln Y (N) = 1

    Nln P (N).

  • Yield

    I In generale, lo yield di un qualsiasi flusso di pagamenti e quelvalore costante Y che soddisfa:

    P =N

    j=1

    CFjY j

    .

    I In pratica, dovrai cercare numericamente quel valore Y cherisolve lequazione dati i flussi di cassa e il prezzo.

    I Fino a che tutti i flussi di cassa sono positivi, questaoperazione e abbastanza semplice utilizzando un computer.

    I Per riepilogare, lo yield e una maniera conveniente perquotare il prezzo di un bond.

  • Forward rate

    DefinitionIl forward rate e il tasso di interesse che puoi fissare oggi perprendere o dare a prestito denaro a partire dal periodo N, darestituire al periodo N + 1.

  • Forward rate

    I A partire dal prezzo di zero-coupon bonds, possiamo trovare ilprezzo implicito dei tassi futuri, o tassi forward.

    I Ricorda che:

    P (N) =1

    R0R1 . . . RN1.

    I Allora:

    RN =P (N)

    P (N+1).

    I Per quale ragione questo e un tasso forward? La maniera piusemplice per capirlo e iniziare con il sintetizzare un contrattoforward utilizzando un insieme di zero coupon bonds (vedislide successiva).

  • Forward rate

    I Supponi di avere comprato 1 N-period zero e contestualmentedi avere venduto una quantita x di N + 1-period zero couponbonds.

    I Quali sono i flussi di cassa per ogni periodo?

  • Forward rate

    Buy N-period zero Sell x N+1-period zeros Net cash flow

    Today 0 P(N) +xP(N+1) xP(N+1) P(N)Time N 1 1Time N+1 x x

  • Forward rate

    I Ora non devi che scegliere la quantita x in modo che il flussonetto iniziale sia pari a 0:

    x =P (N)

    P (N+1).

    I Quindi, non paghi o ricevi niente oggi, ricevi 1 al tempo N epaghi P (N)/P (N+1) al tempo N+1. Hai appena sintetizzatoun contratto firmato oggi per un prestito da N a N+1, ovveroun forward contract!

    I Per riepilogare:

    FN = Forward rate N N + 1 =P (N)

    P (N+1),

    e:ln FN = ln P

    (N) ln P (N+1).

  • Forward rate

    I Quando sono utili i forward rates?I Esempi:

    1. Stai pianificando un investimento che richiede di prendere aprestito nel futuro e vuoi fissare oggi il tasso di interesse.

    2. Pensi di sapere in che direzione andranno i tassi di interesse evuoi speculare.

  • Holding period returns

    I Supponi ora di comprare al tempo t un N-period bond per poivenderlo dopo un periodo, quando la maturity sara N-1.

    I Il tuo rendimento e pari a:

    HPR(N)t+1 =

    P(N1)t+1

    P(N)t

    ,

    e:ln HPR

    (N)t+1 = ln P

    (N1)t+1 ln P

    (N)t .

    I Attenzione alla notazione: utilizziamo lindice t + 1 perquesto rendimento (da t a t + 1) in quanto e realizzato altempo t + 1.

  • Yield curve

    DefinitionLa yield curve (o curva dei tassi a termine) e un grafico degliyields di zero coupon bonds come funzione della loro maturity.

  • Yield curve senza incertezza

    I Supponi ora di sapere in che direzione stanno andando i tassidi interesse (o gli yields futuri su 1-period bonds). Allora laformula del valore attuale e:

    P(N)0 = (

    1

    R0

    1

    R1. . .

    1

    RN1) = (

    1

    Y(1)0

    1

    Y(1)1

    . . .1

    Y(1)N1

    ).

    I Ricorda la definizione di yield:

    P (N) =1

    [Y (N)]N.

    I Quindi:Y

    (N)0 = (Y

    (1)0 Y

    (1)1 . . . Y

    (1)N1)

    1N ,

    che e equivalente al dire che lo yield su un N-period zero epari alla media geometrica dei tassi di interesse futuri.

  • Yield curve senza incertezza

    I Se non ti piace la media geometrica, e preferisci qualcosa dipiu compatto, prendi i logs dellultima equazione della slideprecedente:

    ln Y(N)0 =

    1

    N(ln Y

    (1)0 + ln Y

    (1)1 + . . . + ln Y

    (1)N1),

    o, il log yield su un N-period zero e pari alla media aritmeticadei tassi di interesse futuri.

    I Interpretazione:I La parte a destra delluguale della formula rappresenta una

    maniera di portare un dollaro da oggi a N periodi da oggi,facendo roll-over di 1-period bonds.

    I La parte a sinistra delluguale esprime una maniera alternativadi portare un dollaro da oggi a N periodi da oggi, macomprando un N-period zero coupon bond (a lungo termine).

    I Senza incertezza, per arbitraggio, queste due strategie devonorestituire lo stesso rendimento.

  • Yield curve con incertezza

    I Come cambiano le cose se non conosciamo i tassi futuri?

    I Se gli investitori sono abbastanza neutrali rispetto al rischio,allora acquisteranno N-period zeros o faranno roll-over di1-period bonds a seconda di quale delle due strategiepromette una migliore performance in media.

    I Nota che laffermazione di cui sopra non si basa unacondizione di arbitraggio pura, dal momento che non ci sonoprofitti sicuri da potere fare.

    I Possiamo poi aggiungere un fattore che catturi il risk premium(premio al rischio) in modo da assorbire eventuali errori.

  • Yield curve con incertezza

    DefinitionIl N-period yield e la media degli yield periodali futuri attesi, conlaggiunta possibile di un risk-premium.

