高考考试网
当前位置: 首页 高考资讯

数学典型案例的分析(一个概念不清地动山摇)

时间:2023-05-22 作者: 小编 阅读量: 1 栏目名: 高考资讯

后来人们发现,这是一种广泛存在于自然界、工程技术和人类社会中的动态随机现象,如空气污染扩散、陀螺随机游走和股票价格波动等。则称W是参数为的布朗运动,或维纳过程。《随机过程》教科书的这一基本概念错误,无形中使研究对象从一条样本轨道改变为所有样本轨道的集合,势必会得出一系列与事实不符的结论。事实上,布朗运动样本轨道的集合服从正态分布,单个的布朗运动样本轨道并不服从正态分布。

作者 | 高宏

数学概念是人脑对客观事物的数量关系和空间形式的思维反映。数学概念虽然远离了直观的经验世界,但却更深刻地反映了客观世界的本质。数学学科通常运用定义的形式来明确数学概念的内涵——对象 “质”的特征,及其外延——对象 “量”的范围。

数学概念是建立数学理论和其它科学理论的基石,如果对数学概念所表达的内涵和外延出现误解和误用,则建立的科学理论就像基础不牢的高楼大厦一样,迟早会发生地动山摇般的坍塌。

写出大量优秀数学科普作品而响誉世界的英国数学家斯图尔特(Stewart)在《改变世界的17个公式》一书中,介绍了对人类社会发展影响最大的17个公式,但同时指出:B-S期权定价公式不仅改变了世界,创造了一个金额难以估量的金融衍生品市场,而且也造成了人类历史上最大的金融体系崩溃。

被誉为中国金融数学第一人、获得2020未来科学大奖“数学与计算机科学奖”的彭实戈院士,在科技部基础研究司编写的《中国基础研究发展报告(2019年)》中也明确指出:Black-Scholes 期权定价理论是造成以前历次重大金融危机的关键性原因。

本文将分析B-S期权定价公式因混淆“样本函数”和“随机变量”基本概念,而导致1987、1998和2007年三次重大金融危机的来龙去脉。

一、布朗运动理论

1827 年,英国植物学家布朗使用显微镜观察悬浮在液体中的花粉微粒时,发现微粒总是在做无规则的运动。后来人们发现,这是一种广泛存在于自然界、工程技术和人类社会中的动态随机现象,如空气污染扩散、陀螺随机游走和股票价格波动等。

1905年,爱因斯坦首先使用概率分析方法对布朗运动进行了定量研究,为统计热力学和随机过程理论的发展奠定了基础。

爱因斯坦认为布朗运动是由大量液体水分子的连续碰撞造成的,并从热分子运动扩散方程推导出了大量一维布朗粒子的位置x在t时刻的概率密度函数

式中D为扩散系数,是物理学刻画物质扩散速度的物理量。

上式表明,大量一维布朗粒子在t时刻的位置服从参数为(0,2Dt)的正态分布,表示布朗粒子随时间向偏离原点的方向扩散

二、维纳过程

1923年,维纳根据爱因斯坦的布朗运动物理模型,归纳总结出了布朗运动的数学定义。

定义:设{W(t),t≥0}为随机过程,如果

(1){W(t),t≥0}为平稳独立增量过程;

(2)W(0)=0;

(3)对任意的t>s≥0,W(t)-W(s)~N(0,(t-s)),其中σ>0为常数。

则称W(t)是参数为的布朗运动,或维纳过程(Wiener process)。

维纳过程的定义是以随机变量W(t)的形式给出的,但是维纳却直接将W(t)当作单个布朗粒子的位移,给后来随机过程理论样本轨道性质的研究埋下了隐患。

三、随机过程定义

随机过程使用二元函数X(ω,t)来描述动态随机现象在空间和时间的演变过程。

对于固定的时间t,X(ω,t)是状态变量ω的函数,称为随机变量(random variable),简记为X(t);对于固定的状态ω,X(ω,t)为时间变量t的函数,称为样本函数(sample function)或样本轨道(sample path),简记为x(t)。

下图为随机过程X(ω,t)、随机变量X(t)和样本函数x(t)三者之间关系示意图。

图中的三条样本函数曲线可分别看成是三个随机运动质点的位移时间图像,每个质点在t时刻的位移x(t)是时间t的函数。

所有质点在t时刻的位置(图中红点)就是随机变量X(t)在t时刻的状态。

随机过程X(ω,t)即可成是大量随机变量X(t)的集合也可看成是所有样本轨道x(t)的集合

从上图可以看出,随机变量X(t)和样本函数x(t)描述的是完全不同的实际问题。随机变量X(t)用来描述大量质点在某一时刻的空间统计特性,样本函数x(t)则用来描述一个质点的位移随时间变化过程。

四、《随机过程》教科书中的基本概念错误

根据随机过程的定义,样本轨道x(t)是时间t的一般函数,随机变量X(t)是状态变量ω的函数,因此,随机变量X(t)和样本轨道x(t)是两个具有不同对应法则、定义域及值域的单值函数,x(t)≠X(t)。

