考克斯-英格索-羅斯過程(Cox-Ingersoll-Ross process)
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考克斯-英格索-羅斯(CIR)過程是一個均值回歸擴散,與 OU 過程不同,它保持非負——使其成為「不得低於零之量」的標準模型,最重要的是利率與隨機變異數。它回答的建模需求是:我想要像 OU 過程那樣的均值回歸,但不能容忍負值。其訣竅是讓雜訊在過程趨近零時消失,做法是把狀態的平方根放進擴散係數。
它解 SDE dX_t = a(b - X_t) dt + sigma sqrt(X_t) dB_t,回歸速度 a > 0、長期均值 b > 0、波動率 sigma。漂移 a(b - X) 與 OU 過程同為均值回歸形式,但擴散 sigma sqrt(X) 在 X -> 0 時縮為零,故在邊界附近確定性漂移(X 小時為正)佔主導、把過程推回上方。平方根擴散在 0 處非李普希茨,故基本存在定理不能直接適用;雅馬達-渡邊平方根條件(|sqrt(x) - sqrt(y)| <= sqrt(|x-y|))給出逐路徑唯一性,且存在非負解。在 0 處的邊界行為由費勒條件支配:若 2ab >= sigma^2,過程永不到達 0(幾乎必然保持嚴格正),而若 2ab < sigma^2,它會觸及 0(在標準表述中反射)。其轉移密度是非中心卡方分布,平穩分布是伽瑪分布。CIR 過程在縮放意義下是受均值回歸的平方貝索過程。
CIR 是數理金融的基石:CIR 短期利率模型,以及作為 Heston 模型的變異數過程、隨機波動率的主力。其解析易處理性(仿射期限結構、債券與選擇權變換有閉式)加上非負性,使它極為有用。誠實的警告:若你需要嚴格正的過程,費勒條件 2ab >= sigma^2 不能丟棄——當它失效時過程會擊中零,這對建模(變異數可能恰好為零)與數值(樸素的歐拉-丸山可能在平方根下產生負值,必須修改,例如完全截斷或 Andersen QE 方法)都有影響。而平方根係數正是臨界的非李普希茨情形,此處標準 SDE 理論必須由雅馬達-渡邊的精細化取代。
在 Heston 隨機波動率模型中,瞬時變異數 v_t 服從 CIR 過程 dv_t = kappa(theta - v_t) dt + xi sqrt(v_t) dW_t。若費勒條件 2 kappa theta >= xi^2 成立,變異數保持嚴格正;若失效,v_t 可能擊中零,模擬方法必須謹慎選擇以避免負變異數。
CIR 作為 Heston 變異數過程:非負、均值回歸,但費勒條件失效時可觸及零。
非負性是自動的,但嚴格正需費勒條件 2ab >= sigma^2;低於它過程會擊中零。平方根擴散非李普希茨,故存在唯一性仰賴雅馬達-渡邊,且樸素的歐拉-丸山可能變負、必須修改。