  • Yield curve con incertezza

    I In maniera piu formale:

    Y(N)0 = E0[(Y

    (1)0 Y

    (1)1 . . . Y

    (1)N1)

    1N ] + risk premium,

    o:

    ln Y(N)0 =

    1

    NE0(ln Y

    (1)0 + ln Y

    (1)1 + . . .+ ln Y

    (1)N1)+ risk premium.

    I Nota che le espressioni di cui sopra sono tautologie a menoche non caratterizziamo il risk-premium.

    I Prova a ricordare la expectation hypothesis: il risk-premiumnon e in genere presente quindi e una buonaapprossimazione quando il premio al rischio e piccolo e nonvaria molto nel tempo.

    I Modelli piu avanzati della term-structure cercano proprio diquantificare la dimensione e i movimenti del termine checattura il premio al rischio.

  • Forward yield curve

    I Supponi ora che avevamo ragione e conoscevamocorrettamente i tassi di interesse futuri.

    I In questo caso, per arbitraggio deve essere vero che:

    F (N) = RN,N+1,

    o che il forward rate e pari al tasso spot futuro.

  • Forward yield curve

    I Nota come il fatto che il forward rate sia pari al tasso spot futuroimplica la yield curve.

    I Inizia con il prendere in esame il forward rate nel periodoimmediatamente successivo a quello odierno: F (1) = R1,2.

    I Sostituisci il forward rate nella formula per il forward rate:

    P(1)

    P(2)= R1,2.

    I Utilizza R0,1 = 1/P (1) e Y (2) = 1/

    P (2):

    [Y (2)]2 = R0,1R1,2 Y (2) = [R0R1]1/2.

    I Con incertezza, aggiungi il risk premium: forward rate = expectedfuture spot rate + risk premium.

  • Holding period return yield curve

    I Considera ora due strategie per portare del denaro da oggi adomani:

    1. mantieni un N-period zero coupon bond per un periodo,vendilo come N-1-period zero coupon bond.

    2. mantieni un 1-period zero coupon bond per un periodo.

    I Se gli investitori (o i bond traders) sono neutrali rispetto al rischio,ci attendiamo che il rendimento di queste due strategie sia lo stesso,eccetto per un piccolo premio al rischio.

    I In maniera formale:

    E0(HPR(N)t+1) = E0(HPR

    (M)t+1 ) + risk premium.

  • Holding period return yield curve

    I Anche il risultato che gli HPR attesi per bond con diverse scadenzesono gli stessi implica la yield curve.

    I Per comprendere questa affermazione, considera il caso senzaincertezza:

    HPR(2)1 = HPR

    (1)1

    P(1)1

    P(2)0

    =1

    P(1)t

    [Y(2)0 ]

    2

    Y(1)1

    = Y(1)0

    Y(2)0 = [Y

    (1)0 Y

    (1)1 ]

    1/2.

  • Duration

    I Ora sappiamo come trovare il valore di un bond.

    I Come varia questo valore quando il tasso di interesse varia?

    I La duration e la risposta a questa domanda: e la misuraprincipale di sensibilit del prezzo di un bond a movimenti neltasso di interesse.

  • Duration

    I La duration misura la sensitivita dei prezzi (P) agli yields (Y). Inmaniera formale:

    D = % Change in P% Change in Y

    = YP

    dP

    dY= d ln P

    d ln Y.

    I A partire dalla definizione di cui sopra, e molto facile trovare laduration per uno zero-coupon bond:

    P (N) =1

    Y N

    YP

    dP

    dY=

    Y

    PN

    1

    Y N+1= N.

    I Quindi, per gli zeros: duration = maturity.

  • Duration

    I Per coupon bonds, ricorda che P = Nj=1CFjY j

    .

    I Applica la formula per la duration:

    YP

    dP

    dY=

    Y

    P

    N

    j=1

    jCFj

    Y j+1=

    1

    P

    N

    j=1

    jCFj

    Y j=

    N

    j=1

    jCFj/Y j

    Nj=1 CFj/Y j.

    I Questo e lo stesso che dire:

    Duration = cash flows

    duration of cash flows value of cash flowtotal value

    .

  • Duration

    La duration per ogni bond = media ponderata delle durations deiflussi di cassa individuali.

  • Duration

    I Nota come la duration di un coupon bond e inferiore alla maturity.

    I La modified duration e la variazione percentuale per un puntopercentuale di variazione nello yield, al posto che una variazione paria un percento nello yield:

    M-duration % in P in Y

    = 1P

    dP

    dY=

    1

    Y(Y

    P

    dP

    dY) =

    1

    Yduration.

  • Immunizzazione

    I Come possiamo costruire un portafoglio in modo che non siasensibile a variazione dei tassi di interesse?

    1. Dedicated portfolio: per ogni flusso di cassa di attivita opassivita compra o vendi uno zero-coupon bondcorrispondente. Nota come questa strategia sia in generecostosa in quanto richiede molti acquisti e vendite.

    2. Duration matching: modifica due attivit o passivit in modoche 1) il valore attuale degli attivi = valore attuale dellepassivita e 2) la duration degli attivi = la duration dellepassivita. In questo caso la posizione totale sara insensibile(immunizzata) rispetto a variazioni nel tasso di interesse.

    Notazione e definizione di rendimentiProbabilita' e statisticaProbabilita'StatisticaRegressioniSerie storiche

    MassimizzazioneAlgebra lineareStocksFixed income (bonds)NotazioneValore attesoYieldForward ratesHolding period returnsYield curveDurationImmunizzazione