但是,《随机过程》教科书在研究样本轨道x(t)的性质时,却令X(t)= x(t) ,出现了让人匪夷所思的基本概念错误

《随机过程》教科书的这一基本概念错误,无形中使研究对象从一条样本轨道改变为所有样本轨道的集合,势必会得出一系列与事实不符的结论。

以何书元教授为北大数院本科生编著的《随机过程》教材为例:

一粒花粉在时间t=0从原点出发作布朗运动,将这粒花粉称为质点,用X(t)表示t时花粉的位置,则质点位移X(t)具有以下性质:

(a)独立增量性;

(b)平稳增量性;

(c)对称性;

(d)有限性。

一粒花粉的位移X(t)是时间t的函数,只能被抽象为随机过程中的一条样本轨道,而非t时刻的随机变量。

何书元教授在推导一粒花粉位移X(t)的性质时,沿用维纳的研究方法,将质点位移X(t)当作了随机变量,无形中导致研究对象从一粒花粉变为大量花粉,因而得出了“布朗运动样本轨道服从正态分布”的谬误。

事实上,布朗运动样本轨道的集合服从正态分布,单个的布朗运动样本轨道并不服从正态分布。

下图为1000个布朗粒子的样本轨道,所有样本轨道在t时刻的取值服从(0,t)正态分布,但是对于其中的任何一条样本轨道,都随时间向远离原点的方向扩散,显然不具有正态分布的对称性和集中性。

五、B-S期权定价公式与金融危机

《随机过程》教科书将样本轨道x(t)当作随机变量X(t)的概念错误,给其它学科带来了灾难性的影响。

观察股票价格s(t)随时间t的变化过程,s(t)是时间t的函数,可看作是固定ω时的随机过程S(ω,t),因此,股票价格随时间t的变化过程只能被抽象为随机过程S(ω,t)中的一条样本轨道s(t),而非t时刻的随机变量S(t)。

《金融数学》将股票价格s(t)抽象为随机变量S(t),导致《金融数学》研究对象发生严重错位,不仅得出了股票价格服从对数正态分布的谬误,而且用描述样本轨道集合统计特性的标准差来度量一条样本轨道的波动程度,因此建立的股票价格模型无法正确描述和预测股票价格的波动程度及风险,将其用于指导金融市场实践时,必然会给金融市场带来巨大的风险和灾难。

1973年,Black和Scholes基于几何布朗运动随机变量模型,推导出了著名的BS期权定价公式。由于从理论上解决了金融衍生产品的定价问题,BS期权定价公式对华尔街各种金融创新工具和金融创新产品的面世起到了重大推动作用,使华尔街金融市场获得了空前规模的发展。

但是,由于BS期权定价公式用随机变量的统计参数(波动率)来刻画股票价格的波动程度和风险,因此在大规模应用于金融市场时,竟成为直接导致1987、1997和2007年三次重大金融危机的关键原因。

从物理学角度看,物体温度是度量物体分子运动平均动能的统计参数,没有人会用温度来描述一个分子的动能。但是BS期权定价公式却用随机变量的标准差来度量一条样本轨道的波动程度,这就如同用温度来度量一个分子的动能一样荒谬。

普林斯顿大学数学博士、科普作家麦肯齐(Mackenzie)在《无言的宇宙(隐藏在24个数学公式背后的故事)》书中明确指出:1987、1998和2007年三次重大金融危机都与B-S期权定价公式的正态分布假设有关。

畅销书《黑天鹅》作者塔勒布(Taleb)在《金融时报》上发表了题为“破坏市场的伪科学”专栏文章,指出金融数学通过创造风险而非降低风险来危害金融系统,认为金融数学理论获得诺贝尔奖不仅是对科学的侮辱,而且一直使金融体系面临崩溃的风险。

六、随机过程学科面临重大范式变革

“与实际结合,问题驱动”是随机过程等应用数学学科发展的不竭动力和重要特征。《随机过程》教科书要想正确阐明随机过程样本轨道的本质特征及其变化规律,必须要纠正将样本轨道混淆为随机变量的基本概念错误,因此,未来随机过程学科将面临重大范式变革,全新的随机过程样本轨道理论将会在时间函数基础上进行重建,这也为中国的随机过程学科进入世界一流前列提供了千载难逢的历史性发展机遇。

作者简介

高宏,毕业于清华大学精密仪器系,分别获工学学士、硕士和博士学位,留校任教从事测试信号分析与处理的教学与科研工作,现任紫光股份有限公司CTO,北京市科协委员。

    推荐阅读
  • 尚文粉怎么做(尚文粉怎样做法是最好食)

    以下内容大家不妨参考一二希望能帮到您!尚文粉怎么做将米捡去沙粒,洗净,用清水泡30分种,磨成浆。鸡蛋、淀粉、盐混合调成稀糊。锅上火,下肉末煸出油,下腌莱、盐(2克)、味精拌匀入味,熟时入碗成馅心。花椒面、盐(3克)混炒成椒盐。锅上中火,注入油,至五成油温,将卷粉挂上蛋糊,入油锅炸成微黄色,装盘,配椒盐上桌,蘸吃。

  • 冬至的诗词 冬至的诗词名句

    寒影初回长日至。更有何人继后尘。尽道朝来添一线。已减铜壶昨夜筹。灯下一身家万里,今年恰好是三冬。凌晨出去逢人饮,沉醉归来满马泥。多恨恐成干斗气,欲言那得上天梯。灯青火冷睡半醒,残叶打窗乌夜啼。

  • 高恩lamy个人资料(lami更新与高恩的合照)

    2020年SM公司即将推出新的组合,男团、女团各有一个。SM的家族粉丝们对于女团的关注度是非常的高,因为这是继2014年推出红贝贝之后,再一次推出女团。在曾经公开的smrookies女练习生中,lami、高恩、hina、宁宁是非常有人气的四位练习生。但是一切猜想都因为lami开了ins破灭了,2020年的2月lami妹妹开了ins,还发出自己的近照。近日,lami又更新了ins,发出了自己和高恩的照片。lami的颜值是典型的SM长相,lami一直被称为“小允儿”,两人都是小鹿相的女生。

  • 硫酸亚铁的作用(硫酸亚铁有什么作用)

    硫酸亚铁的作用:水处理,我来为大家科普一下关于硫酸亚铁的作用?还原剂大量的硫酸亚铁被用作还原剂,主要还原水泥中的铬酸盐。药用硫酸亚铁用于治疗缺铁性贫血症;也用于在食物中加铁,长期超量使用可能会引起腹痛、恶心等副作用。着色剂鞣酸铁墨水及其他墨水的生产需要用到硫酸亚铁。硫酸亚铁可用于将混凝土染为黄的铁锈色。木工用硫酸亚铁使枫木染有银质色彩。分析化学硫酸亚铁可用作色谱分析试剂。

  • 英国伦敦白金汉宫介绍(英白金汉宫20日起对外开放)

    据中新网报道,英国白金汉宫将从7月20日起迎来夏季对外开放日。作为英国著名的皇家府邸,白金汉宫位于英国的首都伦敦中心,是英国君主的主要寝宫和办公场所,现任女王伊丽莎白常在此办公,召见首相或是大臣,举行国家庆典或是宴请外宾。每日清晨在白金汉宫门前都会举行皇家卫队换岗仪式,是一道著名的风景。白金汉宫可以说是每一个来伦敦旅游的人的必去之地,但是它不是每天开放。

  • 秃女聊斋故事大全(白话聊斋金姑夫)

    白话聊斋金姑夫金姑夫双双塑像事荒唐,狐鬼凭依作婿乡烈魄真魂空受玷,小姑居处本无郎浙江会稽县有个梅姑祠梅姑神本姓马,老家在山东东莞没出嫁,未婚夫就死了,便决心不再嫁人;到三十来岁,她也死了族人为她立祠纪念,称她为梅姑。

  • 摩托车装点烟器怎样接线(如何接线)

    摩托车装点烟器怎样接线?下面内容希望能帮助到你,我们来一起看看吧!摩托车装点烟器怎样接线正极接点火开关线。负极直接固定在车架的任意位置搭铁就行。注意在点烟器正极中间加装一个保险丝,防止短路烧坏车子线路。这种接法只能用来平时的用电,不建议点烟。

  • 哈尔滨师范大学考研率(23教育考研院校分析之哈尔滨师范大学)

    学校成立于1951年,其前身是1946年中国共产党在东北解放区建立的松江省立行知师范学校。教育学专业在第四轮学科评估中评级为B,在全国处于前20%-30%的,专业实力较强。22考研教育相关专业录取的469人,调剂录取74人,占比15.8%,受学校地理位置和城市发展前景等因素的影响,学校报考热度一般,整体而言上岸难度不大。

  • 安家立业什么意思(安家立业指什么)

    下面更多详细答案一起来看看吧!安家立业什么意思安家立业,汉语成语,拼音是ānjiālìyè,意思是指安置家庭,创立基业或事业;也指长期在一个地方劳动和生活。出自梁斌《漫谈<红旗谱>的创作(代序)》:“于是背起铺盖卷下了关东,在关东挖参、淘金,积了一些钱,回来安家立业,准备报仇。“

  • 王儇是哪个朝代(王儇出生在哪个家族)

    王儇是哪个朝代电视剧《上阳赋》改编自小说《帝王业》其本身是架空,没有具体历史背景的。电视剧第一集在女主王儇的及笄典礼上就出现了“元熙十五年八月”,宁朔发生战乱的事情。元熙正是南朝刘裕的年号,剧中章子怡的舞蹈、衣服、饰物都带着明显的南朝风格。萧綦的人物形象与历史上的南朝开国皇帝刘裕十分接近。刘裕自称是汉楚元王刘交的后裔,传到东晋时家世已经衰落不堪。